Kissavideoita avaruudesta

2023-12-19 [Petri]

Kuvailin kirjassani lasereiden potentiaalista käyttöä avaruustekniikassa. Joitain testejä oli jo tehty kirjan kirjoittamisen aikana, mutta nyt NASA on rikkonut kaikki aiemmat ennätykset Deep Space Optical Communications (DSOC)-demonstraattorillaan. Ja kun sitä mukanaan kantava Psyche-luotain etenee koko ajan kauemmaksi, uusia ennätyksiä tullaan tehtailemaan jatkossakin.

Radioaallot ovat olleet avaruusluotainten kommunikaation perusta. Tämä perustuu hyvin tunnettuun ja testattuun teknologiaan, mutta sen tarjoama kaistanleveys kärsii etäisyyden kasvaessa.

Kun esimerkiksi New Horizons-luotain ohitti Pluton kesällä 2015, se täytti muistinsa mittaustuloksilla ja kuvilla. Mutta koska sen tietoliikenteen kaistanleveys tuolla etäisyydellä oli luokkaa 2 kilobittiä sekunnissa, eli noin seitsemän kertaa ensimmäisten akustisten modeemien tarjoama nopeus, siltä kesti 15 kuukautta lähettää ohilennon materiaali Maahan.

Jos luotaimelle olisi tapahtunut jotain tänä aikana, lähettämättä jäänyt materiaali olisi menetetty ikuisesti.

Vaikka nämä datalinkit hyödyntävätkin mikroaaltoja, niiden mahdollistama kaistanleveys on vain murto-osa siitä mihin voidaan päästä valoa moduloimalla. Tämä on se syy miksi Maapallo on nyt katettu tiheällä verkolla optisia kaapeleita: koherentin laservalon käyttö mahdollistaa ne lähes järjettömän suuret datavirrat mitä Internetissä kulkee mannerten välillä joka ikinen sekunti.

Joulukuun 11. päivänä NASA suoritti testin, joka toimi suorana jatkona kirjassani esitettyihin aiempiin avaruus-laser-yhteystesteihin. NASAn “kuuntakainen” yhteys lähetti toistuvaa 4K-tason kissavideota 267 megabitin sekuntinopeudella.

Vaikka testin etäisyys, 31 miljoonaa kilometriä, onkin yli 80 kertaa Kuun etäisyys Maasta, se on silti vain noin 1/8 Marsin keskimääräisestä etäisyydestä. Mutta kun Psyche-luotain jatkaa matkaansa kohti asteroidivyöhykettä, saadaan testattua suurempiakin etäisyyksiä: Psyche on kauimmillaan 2.7 astronomisen yksikön etäisyydellä, ja siten Marsiakin kauempana.

Radioaaltojen heikentyminen matkallaan jostain kaukaa avaruudesta ei kärsi pelkästään etäisyyden vaikutuksesta ns. etäisyyden käänteisen neliön säännön mukaan, vaan niihin vaikuttavat myös satunnaiset häiriöt Maan päällä tapahtuvista muista radiolähetteistä, jotka ovat joko samalla tai läheisellä taajuudella.

NASA käyttää valtavan suuria radioteleskooppeja tähän kommunikointiin, ja joutuu myös käyttämään kymmenien kilowattien tehoja komentojen lähettämiseksi avaruusaluksiin, koska luotainten antennit ovat varsin vaatimattomia: esimerkiksi New Horizonin pääantennin läpimitta on vain 2.1 metriä.

Laservaloa käytettäessä voidaan yhdistää erittäin kapean näkökulman optinen kaukoputki ja NASAn kehittämä, aivan uusi "Superconducting Nanowire Single Photon Detector"-ilmaisinteknologia. Ja kun “tiedonsiirtoväylä” luotaimen ja Maan välillä on sananmukaisesti tyhjää täynnä, ei samalla taajuudella olevia häiriösignaaleja ole olemassa. Teoriassa valopohjainen lähete heikkenee radiosignaalia nopeammin, mutta NASAn kehittämä uusi “fotonien laskentatenologia” tässä vastaanottimessa auttaa merkittävästi, luonnollisesti yhdessä laser-valon tarjoaman suuremman mahdollisen alkuperäisen tiedonsiirtonopeuden kanssa.

Laitteiston paino on kaikki kaikessa mitä avaruusluotaimiin tulee, joten tämän uuden teknologian tarjoama mahdollisuus pienempikokoisiin mutta silti tehokkaampiin tiedonsiirtolaitteistoihin näyttäisi näiden testien perusteella olevan täysin mahdollista toteuttaa tulevaisuuden luotainten kommunikaatiomenetelmänä.

Myös toinen laser-pohjainen testi on hyvää vauhtia alkamassa: NASAn ILLUMA-T-lähetinvastaanotin toimitettiin juuri Kansainväliselle Avaruusasemalle. Se käyttää laservaloa kommunikoinnissa jo avaruuteen aiemmin lähetetyn NASAn tietoliikennesatelliitin kanssa, joka sitten välittää tämän datan maa-asemille. Odotusarvona tälle testille on saavuttaa vähintään kymmenen kertaa nykyistä tietoliikennekaistaa nopeampi tiedonsiirto avaruusasemalta.

Kuten jo kirjassani totesin, on hyvin mahdollista että tulevaisuuden Mars-tukikohta kommunikoi Maan kanssa valon avulla. Nämä tuoreimmat testit näyttavät osoittavan että se on toteutettavissa myös käytännössä.

Permalink: https://bhoew.com/blog/fi/149