Pensavi che la tua velocità di Internet fosse lenta? Prova a fare lo scienziato spaziale per un giorno.

Le vaste distanze coinvolte ridurranno la velocità dei dati a un filo. Sei fortunato se un veicolo spaziale può inviare più di pochi megabit al secondo (Mbps), una miseria anche per gli standard di accesso remoto.

Ma potremmo essere sulla soglia di un cambiamento. Proprio come il passaggio dalla connessione remota alla banda larga ha rivoluzionato Internet e ha reso le foto ad alta risoluzione e i video in streaming un dato di fatto, La NASA potrebbe essere pronta a subire un simile momento di "banda larga" nei prossimi anni.

La chiave di quella rivoluzione dei dati saranno i laser. Da quasi 60 anni, il modo standard per "parlare" con i veicoli spaziali è stato con le onde radio, ideali per le lunghe distanze. Ma le comunicazioni ottiche, in cui i dati vengono trasmessi su luce laser, può aumentare tale tasso da 10 a 100 volte.

L'elevata velocità di trasmissione dei dati consentirà ai ricercatori di raccogliere dati scientifici più velocemente, studiare eventi improvvisi come tempeste di polvere o atterraggi di veicoli spaziali, e persino inviare video dalla superficie di altri pianeti. La precisione millimetrica delle comunicazioni laser si adatta bene anche agli obiettivi dei pianificatori delle missioni della NASA, che stanno cercando di inviare veicoli spaziali più lontano nel sistema solare.

"La tecnologia laser è ideale per potenziare le comunicazioni in downlink dallo spazio profondo, " disse Abi Biswas, il supervisore del gruppo Optical Communications Systems presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, Pasadena, California. "Alla fine consentirà applicazioni come dare a ciascun astronauta il proprio feed video, o inviando indietro una risoluzione più alta, immagini ricche di dati più velocemente."

Scienza alla velocità della luce

Sia la radio che i laser viaggiano alla velocità della luce, ma i laser viaggiano in una larghezza di banda a frequenza più elevata. Ciò consente loro di trasportare più informazioni rispetto alle onde radio, che è cruciale quando si raccolgono enormi quantità di dati e si hanno finestre temporali ristrette per rimandarli sulla Terra.

Un buon esempio è il Mars Reconnaissance Orbiter della NASA, che invia dati scientifici a un massimo di 6 Mbps. Bis è stato stimato che se l'orbiter utilizzasse la tecnologia di comunicazione laser con un consumo di massa e di energia paragonabile al suo attuale sistema radio, potrebbe probabilmente aumentare la velocità massima dei dati a 250 Mbps.

Potrebbe sembrare ancora incredibilmente lento per gli utenti di Internet. Ma sulla Terra, i dati vengono inviati su distanze molto più brevi e attraverso infrastrutture che non esistono ancora nello spazio, quindi viaggia ancora più veloce.

L'aumento della velocità dei dati consentirebbe agli scienziati di dedicare più tempo all'analisi che alle operazioni dei veicoli spaziali.

"È perfetto quando le cose stanno accadendo velocemente e vuoi un set di dati denso, " ha detto Dave Pieri, un ricercatore e vulcanologo del JPL. Pieri ha condotto ricerche passate su come le comunicazioni laser potrebbero essere utilizzate per studiare le eruzioni vulcaniche e gli incendi quasi in tempo reale. "Se hai un vulcano che esplode davanti a te, vuoi valutare il suo livello di attività e la propensione a continuare a eruttare. Prima ottieni ed elabori quei dati, meglio è."

La stessa tecnologia potrebbe essere applicata ai criovulcani in eruzione su lune ghiacciate intorno ad altri pianeti. Pieri ha osservato che rispetto alla trasmissione radiofonica di eventi come questi, "Le comunicazioni laser aumenterebbero la posta di un ordine di grandezza."

Offuscare il futuro dei laser

Questo non vuol dire che la tecnologia sia perfetta per ogni scenario. I laser sono soggetti a maggiori interferenze da nuvole e altre condizioni atmosferiche rispetto alle onde radio; anche il puntamento e il tempismo sono sfide.

I laser richiedono anche infrastrutture di terra che ancora non esistono. La rete spaziale profonda della NASA, un sistema di antenne dislocate in tutto il mondo, si basa interamente sulla tecnologia radio. Dovrebbero essere sviluppate stazioni di terra in grado di ricevere laser in luoghi in cui i cieli sono affidabili in modo affidabile.

La tecnologia radio non scomparirà. Funziona con la pioggia o con il sole, e continuerà ad essere efficace per usi a basso contenuto di dati come fornire comandi a veicoli spaziali.

Prossimi passi

Due imminenti missioni della NASA aiuteranno gli ingegneri a comprendere le sfide tecniche coinvolte nella conduzione delle comunicazioni laser nello spazio. Quello che impareranno farà avanzare i laser verso una forma comune di comunicazione spaziale in futuro.

La dimostrazione del relè di comunicazione laser (LCRD), guidato dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, il lancio è previsto per il 2019. LCRD dimostrerà la trasmissione dei dati utilizzando la tecnologia laser e a radiofrequenza. Trasmetterà segnali laser quasi 25, 000 miglia (40, 000 chilometri) da una stazione terrestre in California a un satellite in orbita geostazionaria, quindi inoltrare quel segnale a un'altra stazione di terra. Il JPL sta sviluppando una delle stazioni di terra a Table Mountain, nel sud della California. Testare le comunicazioni laser in orbita geostazionaria, come farà LCRD, ha applicazioni pratiche per il trasferimento di dati sulla Terra.

Comunicazioni ottiche nello spazio profondo (DSOC), guidato da JPL, è programmato per il lancio nel 2023 come parte di una prossima missione NASA Discovery. quella missione, Psiche, volerà verso un asteroide metallico, testare le comunicazioni laser da una distanza molto maggiore rispetto a LCRD.

La missione Psiche è stata pianificata per trasportare il dispositivo laser DSOC a bordo della navicella spaziale. Effettivamente, la missione DSOC cercherà di colpire un bersaglio usando un laser nello spazio profondo e, a causa della rotazione del pianeta, colpirà un bersaglio in movimento, anche.

Progetti della NASA passati e futuri che coinvolgono comunicazioni laser:

Nome:Dimostrazione delle comunicazioni laser lunari (LLCD)

Guidato da:Goddard Space Flight Center

Anno 2013

Obiettivo:è stato il primo sistema della NASA per la comunicazione bidirezionale che utilizza un laser al posto delle onde radio. Una velocità di trasferimento dati senza errori di 20 Mbps trasmessa da una stazione di terra primaria nel New Mexico al Lunar Atmosphere e Dust Environment Explorer (LADEE) della NASA, un veicolo spaziale in orbita attorno alla luna. Ha dimostrato una velocità di downlink priva di errori di 622 Mbps, l'equivalente dello streaming di 30 canali HDTV dalla luna.

Nome:Payload ottico per Lasercomm Science (OPALS)

Condotto da:JPL

Anno:2014

Obiettivo:testare le comunicazioni laser dalla Stazione Spaziale Internazionale. Trasmesso un file video ogni 3,5 secondi per un totale di 148 secondi. Con i tradizionali metodi di downlink, inviare il video da 175 megabit solo una volta avrebbe richiesto 10 minuti.

Nome:dimostrazione del relè di comunicazione laser (LCRD)

Guidato da:Goddard Space Flight Center

Anno:2019

Obiettivo:trasmetterà segnali laser tra i telescopi a Table Mountain, California, e alle Hawaii attraverso un satellite relè in orbita geostazionaria durante un periodo dimostrativo di due anni. Il sistema è progettato per funzionare fino a cinque anni per dimostrare l'affidabilità quotidiana delle comunicazioni laser per le future missioni della NASA.

Nome:Comunicazioni ottiche nello spazio profondo (DSOC)

Guidato da JPL

Anno:2023

Obiettivo:testare le comunicazioni laser dallo spazio profondo. Un'imminente missione Discovery della NASA chiamata Psyche volerà su un asteroide metallico a partire dal 2023. Si prevede che Psyche ospiterà un dispositivo laser chiamato DSOC, che trasmetterebbe i dati a un telescopio al Palomar Mountain Observatory in California.