I satelliti stanno diventando sempre più importanti nelle nostre vite, poiché ci aiutano a soddisfare la richiesta di più dati, scambiato a velocità più elevate. Questo è il motivo per cui stiamo esplorando nuovi modi per migliorare la comunicazione satellitare.

La tecnologia satellitare viene utilizzata per navigare, prevedere il tempo, monitorare la Terra dallo spazio, ricevere segnali TV dallo spazio, e connettersi a luoghi remoti tramite strumenti come telefoni satellitari e satelliti Sky Muster di NBN.

Tutte queste comunicazioni utilizzano le onde radio. Sono onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio e, Ad un certo grado, attraverso ostacoli come muri.

Ogni sistema di comunicazione utilizza una banda di frequenza assegnatagli, e ogni banda fa parte dello spettro elettromagnetico, che è il nome dato alla gamma di tutti i tipi di radiazione elettromagnetica.

Ma lo spettro elettromagnetico che siamo in grado di usare con la tecnologia attuale è una risorsa finita, ed è ora completamente occupato. Ciò significa che i vecchi servizi devono fare spazio a quelli nuovi, o devono essere utilizzate bande di frequenza superiori.

Mentre questo pone sfide tecnologiche, un modo promettente per il futuro è la comunicazione ottica.

Comunicazione con i laser

Invece di usare le onde radio per trasportare le informazioni, possiamo usare la luce dei laser come vettore. Mentre tecnicamente fa ancora parte dello spettro elettromagnetico, le frequenze ottiche sono significativamente più alte, il che significa che possiamo usarli per trasferire dati a velocità più elevate.

Però, uno svantaggio è che un laser non può propagarsi attraverso le pareti, e può anche essere bloccato dalle nuvole. Mentre questo è problematico sulla Terra, e per la comunicazione tra i satelliti e la Terra, non è un problema per la comunicazione tra i satelliti.

Sulla terra, la comunicazione ottica tramite cavi in ​​fibra ottica collega i continenti e fornisce enormi scambi di dati. Questa è la tecnologia che permette al cloud di esistere, e servizi online da fornire.

La comunicazione ottica tra i satelliti non utilizza cavi in ​​fibra ottica, ma implica la propagazione della luce attraverso lo spazio. Questo è chiamato "comunicazione ottica nello spazio libero, " e può essere utilizzato non solo per fornire dati dai satelliti a terra, ma anche per collegare i satelliti nello spazio.

In altre parole, la comunicazione ottica nello spazio libero fornirà la stessa massiccia connettività nello spazio che già abbiamo sulla Terra.

Alcuni sistemi come l'European Data Relay System sono già operativi, e altri come Starlink di SpaceX continuano a essere sviluppati.

Ma ci sono ancora molte sfide da superare, e siamo limitati dalla tecnologia attuale. Io e i miei colleghi stiamo lavorando alla realizzazione di ottiche, così come la radiofrequenza, collegamenti dati ancora più veloci e sicuri.

CubeSat

Finora, molto impegno è stato dedicato alla ricerca e allo sviluppo della tecnologia a radiofrequenza. È così che sappiamo che le velocità dei dati sono al loro limite fisico più alto e non possono essere ulteriormente aumentate.

Mentre un singolo collegamento a radiofrequenza può fornire velocità di trasmissione dati di 10 Gbps con antenne di grandi dimensioni, un collegamento ottico può raggiungere tassi da 10 a 100 volte superiori, utilizzando antenne da 10 a 100 volte più piccole.

Queste piccole antenne sono infatti lenti ottiche, e la loro dimensione compatta permette loro di essere integrati in piccoli satelliti chiamati CubeSats.

I CubeSat non sono più grandi di una scatola da scarpe o di un tostapane, ma può impiegare collegamenti dati ad alta velocità ad altri satelliti o al suolo.

Sono attualmente utilizzati per un'ampia gamma di attività, tra cui l'osservazione della terra, comunicazioni ed esperimenti scientifici nello spazio. E anche se non sono in grado di fornire tutti i servizi dallo spazio, svolgono un ruolo importante nei sistemi satellitari attuali e futuri.

Un altro vantaggio della comunicazione ottica è la maggiore sicurezza. La luce di un laser forma un raggio stretto, che deve essere puntato da un mittente a un destinatario. Poiché questo raggio è molto stretto, la comunicazione non interferisce con altri ricevitori ed è molto difficile, se non impossibile, per origliare la comunicazione. Questo rende i sistemi ottici più sicuri dei sistemi radioelettromagnetici.

La comunicazione ottica può essere utilizzata anche per la distribuzione delle chiavi quantistiche. Questa tecnologia consente lo scambio in assoluta sicurezza delle chiavi di crittografia per comunicazioni sicure.

Cosa possiamo aspettarci da questo?

Sebbene sia entusiasmante sviluppare sistemi per lo spazio, e per lanciare satelliti, il vero beneficio dei sistemi satellitari si fa sentire sulla Terra.

La comunicazione ad alta velocità fornita da collegamenti dati ottici migliorerà la connettività per tutti noi. In particolare, le aree remote che attualmente hanno connessioni relativamente lente avranno un migliore accesso alla salute e all'apprendimento a distanza.

Migliori collegamenti dati ci consentiranno anche di fornire immagini e video dallo spazio con meno ritardo e una risoluzione più elevata. Ciò migliorerà il modo in cui gestiamo le nostre risorse, compresa l'acqua, agricoltura e silvicoltura.

Forniranno inoltre informazioni vitali in tempo reale in scenari di catastrofi come gli incendi boschivi. Le potenziali applicazioni della tecnologia della comunicazione ottica sono vaste.

Mettere insieme la conoscenza

Lavorare nella comunicazione satellitare ottica è impegnativo, poiché combina molti campi e aree di ricerca diversi, tra cui le telecomunicazioni, fotonica e produzione.

Attualmente, la nostra tecnologia è lontana dal raggiungere ciò che è teoricamente possibile, e ci sono grandi margini di miglioramento. Questo è il motivo per cui c'è una forte attenzione alla collaborazione.

In Australia, ci sono due importanti programmi che facilitano questo:l'Agenzia spaziale australiana gestita dal governo federale, e il Centro di ricerca cooperativa SmartSat (CRC), sostenuto anche dal governo federale.

Attraverso il programma SmartSat CRC, i miei colleghi ed io passeremo i prossimi sette anni ad affrontare una serie di problemi di ricerca applicata in questo settore.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.