Un'antenna sperimentale ha ricevuto sia segnali laser in radiofrequenza che nel vicino infrarosso dalla navicella spaziale Psyche della NASA mentre viaggia attraverso lo spazio profondo. Ciò dimostra che è possibile adattare le antenne paraboliche giganti della Deep Space Network (DSN) della NASA, che comunicano con i veicoli spaziali tramite onde radio, per comunicazioni ottiche o laser.
Inserendo più dati nelle trasmissioni, la comunicazione ottica consentirà nuove capacità di esplorazione dello spazio supportando al tempo stesso il DSN man mano che la domanda sulla rete cresce.
L'antenna ibrida ottica a radiofrequenza da 34 metri, chiamata Deep Space Station 13, ha tracciato il laser in downlink della dimostrazione della tecnologia Deep Space Optical Communications (DSOC) della NASA dal novembre 2023. Il ricetrasmettitore laser di volo della demo tecnologica sta viaggiando con la navicella spaziale Psyche dell'agenzia, lanciata il 13 ottobre 2023.
L'antenna ibrida si trova presso il Goldstone Deep Space Communications Complex del DSN, vicino a Barstow, in California, e non fa parte dell'esperimento DSOC. DSN, DSOC e Psyche sono gestiti dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California.
"La nostra antenna ibrida è stata in grado di agganciarsi e tracciare con successo e affidabilità il downlink DSOC sin da subito dopo il lancio della demo tecnologica", ha affermato Amy Smith, vicedirettore DSN presso JPL. "Ha ricevuto anche il segnale in radiofrequenza di Psiche, quindi abbiamo dimostrato per la prima volta comunicazioni sincrone in radiofrequenza e in frequenza ottica nello spazio profondo."
Alla fine del 2023, l’antenna ibrida ha effettuato il downlink dei dati da 20 milioni di miglia (32 milioni di chilometri) di distanza a una velocità di 15,63 megabit al secondo, circa 40 volte più veloce delle comunicazioni in radiofrequenza a quella distanza. Il 1° gennaio 2024, l'antenna ha effettuato il downlink di una fotografia della squadra che era stata caricata su DSOC prima del lancio di Psyche.
Per rilevare i fotoni del laser (particelle quantistiche di luce), sette specchi segmentati ultraprecisi sono stati fissati all'interno della superficie curva dell'antenna ibrida. Assomiglianti agli specchi esagonali del telescopio spaziale James Webb della NASA, questi segmenti imitano l'apertura di raccolta della luce di un telescopio con apertura di 3,3 piedi (1 metro). Quando i fotoni laser arrivano all'antenna, ciascuno specchio riflette i fotoni e li reindirizza con precisione in una fotocamera ad alta esposizione collegata al sub-riflettore dell'antenna sospeso sopra il centro della parabola.
Il segnale laser raccolto dalla fotocamera viene quindi trasmesso attraverso una fibra ottica che alimenta un rilevatore di fotoni singoli nanofili semiconduttori raffreddati criogenicamente. Progettato e costruito dal Microdevices Laboratory del JPL, il rilevatore è identico a quello utilizzato presso l'Osservatorio Palomar di Caltech nella contea di San Diego, in California, che funge da stazione terrestre downlink di DSOC.
"Si tratta di un sistema ottico ad alta tolleranza costruito su una struttura flessibile di 34 metri", ha affermato Barzia Tehrani, vicedirettore dei sistemi di terra delle comunicazioni e responsabile della consegna dell'antenna ibrida al JPL. "Utilizziamo un sistema di specchi, sensori precisi e telecamere per allineare e dirigere attivamente il laser dallo spazio profondo in una fibra che raggiunge il rilevatore."
Tehrani spera che l'antenna sia abbastanza sensibile da rilevare il segnale laser inviato da Marte nel suo punto più lontano dalla Terra (2 volte e mezzo la distanza dal Sole alla Terra). Psyche si troverà a quella distanza a giugno nel suo viaggio verso la fascia principale degli asteroidi tra Marte e Giove per indagare sull'asteroide ricco di metalli Psyche.
Il riflettore a sette segmenti sull'antenna è una prova di concetto per una versione ingrandita e più potente con 64 segmenti, l'equivalente di un telescopio con apertura di 26 piedi (8 metri), che potrebbe essere utilizzata in futuro.
DSOC sta aprendo la strada a comunicazioni a velocità di dati più elevate in grado di trasmettere informazioni scientifiche complesse, video e immagini ad alta definizione a sostegno del prossimo passo da gigante dell'umanità:l'invio di esseri umani su Marte. La demo tecnica ha recentemente trasmesso in streaming il primo video ad altissima definizione dallo spazio profondo a bitrate da record.
L’aggiornamento delle antenne a radiofrequenza con terminali ottici e la costruzione di antenne ibride appositamente costruite potrebbero essere una soluzione all’attuale mancanza di un’infrastruttura ottica terrestre dedicata. Il DSN dispone di 14 parabole distribuite nelle strutture in California, Madrid e Canberra, in Australia. Le antenne ibride potrebbero fare affidamento sulle comunicazioni ottiche per ricevere elevati volumi di dati e utilizzare le frequenze radio per dati che richiedono meno larghezza di banda, come la telemetria (informazioni sulla salute e sulla posizione).
"Per decenni abbiamo aggiunto nuove frequenze radio alle gigantesche antenne del DSN situate in tutto il mondo, quindi il prossimo passo più fattibile è includere le frequenze ottiche", ha affermato Tehrani. "Possiamo avere una risorsa che fa due cose contemporaneamente:convertire le nostre strade di comunicazione in autostrade e risparmiare tempo, denaro e risorse."
Fornito dalla NASA
