תקליט תקשורת לייזר בחלל העמוק, כמה מקום לדמיון? חלק ראשון

לאחרונה, גשושית הספיריט האמריקאית השלימה ניסוי תקשורת לייזר בחלל עמוק עם מתקני קרקע במרחק של 16 מיליון קילומטרים, וקבעה שיא חדש למרחק תקשורת אופטית בחלל. אז מהם היתרונות שלתקשורת לייזרבהתבסס על עקרונות טכניים ודרישות המשימה, אילו קשיים עליו להתגבר? מה הסיכוי ליישומו בתחום חקר החלל העמוק בעתיד?

פריצות דרך טכנולוגיות, לא מפחדים מאתגרים
חקר החלל העמוק הוא משימה מאתגרת ביותר במהלך חקר היקום על ידי חוקרי חלל. גשושיות צריכות לחצות חלל בין-כוכבי מרוחק, להתגבר על סביבות קיצוניות ותנאים קשים, לרכוש ולהעביר נתונים יקרי ערך, וטכנולוגיית תקשורת ממלאת תפקיד חיוני.

תרשים סכמטי שלתקשורת לייזר בחלל עמוקניסוי בין לוויין הגשש Spirit לבין מצפה הכוכבים הקרקעי

ב-13 באוקטובר שוגרה הגשושית ספיריט, והחלה מסע חקר שיימשך לפחות שמונה שנים. בתחילת המשימה, היא עבדה עם טלסקופ הייל במצפה הכוכבים פאלומר בארצות הברית כדי לבחון טכנולוגיית תקשורת לייזר בחלל העמוק, תוך שימוש בקידוד לייזר באינפרא אדום קרוב כדי להעביר נתונים עם צוותים בכדור הארץ. לשם כך, הגלאי וציוד התקשורת בלייזר שלו צריכים להתגבר על לפחות ארבעה סוגים של קשיים. בהתאמה, בעיות המרחק, הנחתת האות והפרעותיו, מגבלת רוחב הפס ועיכובו, מגבלת האנרגיה ופיזור החום ראויות לתשומת לב. חוקרים ציפו והתכוננו לקשיים אלה זה מכבר, ופרצו סדרה של טכנולוגיות מפתח, והניחו בסיס טוב לגשושית ספיריט לביצוע ניסויי תקשורת לייזר בחלל העמוק.
ראשית, גלאי ה-Spirit משתמש בטכנולוגיית שידור נתונים במהירות גבוהה, קרן לייזר נבחרת כמדיום שידור, מצויד ב-לייזר בעל עוצמה גבוההמשדר, תוך שימוש ביתרונות שלשידור לייזרקצב ויציבות גבוהה, בניסיון ליצור קשרי תקשורת לייזר בסביבת החלל העמוק.
שנית, על מנת לשפר את אמינות ויציבות התקשורת, גלאי ה-Spirit מאמץ טכנולוגיית קידוד יעילה, שיכולה להשיג קצב העברת נתונים גבוה יותר בתוך רוחב הפס המוגבל על ידי אופטימיזציה של קידוד הנתונים. במקביל, הוא יכול להפחית את קצב שגיאות הסיביות ולשפר את דיוק העברת הנתונים באמצעות טכנולוגיית קידוד תיקון שגיאות קדימה.
שלישית, בעזרת טכנולוגיית תזמון ובקרה חכמה, הגשושית מממשת את ניצול משאבי התקשורת בצורה אופטימלית. הטכנולוגיה יכולה להתאים באופן אוטומטי את פרוטוקולי התקשורת ואת קצבי השידור בהתאם לשינויים בדרישות המשימה ובסביבת התקשורת, ובכך להבטיח את תוצאות התקשורת הטובות ביותר בתנאי אנרגיה מוגבלים.
לבסוף, על מנת לשפר את יכולת קליטת האות, חללית ה-Spirit משתמשת בטכנולוגיית קליטה מרובת-קרן. טכנולוגיה זו משתמשת במספר אנטנות קליטה ליצירת מערך, אשר יכול לשפר את רגישות הקליטה והיציבות של האות, ולאחר מכן לשמור על חיבור תקשורת יציב בסביבת חלל עמוק מורכבת.

היתרונות ברורים, חבויים בסוד
העולם החיצוני לא קשה לגלות ש...לייזרהוא המרכיב המרכזי במבחן התקשורת בחלל העמוק של גשושית הספיריט, אז אילו יתרונות ספציפיים יש ללייזר כדי לסייע להתקדמות המשמעותית של תקשורת בחלל העמוק? מה התעלומה?
מצד אחד, הדרישה הגוברת לנתונים עצומים, תמונות וסרטונים ברזולוציה גבוהה למשימות חקר חלל עמוק, בוודאי תדרוש קצבי העברת נתונים גבוהים יותר עבור תקשורת בחלל העמוק. לנוכח מרחק העברת התקשורת שלעתים קרובות "מתחיל" בעשרות מיליוני קילומטרים, גלי רדיו הופכים בהדרגה ל"חסרי כוח".
בעוד שתקשורת לייזר מקודדת מידע על פוטונים, בהשוואה לגלי רדיו, לגלי אור באינפרא אדום קרוב יש אורך גל צר יותר ותדירות גבוהה יותר, מה שמאפשר לבנות "כביש מהיר" של נתונים מרחביים עם העברת מידע יעילה וחלקה יותר. נקודה זו אומתה באופן ראשוני בניסויים מוקדמים בחלל במסלול נמוך סביב כדור הארץ. לאחר נקיטת אמצעי הסתגלות רלוונטיים והתגברות על הפרעות אטמוספריות, קצב העברת הנתונים של מערכת תקשורת הלייזר היה פעם גבוה כמעט פי 100 מזה של אמצעי התקשורת הקודמים.