שיא תקשורת לייזר בחלל עמוק, כמה מקום לדמיון? חלק ראשון

לאחרונה, הגשושית של US Spirit השלימה בדיקת תקשורת לייזר בחלל עמוק עם מתקנים קרקעיים במרחק של 16 מיליון קילומטרים משם, וקבעה שיא מרחק תקשורת אופטי בחלל חדש. אז מה היתרונות שלתקשורת לייזר? בהתבסס על עקרונות טכניים ודרישות המשימה, על אילו קשיים הוא צריך להתגבר? מה הסיכוי ליישומו בתחום חקר החלל העמוק בעתיד?

פריצות דרך טכנולוגיות, לא מפחדים מאתגרים
חקר החלל העמוק הוא משימה מאתגרת ביותר במהלך של חוקרי חלל החוקרים את היקום. בדיקות צריכות לחצות מרחב בין-כוכבי מרוחק, להתגבר על סביבות קיצוניות ותנאים קשים, לרכוש ולהעביר נתונים יקרי ערך, וטכנולוגיית התקשורת משחקת תפקיד חיוני.

תרשים סכמטי שלתקשורת לייזר בחלל עמוקניסוי בין גשושית הלוויין ספיריט למצפה הכוכבים

ב-13 באוקטובר הושקה הגשושית "ספיריט", והחלה מסע חקר שיימשך לפחות שמונה שנים. בתחילת המשימה היא עבדה עם טלסקופ הייל במצפה הכוכבים פאלומאר בארצות הברית כדי לבדוק טכנולוגיית תקשורת לייזר בחלל עמוק, תוך שימוש בקידוד לייזר קרוב לאינפרא אדום כדי לתקשר נתונים עם צוותים על פני כדור הארץ. לשם כך, הגלאי וציוד התקשורת הלייזר שלו צריכים להתגבר על לפחות ארבעה סוגי קשיים. בהתאמה, המרחק הרחוק, הנחתה והפרעות האות, הגבלת רוחב הפס והשהייה, הגבלת האנרגיה ופיזור החום ראויים לתשומת לב. חוקרים ציפו זה מכבר והתכוננו לקשיים הללו, ופורצו דרך שורה של טכנולוגיות מפתח, והניחו בסיס טוב לבדיקה של Spirit לביצוע ניסויי תקשורת לייזר בחלל עמוק.
קודם כל, גלאי הרוח משתמש בטכנולוגיית שידור נתונים במהירות גבוהה, קרן לייזר נבחרה כאמצעי השידור, מצויד ב-לייזר בעל הספק גבוהמשדר, תוך שימוש ביתרונות שלשידור לייזרקצב ויציבות גבוהה, מנסה ליצור קישורי תקשורת לייזר בסביבת החלל העמוק.
שנית, על מנת לשפר את האמינות והיציבות של התקשורת, גלאי הרוח מאמץ טכנולוגיית קידוד יעילה, שיכולה להשיג קצב העברת נתונים גבוה יותר ברוחב הפס המוגבל על ידי אופטימיזציה של קידוד הנתונים. במקביל, זה יכול להפחית את שיעור שגיאות הסיביות ולשפר את הדיוק של העברת הנתונים על ידי שימוש בטכנולוגיה של קידוד תיקון שגיאות קדימה.
שלישית, בעזרת טכנולוגיית תזמון ובקרה חכמה, הגשש מממש את הניצול האופטימלי של משאבי התקשורת. הטכנולוגיה יכולה להתאים אוטומטית את פרוטוקולי התקשורת וקצבי השידור בהתאם לשינויים בדרישות המשימות ובסביבת התקשורת, ובכך להבטיח את תוצאות התקשורת הטובות ביותר בתנאי אנרגיה מוגבלים.
לבסוף, על מנת לשפר את יכולת קליטת האותות, הגשש Spirit משתמש בטכנולוגיית קליטה מרובה אלומות. טכנולוגיה זו משתמשת במספר אנטנות קליטה כדי ליצור מערך, שיכול לשפר את רגישות הקליטה והיציבות של האות, ולאחר מכן לשמור על חיבור תקשורת יציב בסביבת החלל העמוק המורכבת.

היתרונות ברורים, חבויים בסוד
העולם החיצון לא קשה למצוא את זהלייזרהוא מרכיב הליבה של מבחן התקשורת בחלל העמוק של הגשושית Spirit, אז אילו יתרונות ספציפיים יש ללייזר כדי לעזור להתקדמות משמעותית של תקשורת בחלל העמוק? מה התעלומה?
מצד אחד, הדרישה הגוברת לנתונים מסיביים, תמונות ברזולוציה גבוהה וסרטוני וידאו למשימות חקר חלל עמוק חייבת לדרוש קצבי העברת נתונים גבוהים יותר עבור תקשורת בחלל העמוק. מול מרחק שידור התקשורת שלעתים קרובות "מתחיל" בעשרות מיליוני קילומטרים, גלי הרדיו "חסרי כוח" בהדרגה.
בעוד שתקשורת לייזר מקודדת מידע על פוטונים, בהשוואה לגלי רדיו, לגלי אור קרוב לאינפרא אדום 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 מראש בניסויי החלל המוקדמים במסלול נמוך של 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.