Az űrkutatás világában elengedhetetlen a megfelelő kommunikációs kapcsolat, mind az emberes küldetések esetén és az autonóm módon üzemelő űreszközök működtetésében egyaránt. Az 1950-es évek óta, az űrrepülés kezdetétől fogva a NASA-nál, és minden más „űrnemzet” esetében is a rádiófrekvenciás kommunikáció volt a legelterjedtebb adattovábbítási mód a Föld és a világűrben tartózkodó eszköz között.
Példának okáért, napjaink egyik legnagyobb figyelemmel követett eseményei a Perseverance és az Ingenuity küldetései. A missziók során gyűjtött adatok a Föld-Mars távolság miatt több óra elteltével érkeznek meg a küldetéseket irányító csapathoz. Ezek az adatok több lépcsőben jutnak el bolygónkig: a Perseverance a Mars körül keringő adattovábbító (relé) rendszeren (Mars Relay Network) keresztül a küldi el az adatokat a Föld felé, a Deep Space Network (DSN) antennák pedig befogják a rádióhullámokat, és letöltik az adatokat.
Az öt, NASA által használt Mars körül keringő eszköz, amely a Mars Relay Network rendszerét alkotják. Óramutató járásával megegyezően, balról: Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN), Mars Odyssey, valamint az ESA eszközei a Mars Express és a Trace Gas Orbiter (TGO). Forrás: NASA/JPL-Caltech, ESA
A Mojave-sivatagban (Kalifornia) található Deep Space Network (DSN) komplexum 34 m átmérőjű antennái. Ezen kívül még két helyen található ilyen létesítmény: Spanyolországban, Madrid mellett, illetve Ausztráliában Canberra közelében. Forrás: NASA/JPL-Caltech
Minél nagyobb egy adatcsomag, annál tovább tart eljutnia a Földig, a Mars teljes térképének eljuttatása a Földre a rádiófrekvenciás rendszeren keresztül 9 hetet venne igénybe. Napjainkban a multimédiás tartalmak, mint a képek és videók felbontásának és így méretük növekedése miatt ez a fajta kommunikációs rendszer egyre inkább szűk keresztmetszetnek bizonyul.
Erre kínálhat megoldást a lézeres (más néven optikai) kommunikáció. A fenti példát alapul véve, ha a Mars Relay Network egyik tagja ilyen technológián alapuló adattovábbítási rendszerrel lenne felvértezne, akkor a Mars teljes térképének eljuttatása a Földre 9 hét helyett mindössze 9 napba telne, a lézeres kommunikációs rendszer ugyanis 10-100-szor nagyobb adatcsomagokat képes szállítani, mint a jelenlegi rádiófrekvenciás rendszerek.
Az optikai kommunikációs rendszerek másik előnye, hogy kisebb térfogatuk miatt kevesebb helyet igényelnek, tömegük alacsonyabb, ami további tudományos eszközök beépítését teszi lehetővé, illetve energiaigényük is alacsonyabb, mint a rádiófrekvenciás rendszereké.
Működési elv
Mind a rádióhullámok, mind pedig az infravörös fény elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza az elektromágneses spektrum különböző pontjain található. A rádióhullámokhoz hasonlóan az infravörös fény is láthatatlan az emberi szem számára, és hétköznapjainkban is találkozhatunk vele, elég a TV készülékeink távirányítóira gondolni.
A küldetések során a gyűjtött adatokat (legyen az fotó, vagy egy műszer mérési eredményei) elektormágneses jelekké alakítják át, hogy áthidalják az adó (valamely eszköz az űrben) és a vevő (földi állomások) közötti távolságot a hullámok terjedésének formájában.
A jelentős különbség az, hogy az infravörös fény jóval szűkebb hullámtartományban működve képes az adatokat becsomagolni és továbbítani, ami azt jelenti, hogy a Földön található vevő egyszerre több adatot képes fogadni. Fontos megjegyezni, hogy az optikai kommunikáció nem feltétlenül gyorsabb, az igazi előnye abban rejlik, hogy több adat továbbítható egy „downlinken”, vagy „uplinken” (melynek magyar nyelvű megfelelője a beérkező/kimenő adatcsomag lehetne) keresztül, azaz nagyobb sávszélességet tesz lehetővé.
A rádiófrekvenciás és a lézeres adatátviteli módok összehasonlítása. Forrás: NASA
Az űrben lévő lézerkommunikációs terminálok szűkebb sugárszélességet használnak, mint a rádiófrekvenciás rendszerek, aminek következtében működésük „lábnyoma” is kisebb lesz, ennek köszönhetően pedig minimalizálódik az interferencia, és a biztonsági tényezők is javulnak, hiszen jelentősen leszűkül az a földrajzi terület, ahol a kommunikáció esetleg lehallgatható lenne.
Ez a szűkebb keresztmetszet azonban azt is jelenti, hogy jóval nagyobb precizitást igényel az ilyen jelek fogadása, amelyet akár több millió km-ről kell célba juttatni, és akár egy apró eltérés is elég ahhoz, hogy az infravörös lézersugár eltévessze a célpontját.
Az Optical Ground Station 2 (OGS-2) a másodikként elkészült optikai földi állomás, melynek feladata az infravörös lézernyalábok befogása. Forrás: NASA
Az LCRD – Laser Communications Relay Demonstration (Lézeres Kommunikációs Relé Demonstrációja)
2013 és 2014 között jelentős áttörést sikerült elérni a Holdi Lézeres Kommunikáció Demonstrációja (LLCD – Lunar Laser Communications Demonstration) során, ugyanis sikeresen prezentálták, hogy egy optikai kommunikációs terminállal felszerelt eszköz (amely a Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer – LADEE volt) akár 622 Mbps (megabit/s) sebességű adattovábbításra is képes a Hold körül keringve, kevesebb energiát felhasználva, kisebb súllyal és kevesebb helyet elfoglalva, mint egy hasonló rádiófrekvenciás rendszer.
Fantáziarajz az LCRD-ről. Forrás: NASA
Az LCRD során ezt szeretnék továbbfejleszteni és javítani. Ennek keretében idén nyáron, várhatóan június 23-án egy lézerkommunikációs terminállal felszerelt eszközt fognak kb. 35 000 km magasságra, geoszinkron pályára állítani. Az első egy-két évben az optikai kommunikációs rendszer tesztelése és képességeinek felmérése fog megtörténni, majd ezt követően a Földközeli régióban zajló küldetések támogatására is tervezik használni.
A kísérleti fázisban a Kaliforniában és Hawaii szigetén található optikai földi állomásokat fogják használni az adatok vételére. A küldetés a fogadó létesítmények számára is egy teszt lesz, hiszen vizsgálni fogják, hogy a légköri zavarok hogyan befolyásolják az adatok fogadását, illetve, hogy az átállás a kommunikáció során a létesítmények között sikeresen meg tud-e valósulni.
A tervek szerint nyáron, a ULA Atlas-V rakétáján induló LCRD eszköz. Forrás: NASA
Az LCRD első világűrben tartózkodó felhasználója a Nemzetközi Űrállomás lesz., várhatóan 2022-ben indul el azISS-re az ILLUMA-T (Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal) terminál. Az eszköz segítségével az űrállomáson zajló tudományos kísérletekből származó adatokat 1,2 gigabit/s-os sebességgel küldik át az LCRD-re, mely ugyan ekkora sebességgel továbbítja azokat a Földre.
Bízunk benne, hogy idővel a tudományos műszerek adatain túl például nagy felbontású élő videofelvételeknél is használni fogják a technológiát, annak érdekében, hogy még jobb minőségben nyomon követhessük az ISS-en zajló eseményeket, mint az űrsétákat, a dokkolásokat, vagy akár csak Földünk felszínéről készült felvételeket.
Rajz az ILLUMA-T-ről. Forrás: NASA
Ha a technológia elterjed, és lesz olyan megbízható, mint a rádiófrekvenciás kommunikáció, az nagy segítség lesz a tudósok mindennapi munkái során, akár más bolygókon zajló küldetések esetében is. Azonban az új technológia rövid távon nem valószínű, hogy teljesen kiszorítja a régi, de megbízható rádióhullámokon alapuló kommunikációt, egy ideig inkább annak kiegészítése, illetve kibővítése lesz.