После успешных испытаний технологии DSOC на околоземной орбите и на Луне НАСА в настоящее время использует технологии глубокой космической оптической связи для тестирования лазерной связи на все больших расстояниях. Находясь на борту миссии Psyche агентства, DSOC уже отправил видео с помощью лазера на Землю с расстояния 19 миллионов миль (31 миллион километров) и стремится доказать, что данные с высокой пропускной способностью могут быть отправлены даже с Марса.
Миссия НАСА «Психея» стартовала 13 октября 2023 года с целью исследовать то, что могло быть обнаженным металлическим ядром древней планеты. Демонстрация НАСА глубокой космической оптической связи (DSOC) проверит использование лазеров для передачи и приема большего количества данных с удаленных космических кораблей, чем это возможно с помощью радиоволн, используемых в настоящее время.
Использование узкого лазерного луча для связи с космическим кораблем, расположенным на расстоянии 300 миллионов километров, представляет собой сложную задачу как в межпланетном, так и в квантовом масштабе. Однако в случае успеха демонстрация DSOC может открыть целый мир новых возможностей для будущих миссий в дальний космос.
«Волоконно-оптическая технология на Земле обеспечила невероятную скорость передачи данных для таких приложений, как Интернет», — говорит Клеменс Хиз, руководитель отдела оптических технологий в Европейском центре космических операций ЕКА (Европейское космическое агентство) в Дармштадте, Германия. «Однако передача данных с космических аппаратов на межпланетные расстояния по-прежнему ограничивается использованием радиоволн».
«Мы уже показали, что оптическая связь может обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных для спутников наблюдения Земли и телекоммуникационных спутников на низких околоземных орбитах. Но чтобы использовать его на дальних космических расстояниях, нужны мощные, высокоточные лазеры и сверхчувствительные детекторы одиночных фотонов, которых с требуемыми характеристиками просто пока не существует».
Используя импульсы света с более высокой частотой, чем радиоволны, оптическая связь позволяет передавать больше данных за определенный период времени. Эта более высокая скорость передачи данных может позволить будущим миссиям в дальний космос на определенных расстояниях от Земли использовать более сложные научные инструменты и возвращать значительно больше данных, чем это возможно в настоящее время.
Однако тестирование новой технологии в ходе миссии в дальний космос, где каждый килограмм полезной нагрузки должен быть тщательно отобран, — редкая возможность. DSOC НАСА — это первый шанс укрепить доверие к оптической связи в дальнем космосе и повысить ее готовность к использованию в космических полетах. ЕКА и НАСА имеют давнее партнерство в области связи и оперативной совместимости в дальнем космосе.
Это сотрудничество позволяет космическим кораблям ЕКА связываться с наземными станциями НАСА, а миссиям НАСА — со станциями Estrack ЕКА, подобно тому, как европейские мобильные телефоны совместимы с сотовыми сетями в США, и наоборот. Эта кросс-совместимая система обеспечивает бесперебойную связь на огромных межпланетных расстояниях и символизирует прочное международное сотрудничество в освоении космоса.
Оба агентства разрабатывают собственную наземную инфраструктуру для связи с DSOC. Эта наземная инфраструктура должна быть построена на большой высоте, чтобы избежать как можно большего влияния атмосферы Земли и облачного покрова. Например, объект НАСА расположен в горных районах Калифорнии, что позволяет использовать там чистые атмосферные условия. ЕКА использует 2,3-метровый телескоп «Аристарх», расположенный на высоте 2340 м в обсерватории Хелмос в Греции.
Обе обсерватории принадлежат и управляются Институтом астрономии и астрофизики, космических приложений и дистанционного зондирования (IAASARS) Национальной обсерватории Афин, ключевым партнером в этой демонстрации DSOC, самой длинной оптической линии связи, когда-либо проводившейся в Европе. Наземный лазерный приемник дальней космической связи ЕКА будет представлять собой сложный приемный блок, известный как «оптическая скамья». Этот приемник будет надежно закреплен на задней части телескопа Аристарх.
«Детектор приемника должен быть очень чувствительным, чтобы обнаруживать отдельные квантовые частицы света — фотоны — от DSOC, посланные на сотни миллионов километров», — говорит Синда Межри, ведущий инженер-оптик системы наземного лазерного приемника ЕКА. «Чтобы обнаружить отдельные фотоны, детектор должен быть сверхпроводящим, то есть он может проводить электричество без какого-либо сопротивления. Для этого детектор приемника будет охлажден до -272,15 градусов Цельсия (1 Кельвин). Поглощение фотона нарушает сверхпроводящее состояние детектора, создавая измеримый электрический импульс».
Кроме того, перед детектором стоит уникальная задача: он должен быть криогенно охлажден, но при этом иметь возможность двигаться, когда телескоп поворачивается и следует за космическим кораблем по небу. Криогенные системы обычно сопротивляются движению, и обеспечение постоянного охлаждения во время движения является еще одной серьезной технологической задачей.
Наземный лазерный приемник также включает в себя электронику для контроля уровня сигнала от DSOC. Если сигнал ослабнет, система автоматически отрегулирует положение телескопа для поддержания уровня сигнала и передаст эту информацию на лазерный передатчик на расстоянии 37 км, гарантируя точное выравнивание. Такая установка требует разработки специализированного программного обеспечения для эффективной координации этих операций.
«Лазер должен быть настолько мощным, чтобы он фактически разрушил защитное покрытие своих оптических компонентов и зеркал и расплавил обычную оптоволоконную оптику, если бы при его разработке не были приняты необходимые меры предосторожности», — говорит ведущий оптический инженер ESA Ground Laser Transmitter Андреа Ди Мира. «И мы объединяем до семи отдельных лучей, которые должны бесперебойно работать вместе».
Объединив семь лучей, лазер ЕКА сможет передавать фотоны, закодированные информацией, достаточно яркой, чтобы DSOC мог обнаружить их на расстоянии примерно 1,5–2,5 астрономических единиц (220–370 миллионов км) от Земли. Эти расстояния были бы типичны, например, для будущей миссии на Марс. НАСА полагает, что оно сможет распространить эту технологию на еще большие расстояния. Помимо высокой яркости, лазерный луч должен быть направлен точно в сторону далекого космического корабля. Требуемая точность подобна наведению лазерной указки с Земли на небольшой кратер на Луне.
Участие ЕКА в демонстрации DSOC стало возможным благодаря консорциуму европейских компаний, включая qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems и NKT Photonics Ltd, а также Национальной обсерватории Афин, которая обеспечивает доступ к Helmos и обсерватории Крионери. Проект финансируется через Программу общей поддержки технологий ЕКА и Элемент развития технологий.
«Этим проектом мы действительно бросаем вызов европейской промышленности», — говорит Синда Межри. «Но они с радостью приняли вызов. Работа, которую они проводят здесь, также может дать им преимущество в разработке важных технологий для таких приложений, как квантовое распределение ключей, используемое для безопасной связи, и квантовая визуализация».
Эксперименты ЕКА с DSOC пройдут в 2025 году, когда космический корабль окажется достаточно далеко от Земли, чтобы стать репрезентативным для будущих научных и исследовательских миссий в дальнем космосе. В случае успеха демонстрация может проложить путь к новому поколению исследований Солнечной системы и развитию станций оптической связи в дальнем космосе на Земле.
DSOC работает вместе с миссией НАСА Psyche, но не будет передавать данные миссии Psyche. Основная цель миссии «Психея» — исследование загадочного одноименного богатого металлами астероида. Ученые полагают, что каменистые планеты земной группы, такие как Земля, содержат металлические ядра, но их расположение так глубоко под поверхностью делает их трудными для изучения. Астероид Психея дает редкую возможность изучить историю и формирование планет земного типа.
Психея была впервые обнаружена итальянским астрономом Аннибале де Гаспарисом в 1852 году и стала 16-м когда-либо открытым астероидом. Почти два столетия спустя в Италии теперь находится Управление планетарной защиты ЕКА, которое особенно радо видеть результаты миссии «Психея». Понимание человечеством астероидов быстро растет: мы совершенствуемся в обнаружении небольших астероидов до их столкновения с Землей, в обнаружении тех, которые пролетают рядом, подходе близко к ним для изучения с помощью космических кораблей и даже в возвращении образцов астероидов на Землю.
Миссия Psyche и демонстрация технологии DSOC вместе с ней позволят лучше понять происхождение нашей Вселенной и расширят наши возможности передавать большие объемы научных данных обратно на Землю.
«DSN — это сердце НАСА. На него возложена жизненно важная задача по обеспечению потока данных между Землей и космосом», — сказал Филип Болдуин, исполняющий обязанности директора подразделения сетевых служб SCaN в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. «Но чтобы поддержать наш растущий портфель роботизированных миссий, а теперь и миссию человека «Артемида» на Луну, нам необходимо продвигаться вперед к следующему этапу модернизации DSN».
В то же время «Лазерная связь может изменить способ связи НАСА с далекими космическими миссиями», — сказала Эми Смит, заместитель руководителя проекта DSN в Лаборатории реактивного движения. «НАСА доказывает, что лазерная связь жизнеспособна, поэтому сейчас мы ищем способы построить оптические терминалы внутри существующих радиоантенн. Эти гибридные антенны по-прежнему смогут передавать и принимать радиочастоты, но также будут поддерживать оптические частоты».