Nach erfolgreichen Tests der DSOC-Technologie in der Erdumlaufbahn und auf dem Mond nutzt die NASA nun optische Weltraumkommunikationstechnologien, um die Laserkommunikation über immer größere Entfernungen zu testen. An Bord der Psyche-Mission der Agentur hat DSOC bereits Videos per Laser aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen (31 Millionen Kilometer) zur Erde gesendet und will beweisen, dass Daten mit hohem Durchsatz sogar vom Mars gesendet werden können.
Die Psyche-Mission der NASA startete am 13. Oktober 2023 mit dem Ziel, den möglicherweise freigelegten metallischen Kern des alten Planeten zu erforschen. Die NASA-Demonstration Deep Space Optical Communications (DSOC) wird den Einsatz von Lasern testen, um mehr Daten von entfernten Raumfahrzeugen zu senden und zu empfangen, als dies mit derzeit verwendeten Radiowellen möglich ist.
Die Kommunikation mit einem 300 Millionen Kilometer entfernten Raumschiff mithilfe eines schmalen Laserstrahls ist sowohl auf interplanetarer als auch auf Quantenebene eine Herausforderung. Bei Erfolg könnte die DSOC-Demonstration jedoch völlig neue Möglichkeiten für zukünftige Weltraummissionen eröffnen.
„Die Glasfasertechnologie auf der Erde hat unglaubliche Datenübertragungsraten für Anwendungen wie das Internet ermöglicht“, sagt Clemens Hees, Leiter der optischen Technologie am Europäischen Weltraumkontrollzentrum der ESA (Europäische Weltraumorganisation) in Darmstadt. „Allerdings ist die Datenübertragung von Raumfahrzeugen über interplanetare Entfernungen noch immer auf die Nutzung von Radiowellen beschränkt.“
„Wir haben bereits gezeigt, dass optische Kommunikation deutlich höhere Datenraten für Erdbeobachtungssatelliten und Telekommunikationssatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen ermöglichen kann. Doch für den Einsatz über weite Distanzen im Weltraum benötigen wir leistungsstarke, hochpräzise Laser und hochempfindliche Einzelphotonendetektoren, die es einfach noch nicht mit den erforderlichen Eigenschaften gibt.“
Durch die Verwendung von Lichtimpulsen mit einer höheren Frequenz als Radiowellen kann die optische Kommunikation in einem bestimmten Zeitraum mehr Daten übertragen. Diese höhere Datenrate könnte es künftigen Weltraummissionen in bestimmten Entfernungen von der Erde ermöglichen, anspruchsvollere wissenschaftliche Instrumente zu verwenden und deutlich mehr Daten zu liefern, als derzeit möglich ist.
Die Erprobung neuer Technologien auf einer Weltraummission, bei der jedes Kilogramm Nutzlast sorgfältig ausgewählt werden muss, ist jedoch eine seltene Gelegenheit. Das DSOC der NASA ist die erste Chance, Vertrauen in die optische Kommunikation im Weltraum aufzubauen und ihre Einsatzbereitschaft für Weltraummissionen zu verbessern. ESA und NASA pflegen eine langjährige Partnerschaft im Bereich der Weltraumkommunikation und Interoperabilität.
Diese Zusammenarbeit ermöglicht es ESA-Raumfahrzeugen, mit NASA-Bodenstationen und NASA-Missionen mit ESA-Estrack-Stationen zu kommunizieren, ähnlich wie europäische Mobiltelefone mit Mobilfunknetzen in den USA kompatibel sind und umgekehrt. Dieses kompatible System ermöglicht eine nahtlose Kommunikation über große interplanetare Entfernungen und symbolisiert eine starke internationale Zusammenarbeit bei der Weltraumforschung.
Beide Behörden entwickeln ihre eigene Bodeninfrastruktur für die Kommunikation mit dem DSOC. Diese Bodeninfrastruktur muss in großen Höhen errichtet werden, um den Einfluss der Erdatmosphäre und der Wolkendecke so weit wie möglich zu vermeiden. Beispielsweise befindet sich die NASA-Anlage in den Bergregionen Kaliforniens, was dort saubere atmosphärische Bedingungen ermöglicht. Die ESA betreibt das 2,3-Meter-Aristarchus-Teleskop auf 2.340 m Höhe am Chelmos-Observatorium in Griechenland.
Beide Observatorien sind Eigentum des Instituts für Astronomie und Astrophysik, Weltraumanwendungen und Fernerkundung (IAASARS) des Nationalen Observatoriums von Athen und werden von diesem betrieben. Es ist ein wichtiger Partner bei dieser Demonstration von DSOC, der längsten optischen Verbindung, die jemals in Europa durchgeführt wurde. Der bodengestützte Laserempfänger der ESA für die Kommunikation im Weltraum wird eine komplexe Empfangseinheit sein, die als „optische Bank“ bekannt ist. Dieser Empfänger wird sicher auf der Rückseite des Aristarchus-Teleskops montiert.
„Der Detektor des Empfängers muss sehr empfindlich sein, um einzelne Quantenlichtteilchen – Photonen – vom DSOC zu erkennen, die über Hunderte Millionen Kilometer gesendet werden“, sagt Sinda Mezhri, leitende optische Ingenieurin für das bodengestützte Laserempfängersystem der ESA. „Um einzelne Photonen zu erkennen, muss der Detektor supraleitend sein, also Strom ohne Widerstand leiten können. Dazu wird der Empfängerdetektor auf -272,15 Grad Celsius (1 Kelvin) gekühlt. Die Absorption eines Photons stört den supraleitenden Zustand des Detektors und erzeugt einen messbaren elektrischen Impuls.“
Auch der Detektor steht vor einer einzigartigen Herausforderung: Er muss kryogen gekühlt werden, sich aber dennoch bewegen können, während sich das Teleskop dreht und der Raumsonde über den Himmel folgt. Kryosysteme widerstehen in der Regel Bewegungen und die Aufrechterhaltung einer konstanten Kühlung während der Bewegung ist eine weitere große technologische Herausforderung.
Der terrestrische Laserempfänger verfügt außerdem über Elektronik zur Überwachung der Signalstärke vom DSOC. Wenn das Signal schwächer wird, passt das System die Position des Teleskops automatisch an, um die Signalstärke aufrechtzuerhalten, und überträgt diese Informationen an einen 37 km entfernten Lasersender, um eine präzise Ausrichtung sicherzustellen. Eine solche Installation erfordert die Entwicklung spezieller Software, um diese Vorgänge effektiv zu koordinieren.
„Der Laser muss so leistungsstark sein, dass er tatsächlich die Schutzbeschichtung seiner optischen Komponenten und Spiegel zerstören und herkömmliche Glasfasern zum Schmelzen bringen würde, wenn bei seiner Konstruktion nicht die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen getroffen würden“, sagt Andrea Di Mira, leitender optischer Ingenieur des ESA Ground Laser Transmitter. „Und wir kombinieren bis zu sieben separate Strahlen, die nahtlos zusammenarbeiten müssen.“
Durch die Kombination von sieben Strahlen wird der Laser der ESA in der Lage sein, Photonen zu übertragen, deren Informationen hell genug sind, damit das DSOC sie in einer Entfernung von etwa 1,5–2,5 astronomischen Einheiten (220–370 Millionen km) von der Erde erkennen kann. Diese Entfernungen wären beispielsweise typisch für eine zukünftige Mission zum Mars. Die NASA glaubt, diese Technologie auf noch größere Entfernungen übertragen zu können. Neben einer hohen Helligkeit muss der Laserstrahl präzise auf das entfernte Raumschiff gerichtet sein. Die erforderliche Präzision ähnelt dem Richten eines Laserpointers von der Erde aus auf einen kleinen Krater auf dem Mond.
Die Teilnahme der ESA an der DSOC-Demonstration wurde durch ein Konsortium europäischer Unternehmen ermöglicht, darunter qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems und NKT Photonics Ltd sowie das Nationale Observatorium von Athen, das Zugang zu Helmos und bietet das Kryoneri-Observatorium. Das Projekt wird durch das ESA General Technology Support Program und das Technology Development Element finanziert.
„Mit diesem Projekt fordern wir die europäische Industrie wirklich heraus“, sagt Cinda Mejri. „Aber sie haben die Herausforderung gerne angenommen. Die Arbeit, die sie hier leisten, könnte ihnen auch einen Vorteil bei der Entwicklung wichtiger Technologien für Anwendungen wie die Verteilung von Quantenschlüsseln für sichere Kommunikation und die Quantenbildgebung verschaffen.“
Die DSOC-Experimente der ESA werden im Jahr 2025 stattfinden, wenn die Raumsonde weit genug von der Erde entfernt sein wird, um repräsentativ für zukünftige Weltraumforschungs- und Erkundungsmissionen zu sein. Im Erfolgsfall könnte die Demonstration den Weg für eine neue Generation der Erforschung des Sonnensystems und die Entwicklung optischer Kommunikationsstationen im Weltraum auf der Erde ebnen.
DSOC arbeitet parallel zur Psyche-Mission der NASA, wird jedoch keine Daten an die Psyche-Mission übertragen. Das Hauptziel der Psyche-Mission ist die Erforschung des mysteriösen, metallreichen Asteroiden gleichen Namens. Wissenschaftler glauben, dass felsige terrestrische Planeten wie die Erde metallische Kerne enthalten, aber ihre Lage so tief unter der Oberfläche macht es schwierig, sie zu untersuchen. Asteroid Psyche bietet eine seltene Gelegenheit, die Geschichte und Entstehung terrestrischer Planeten zu studieren.
Psyche wurde erstmals 1852 vom italienischen Astronomen Annibale de Gasparis entdeckt und war der 16. jemals entdeckte Asteroid. Fast zwei Jahrhunderte später ist Italien heute Sitz der Direktion für Planetenschutz der ESA, die sich besonders über die Ergebnisse der Psyche-Mission freut. Das Wissen der Menschheit über Asteroiden wächst rasant: Wir werden immer besser darin, kleine Asteroiden zu erkennen, bevor sie die Erde treffen, wir werden besser darin, in der Nähe fliegende Asteroiden zu erkennen, uns ihnen zu nähern, um sie mit Raumfahrzeugen zu untersuchen, und wir können sogar Asteroidenproben zur Erde zurückbringen.
Die Psyche-Mission und die begleitende Demonstration der DSOC-Technologie werden unser Verständnis der Ursprünge unseres Universums erweitern und unsere Fähigkeit verbessern, große Mengen wissenschaftlicher Daten zurück zur Erde zu übertragen.
„DSN ist das Herz der NASA. Es hat die entscheidende Aufgabe, den Datenfluss zwischen Erde und Weltraum sicherzustellen“, sagte Philip Baldwin, amtierender Direktor der SCaN Network Services Division im NASA-Hauptquartier in Washington. „Aber um unser wachsendes Portfolio an Robotermissionen und jetzt auch die bemannte Artemis-Mission zum Mond zu unterstützen, müssen wir die nächste Phase der DSN-Modernisierung vorantreiben.“
Gleichzeitig „könnte die Laserkommunikation die Art und Weise verändern, wie die NASA mit Weltraummissionen kommuniziert“, sagte Amy Smith, stellvertretende DSN-Projektmanagerin am Jet Propulsion Laboratory. „Die NASA beweist, dass Laserkommunikation realisierbar ist. Daher suchen wir derzeit nach Möglichkeiten, optische Terminals in bestehende Funkantennen einzubauen. Diese Hybridantennen können weiterhin Radiofrequenzen senden und empfangen, unterstützen aber auch optische Frequenzen.“