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<\/p>\nNach erfolgreichen Tests der DSOC-Technologie in der Erdumlaufbahn und auf dem Mond nutzt die NASA nun optische Weltraumkommunikationstechnologien, um die Laserkommunikation \u00fcber immer gr\u00f6\u00dfere 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 k\u00f6nnen.<\/p>\n
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Die Psyche-Mission der NASA startete am 13. Oktober 2023 mit dem Ziel, den m\u00f6glicherweise 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 m\u00f6glich ist.<\/p>\n
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 k\u00f6nnte die DSOC-Demonstration jedoch v\u00f6llig neue M\u00f6glichkeiten f\u00fcr zuk\u00fcnftige Weltraummissionen er\u00f6ffnen.<\/p>\n
\u201eDie Glasfasertechnologie auf der Erde hat unglaubliche Daten\u00fcbertragungsraten f\u00fcr Anwendungen wie das Internet erm\u00f6glicht\u201c, sagt Clemens Hees, Leiter der optischen Technologie am Europ\u00e4ischen Weltraumkontrollzentrum der ESA (Europ\u00e4ische Weltraumorganisation) in Darmstadt. \u201eAllerdings ist die Daten\u00fcbertragung von Raumfahrzeugen \u00fcber interplanetare Entfernungen noch immer auf die Nutzung von Radiowellen beschr\u00e4nkt.\u201c<\/p>\n
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\u201eWir haben bereits gezeigt, dass optische Kommunikation deutlich h\u00f6here Datenraten f\u00fcr Erdbeobachtungssatelliten und Telekommunikationssatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen erm\u00f6glichen kann. Doch f\u00fcr den Einsatz \u00fcber weite Distanzen im Weltraum ben\u00f6tigen wir leistungsstarke, hochpr\u00e4zise Laser und hochempfindliche Einzelphotonendetektoren, die es einfach noch nicht mit den erforderlichen Eigenschaften gibt.\u201c<\/p>\n
Durch die Verwendung von Lichtimpulsen mit einer h\u00f6heren Frequenz als Radiowellen kann die optische Kommunikation in einem bestimmten Zeitraum mehr Daten \u00fcbertragen. Diese h\u00f6here Datenrate k\u00f6nnte es k\u00fcnftigen Weltraummissionen in bestimmten Entfernungen von der Erde erm\u00f6glichen, anspruchsvollere wissenschaftliche Instrumente zu verwenden und deutlich mehr Daten zu liefern, als derzeit m\u00f6glich ist.<\/p>\n
Die Erprobung neuer Technologien auf einer Weltraummission, bei der jedes Kilogramm Nutzlast sorgf\u00e4ltig ausgew\u00e4hlt 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 f\u00fcr Weltraummissionen zu verbessern. ESA und NASA pflegen eine langj\u00e4hrige Partnerschaft im Bereich der Weltraumkommunikation und Interoperabilit\u00e4t.<\/p>\n
Diese Zusammenarbeit erm\u00f6glicht es ESA-Raumfahrzeugen, mit NASA-Bodenstationen und NASA-Missionen mit ESA-Estrack-Stationen zu kommunizieren, \u00e4hnlich wie europ\u00e4ische Mobiltelefone mit Mobilfunknetzen in den USA kompatibel sind und umgekehrt. Dieses kompatible System erm\u00f6glicht eine nahtlose Kommunikation \u00fcber gro\u00dfe interplanetare Entfernungen und symbolisiert eine starke internationale Zusammenarbeit bei der Weltraumforschung.<\/p>\n
Beide Beh\u00f6rden entwickeln ihre eigene Bodeninfrastruktur f\u00fcr die Kommunikation mit dem DSOC. Diese Bodeninfrastruktur muss in gro\u00dfen H\u00f6hen errichtet werden, um den Einfluss der Erdatmosph\u00e4re und der Wolkendecke so weit wie m\u00f6glich zu vermeiden. Beispielsweise befindet sich die NASA-Anlage in den Bergregionen Kaliforniens, was dort saubere atmosph\u00e4rische Bedingungen erm\u00f6glicht. Die ESA betreibt das 2,3-Meter-Aristarchus-Teleskop auf 2.340 m H\u00f6he am Chelmos-Observatorium in Griechenland.<\/p>\n
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Beide Observatorien sind Eigentum des Instituts f\u00fcr 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 l\u00e4ngsten optischen Verbindung, die jemals in Europa durchgef\u00fchrt wurde. Der bodengest\u00fctzte Laserempf\u00e4nger der ESA f\u00fcr die Kommunikation im Weltraum wird eine komplexe Empfangseinheit sein, die als \u201eoptische Bank\u201c bekannt ist. Dieser Empf\u00e4nger wird sicher auf der R\u00fcckseite des Aristarchus-Teleskops montiert.<\/p>\n
\u201eDer Detektor des Empf\u00e4ngers muss sehr empfindlich sein, um einzelne Quantenlichtteilchen \u2013 Photonen \u2013 vom DSOC zu erkennen, die \u00fcber Hunderte Millionen Kilometer gesendet werden\u201c, sagt Sinda Mezhri, leitende optische Ingenieurin f\u00fcr das bodengest\u00fctzte Laserempf\u00e4ngersystem der ESA. \u201eUm einzelne Photonen zu erkennen, muss der Detektor supraleitend sein, also Strom ohne Widerstand leiten k\u00f6nnen. Dazu wird der Empf\u00e4ngerdetektor auf -272,15 Grad Celsius (1 Kelvin) gek\u00fchlt. Die Absorption eines Photons st\u00f6rt den supraleitenden Zustand des Detektors und erzeugt einen messbaren elektrischen Impuls.\u201c<\/p>\n
Auch der Detektor steht vor einer einzigartigen Herausforderung: Er muss kryogen gek\u00fchlt werden, sich aber dennoch bewegen k\u00f6nnen, w\u00e4hrend sich das Teleskop dreht und der Raumsonde \u00fcber den Himmel folgt. Kryosysteme widerstehen in der Regel Bewegungen und die Aufrechterhaltung einer konstanten K\u00fchlung w\u00e4hrend der Bewegung ist eine weitere gro\u00dfe technologische Herausforderung.<\/p>\n
Der terrestrische Laserempf\u00e4nger verf\u00fcgt au\u00dferdem \u00fcber Elektronik zur \u00dcberwachung der Signalst\u00e4rke vom DSOC. Wenn das Signal schw\u00e4cher wird, passt das System die Position des Teleskops automatisch an, um die Signalst\u00e4rke aufrechtzuerhalten, und \u00fcbertr\u00e4gt diese Informationen an einen 37 km entfernten Lasersender, um eine pr\u00e4zise Ausrichtung sicherzustellen. Eine solche Installation erfordert die Entwicklung spezieller Software, um diese Vorg\u00e4nge effektiv zu koordinieren.<\/p>\n
\u201eDer Laser muss so leistungsstark sein, dass er tats\u00e4chlich die Schutzbeschichtung seiner optischen Komponenten und Spiegel zerst\u00f6ren und herk\u00f6mmliche Glasfasern zum Schmelzen bringen w\u00fcrde, wenn bei seiner Konstruktion nicht die notwendigen Vorsichtsma\u00dfnahmen getroffen w\u00fcrden\u201c, sagt Andrea Di Mira, leitender optischer Ingenieur des ESA Ground Laser Transmitter. \u201eUnd wir kombinieren bis zu sieben separate Strahlen, die nahtlos zusammenarbeiten m\u00fcssen.\u201c<\/p>\n
Durch die Kombination von sieben Strahlen wird der Laser der ESA in der Lage sein, Photonen zu \u00fcbertragen, deren Informationen hell genug sind, damit das DSOC sie in einer Entfernung von etwa 1,5\u20132,5 astronomischen Einheiten (220\u2013370 Millionen km) von der Erde erkennen kann. Diese Entfernungen w\u00e4ren beispielsweise typisch f\u00fcr eine zuk\u00fcnftige Mission zum Mars. Die NASA glaubt, diese Technologie auf noch gr\u00f6\u00dfere Entfernungen \u00fcbertragen zu k\u00f6nnen. Neben einer hohen Helligkeit muss der Laserstrahl pr\u00e4zise auf das entfernte Raumschiff gerichtet sein. Die erforderliche Pr\u00e4zision \u00e4hnelt dem Richten eines Laserpointers von der Erde aus auf einen kleinen Krater auf dem Mond.<\/p>\n
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Die Teilnahme der ESA an der DSOC-Demonstration wurde durch ein Konsortium europ\u00e4ischer Unternehmen erm\u00f6glicht, 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.<\/p>\n
\u201eMit diesem Projekt fordern wir die europ\u00e4ische Industrie wirklich heraus\u201c, sagt Cinda Mejri. \u201eAber sie haben die Herausforderung gerne angenommen. Die Arbeit, die sie hier leisten, k\u00f6nnte ihnen auch einen Vorteil bei der Entwicklung wichtiger Technologien f\u00fcr Anwendungen wie die Verteilung von Quantenschl\u00fcsseln f\u00fcr sichere Kommunikation und die Quantenbildgebung verschaffen.\u201c<\/p>\n
Die DSOC-Experimente der ESA werden im Jahr 2025 stattfinden, wenn die Raumsonde weit genug von der Erde entfernt sein wird, um repr\u00e4sentativ f\u00fcr zuk\u00fcnftige Weltraumforschungs- und Erkundungsmissionen zu sein. Im Erfolgsfall k\u00f6nnte die Demonstration den Weg f\u00fcr eine neue Generation der Erforschung des Sonnensystems und die Entwicklung optischer Kommunikationsstationen im Weltraum auf der Erde ebnen.<\/p>\n
DSOC arbeitet parallel zur Psyche-Mission der NASA, wird jedoch keine Daten an die Psyche-Mission \u00fcbertragen. Das Hauptziel der Psyche-Mission ist die Erforschung des mysteri\u00f6sen, metallreichen Asteroiden gleichen Namens. Wissenschaftler glauben, dass felsige terrestrische Planeten wie die Erde metallische Kerne enthalten, aber ihre Lage so tief unter der Oberfl\u00e4che macht es schwierig, sie zu untersuchen. Asteroid Psyche bietet eine seltene Gelegenheit, die Geschichte und Entstehung terrestrischer Planeten zu studieren.<\/p>\n
Psyche wurde erstmals 1852 vom italienischen Astronomen Annibale de Gasparis entdeckt und war der 16. jemals entdeckte Asteroid. Fast zwei Jahrhunderte sp\u00e4ter ist Italien heute Sitz der Direktion f\u00fcr Planetenschutz der ESA, die sich besonders \u00fcber die Ergebnisse der Psyche-Mission freut. Das Wissen der Menschheit \u00fcber Asteroiden w\u00e4chst rasant: Wir werden immer besser darin, kleine Asteroiden zu erkennen, bevor sie die Erde treffen, wir werden besser darin, in der N\u00e4he fliegende Asteroiden zu erkennen, uns ihnen zu n\u00e4hern, um sie mit Raumfahrzeugen zu untersuchen, und wir k\u00f6nnen sogar Asteroidenproben zur Erde zur\u00fcckbringen.<\/p>\n
Die Psyche-Mission und die begleitende Demonstration der DSOC-Technologie werden unser Verst\u00e4ndnis der Urspr\u00fcnge unseres Universums erweitern und unsere F\u00e4higkeit verbessern, gro\u00dfe Mengen wissenschaftlicher Daten zur\u00fcck zur Erde zu \u00fcbertragen.<\/p>\n