Après avoir testé avec succès la technologie DSOC en orbite terrestre et sur la Lune, la NASA utilise désormais les technologies de communications optiques dans l’espace lointain pour tester les communications laser sur des distances de plus en plus grandes. À bord de la mission Psyché de l’agence, le DSOC a déjà envoyé des vidéos via laser vers la Terre à une distance de 31 millions de kilomètres et vise à prouver que des données à haut débit peuvent être envoyées même depuis Mars.
La mission Psyché de la NASA a été lancée le 13 octobre 2023 dans le but d’explorer ce qui pourrait être le noyau métallique exposé de l’ancienne planète. La démonstration DSOC (Deep Space Optical Communications) de la NASA testera l’utilisation de lasers pour transmettre et recevoir plus de données provenant d’engins spatiaux distants que ce qui est possible avec les ondes radio actuellement utilisées.
Utiliser un faisceau laser étroit pour communiquer avec un vaisseau spatial situé à 300 millions de kilomètres constitue un défi à la fois à l’échelle interplanétaire et quantique. Cependant, en cas de succès, la démonstration DSOC pourrait ouvrir un tout nouveau monde de possibilités pour les futures missions dans l’espace lointain.
“La technologie de la fibre optique sur Terre a permis des taux de transfert de données incroyables pour des applications telles qu’Internet”, déclare Clemens Hees, responsable de la technologie optique au Centre européen des opérations spatiales de l’ESA (Agence spatiale européenne) à Darmstadt, en Allemagne. “Cependant, la transmission de données depuis des engins spatiaux sur des distances interplanétaires est encore limitée à l’utilisation des ondes radio.”
«Nous avons déjà montré que les communications optiques peuvent fournir des débits de données beaucoup plus élevés aux satellites d’observation de la Terre et aux satellites de télécommunications sur des orbites terrestres basses. Mais pour l’utiliser sur de longues distances dans l’espace, nous avons besoin de lasers puissants et de haute précision et de détecteurs monophotoniques ultrasensibles, qui n’existent tout simplement pas encore avec les caractéristiques requises».
En utilisant des impulsions lumineuses à une fréquence plus élevée que les ondes radio, les communications optiques peuvent transmettre plus de données sur une période de temps donnée. Ce débit de données plus élevé pourrait permettre aux futures missions dans l’espace lointain à certaines distances de la Terre d’utiliser des instruments scientifiques plus sophistiqués et de renvoyer beaucoup plus de données que ce qui est actuellement possible.
Cependant, tester une nouvelle technologie dans le cadre d’une mission dans l’espace lointain, où chaque kilogramme de charge utile doit être soigneusement sélectionné, constitue une opportunité rare. Le DSOC de la NASA est la première occasion de renforcer la confiance dans les communications optiques dans l’espace lointain et d’améliorer leur préparation à l’utilisation dans les missions spatiales. L’ESA et la NASA entretiennent un partenariat de longue date dans les domaines des communications et de l’interopérabilité dans l’espace lointain.
Cette collaboration permet aux vaisseaux spatiaux de l’ESA de communiquer avec les stations au sol de la NASA et aux missions de la NASA de communiquer avec les stations Estrack de l’ESA, de la même manière que les téléphones mobiles européens sont compatibles avec les réseaux cellulaires aux États-Unis et vice versa. Ce système à compatibilité croisée permet des communications transparentes sur de vastes distances interplanétaires et symbolise une forte coopération internationale dans l’exploration spatiale.
Les deux agences développent leur propre infrastructure au sol pour communiquer avec le DSOC. Cette infrastructure au sol doit être construite à haute altitude pour éviter autant que possible l’influence de l’atmosphère terrestre et de la couverture nuageuse. Par exemple, les installations de la NASA sont situées dans les régions montagneuses de Californie, ce qui permet d’y maintenir des conditions atmosphériques propres. L’ESA exploite le télescope Aristarchus de 2,3 mètres situé à 2 340 m d’altitude à l’observatoire de Chelmos en Grèce.
Les deux observatoires appartiennent et sont exploités par l’Institut d’astronomie et d’astrophysique, d’applications spatiales et de télédétection (IAASARS) de l’Observatoire national d’Athènes, partenaire clé de cette démonstration du DSOC, la plus longue liaison optique jamais réalisée en Europe. Le récepteur laser au sol de l’ESA pour les communications dans l’espace lointain sera une unité de réception complexe connue sous le nom de «banc optique». Ce récepteur sera solidement monté à l’arrière du télescope Aristarchus.
«Le détecteur du récepteur doit être très sensible pour détecter les particules quantiques individuelles de lumière – les photons – provenant du DSOC envoyé sur des centaines de millions de kilomètres», explique Sinda Mezhri, ingénieur optique en chef du système de récepteur laser au sol de l’ESA. « our détecter des photons individuels, le détecteur doit être supraconducteur, ce qui signifie qu’il peut conduire l’électricité sans aucune résistance. Pour ce faire, le détecteur récepteur sera refroidi à -272,15 degrés Celsius (1 Kelvin). L’absorption d’un photon perturbe l’état supraconducteur du détecteur, créant une impulsion électrique mesurable».
Le détecteur est également confronté à un défi unique : il doit être refroidi par cryogénie tout en restant capable de se déplacer lorsque le télescope tourne et suit le vaisseau spatial dans le ciel. Les systèmes cryogéniques résistent généralement au mouvement, et maintenir un refroidissement constant pendant le déplacement constitue un autre défi technologique majeur.
Le récepteur laser terrestre comprend également des composants électroniques pour surveiller la force du signal du DSOC. Si le signal s’affaiblit, le système ajustera automatiquement la position du télescope pour maintenir la force du signal et transmettra cette information à un émetteur laser situé à 37 km, garantissant ainsi un alignement précis. Une telle installation nécessite le développement de logiciels spécialisés pour coordonner efficacement ces opérations.
“Le laser doit être si puissant qu’il détruirait le revêtement protecteur de ses composants optiques et de ses miroirs et ferait fondre les fibres optiques conventionnelles si les précautions nécessaires n’étaient pas prises lors de sa conception”, explique Andrea Di Mira, ingénieur optique en chef du transmetteur laser au sol de l’ESA. “Et nous combinons jusqu’à sept faisceaux distincts qui doivent fonctionner ensemble de manière transparente.”
En combinant sept faisceaux, le laser de l’ESA sera capable de transmettre des photons codés avec des informations suffisamment lumineuses pour que le DSOC puisse les détecter à une distance d’environ 1,5 à 2,5 unités astronomiques (220 à 370 millions de km) de la Terre. Ces distances seraient typiques pour une future mission vers Mars, par exemple. La NASA pense pouvoir étendre cette technologie à des distances encore plus grandes. En plus d’une luminosité élevée, le faisceau laser doit être dirigé précisément vers le vaisseau spatial éloigné. La précision requise est similaire à celle qui consiste à pointer un pointeur laser depuis la Terre vers un petit cratère de la Lune.
La participation de l’ESA à la démonstration DSOC a été rendue possible par un consortium d’entreprises européennes comprenant qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems et NKT Photonics Ltd, ainsi que l’Observatoire national d’Athènes, qui donne accès à Helmos et l’Observatoire de Kryoneri. Le projet est financé par le programme général de soutien technologique de l’ESA et l’élément de développement technologique.
«Avec ce projet, nous défions réellement l’industrie européenne», déclare Cinda Mejri. «Mais ils ont accepté le défi avec plaisir. Le travail qu’ils effectuent ici pourrait également leur donner un avantage dans le développement de technologies importantes pour des applications telles que la distribution de clés quantiques, utilisées pour les communications sécurisées, et l’imagerie quantique».
Les expériences DSOC de l’ESA auront lieu en 2025, lorsque le vaisseau spatial sera suffisamment éloigné de la Terre pour être représentatif des futures missions scientifiques et d’exploration de l’espace lointain. En cas de succès, la démonstration pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d’exploration du système solaire et au développement de stations de communications optiques dans l’espace lointain sur Terre.
DSOC opère aux côtés de la mission Psyché de la NASA, mais ne transmettra pas de données à la mission Psyché. L’objectif principal de la mission Psyché est d’explorer le mystérieux astéroïde riche en métaux du même nom. Les scientifiques pensent que les planètes rocheuses comme la Terre contiennent des noyaux métalliques, mais leur emplacement si profond sous la surface les rend difficiles à étudier. L’astéroïde Psyché offre une opportunité rare d’étudier l’histoire et la formation des planètes telluriques.
Psyché a été découvert pour la première fois par l’astronome italien Annibale de Gasparis en 1852 et fut le 16ème astéroïde jamais découvert. Près de deux siècles plus tard, l’Italie abrite désormais la Direction de la protection planétaire de l’ESA, particulièrement enthousiaste à l’idée de voir les résultats de la mission Psyché. La compréhension que l’humanité a des astéroïdes s’accroît rapidement : nous sommes de mieux en mieux capables de détecter les petits astéroïdes avant qu’ils n’atteignent la Terre, de détecter ceux qui volent à proximité, de nous en rapprocher pour les étudier avec des engins spatiaux et même de renvoyer des échantillons d’astéroïdes sur Terre.
La mission Psyché et la démonstration technologique DSOC qui l’accompagne feront progresser notre compréhension des origines de notre Univers et amélioreront notre capacité à transmettre de grands volumes de données scientifiques vers la Terre.
«Le DSN est le cœur de la NASA. Il a pour mission vitale d’assurer le flux de données entre la Terre et l’espace », a déclaré Philip Baldwin, directeur par intérim de la division SCaN Network Services au siège de la NASA à Washington. “Mais pour soutenir notre portefeuille croissant de missions robotiques, et maintenant la mission humaine Artemis sur la Lune, nous devons passer à la prochaine phase de modernisation du DSN.”
Dans le même temps, “les communications laser pourraient changer la façon dont la NASA communique avec les missions dans l’espace lointain”, a déclaré Amy Smith, chef de projet adjoint DSN au Jet Propulsion Laboratory. « La NASA prouve que les communications laser sont viables, c’est pourquoi nous étudions maintenant les moyens de construire des terminaux optiques à l’intérieur des antennes radio existantes. Ces antennes hybrides pourront toujours transmettre et recevoir des fréquences radio, mais prendront également en charge les fréquences optiques».