W kosmosie nie potrzebujesz światłowodu. Wystarczy wiązka laserowa i masz live w 4K z Księżyca

No tak, eksperymentów. Czyli znowu mamy doświadczenia zamiast finalnego produktu? Nie do końca, bo w kosmosie sporo rzeczy nawet już od dawna obecnych należy wciąż klasyfikować jako testy technologii.

Nawet taką Międzynarodową Stację Kosmiczną, choć może obrazicie się za potraktowanie jej mianem działającego prototypu. To krzywdzące określenie, bo wcześniej był Skylab, Salut, MIR, a teraz mamy też chiński Tiangong i niedługo mogą pojawić się kolejne takie obiekty, zarówno na orbicie Ziemi jak i Księżyca. Lecz astronauci i kosmonauci żyjący na MSK oprócz licznych eksperymentów naukowych, dopiero testują ludzką egzystencję w kosmosie.

I nawet jeśli loty tam i z powrotem są już rutynowe, każdy dzień na pokładzie stacji pełny jest nowych doświadczeń. A każdy element stacji jest źródłem niespodzianek, jak na przykład nowy moduł dokowania Prichal dołączony do modułu Nauka. Okazuje się, że dokowanie do niego pojazdów SpaceX Dragon wymagać może zmiany wcześniej ustalonego schematu podejścia.

Prichal dołączony zamiast przedziału towarowego do członu napędowego statku Progress. Najdziwniejszy wariant tego pojazdu w historii

Jako eksperyment traktowane są także testy technologii transferu danych za pomocą wiązki laserowej w podczerwieni. Zastąpienie nią sygnałów radiowych oznacza zwiększenie pojemności łącz co najmniej o rząd wielkości. Obecny rekord uzyskany w trakcie komunikacji laserowej z orbitą księżycową to 622 Mbps. W takim tempie przesyłane były dane przez satelitę LADEE na orbicie Księżyca do naziemnego terminalu w 2013 roku. Dla naziemnego użytkownika końcowego taka szybkość to bardzo dobre osiągi. Oczywiście dochodzi tu jeszcze kwestia symetryczności transferu, ale na razie to jest mniej istotna kwestia w orbitalnych eksperymentach.

Eksperyment LCRD, czyli Laser Communications Relay Demonstration. Demonstracja laserowego przekaźnika

Najnowsza misja demonstracyjna NASA dla komunikacji laserowej ma wystartować (lub już wystartowała) na pokładzie satelity STPSat 6 rankiem 7 grudnia 2021. W trakcie testów uzyskane ma zostać 1,2 Gbps, czyli prawie dwa razy więcej niż wynosi dotychczasowy rekord.

Satelita STPSat 6 trafi na orbitę geostacjonarną (nieco powyżej), a w tej samej odległości znajdują się satelity telekomunikacyjne. I tu od razu przypomną się nam, że przecież są one znacznie wydajniejsze niż to co zaprezentuje LCRD. Jednakże taka radiowa kosmiczna komunikacja to inna koncepcja niż łącza laserowe. Te drugie to optyczne łącza typu punkt do punktu, a nie transmisja radiowa o szerokiej wiązce sygnałowej.

Podłączona pod STPSat 6 paleta z laserami do odbierania i nadawania sygnału zamieni tego satelitę w stację przekaźnikową dla transmisji danych z MSK na Ziemię

Ich wykorzystanie ma koncentrować się na transmisji danych pomiędzy konkretnymi końcówkami sieciowymi, a to dla zastosowań naukowych i obsługi kosmicznych pojazdów, stacji czy baz księżycowych, bez problemu wystarczy. Tak samo można porównywać internet mobilny i łącza światłowodowe. Dziś terminale optycznej komunikacji są dość duże, ale przyszłość powinna przynieść nam miniaturyzację. Ułatwi ona integrację nadajników i odbiorników o wielokrotnie mniejszej skali niż obecnie stosowane anteny nadawcze w satelitach.

Na 1,2 Gbps się nie skończy

Wspomniane 1,2 Gbps to zresztą tylko jedna z granic, którą przekroczy inny eksperyment TBIRD, czyli Terabyte Infrared Delivery System. Wykorzysta on satelitę typu cubesat (wielkości dużego pudełka na buty) umieszczonego na niskiej orbicie ziemskiej. W tym przypadku prędkość transferu danych ma sięgnąć 200 Gbps, oszałamiających z perspektywy pojedynczego użytkownika. Ta druga misja również ma wystartować w grudniu 2021. Trzeci z eksperymentów, który szykuje NASA trochę poczeka, ale będzie warto.

Bo i ile LCRD wykorzystane będzie do eksperymentalnych transmisji danych z satelitów na orbicie Ziemi przez różne instytucje, a TBRID będzie typowym eksperymentem z udziałem pojedynczego satelity, to efekty działania O2O prawdopodobnie zobaczy każdy z nas.

W przypadku łącza laserowego, nadajnik to wspomniany laser zintegrowany ze zwierciadłem niewielkiego teleskopu. W kosmosie taka aparatura nie musi być duża, na Ziemi atmosfera wymusza stosowanie większej średnicy zwierciadeł (większych przy nadawaniu, mniejszych przy odbiorze). Całość nie wymaga bezpośredniego dostępu człowieka i może być zamknięta w takiej kopułce jak powyżej

O2O, czyli Orion Artemis II Optical Communication System. System optycznej komunikacji dla misji Artemis

Z jego pomocą nie będziemy bić rekordów, a transmitować wideo w rozdzielczości 4K z orbity Księżyca, a zapewne także mase innych danych. Na dodatek na żywo, jedynie z kilkusekundowym opóźnieniem wynikającym z odległości Ziemia - Księżyc i zwłoki naziemnego internetu. Zabrzmi to pewnie zbyt optymistycznie, ale nie miałbym nic przeciwko, gdyby lądowanie człowieka na powierzchni Księżyca w ramach misji Artemis III było transmitowane w tej samej, a może i wyższej rozdzielczości.

Po lewej stopklatka z filmu nakręconego podczas lądowania Apollo 11 na Księzycu, po prawej zdjęcie. Dziś, w czasach filmów 4K i wyższej rozdzielczości, tak mógłby wyglądać przekaz z powierzchni

To byłby prawdziwy dowód na postęp w technologiach, a nie sam lot na Księżyc. Wyobraźcie sobie jak dużą zmianą będzie zastąpienie transmisji z 1969 roku, z niewyraźnym obrazem i rwącym się dźwiękiem, przekazem w ultra wysokiej rozdzielczości. Dobrym przykładem jest scena z filmu Pierwszy Człowiek, w której w sceny filmowe nakręcone w wysokiej rozdzielczości wpleciono migawkę z przekazem takim jak z oryginalnej misji o dużo niższej jakości.

Obejrzyj w

Test laserowej komunikacji na duży dystans, żeby nie było, że działa to tylko w pobliżu Ziemi

Jest jeszcze jeden eksperyment, który poleci latem 2022 roku w kosmos na pokładzie sondy Psyche. Aparatura do komunikacji laserowej (DSOC) w 2026 roku będzie użyta do transmisji danych z odległości 150 milionów kilometrów. Z okolic asteroidy o tej samej nazwie co pojazd.

Spuśćmy tu zasłonę milczenia nad teoriami spiskowymi. Bo owszem wyraźne wideo 4K z Armstrongiem zeskakującym na powierzchnię luny pomogłoby uniknąć spekulacji kilkadziesiąt lat temu. Lecz też taki potencjał filmowy, jak widać obecnie, wiąże się też z postępem w technologiach tworzenia bardzo realistycznych obrazów z miejsc, które w ogóle nie istnieją. Dlatego nagranie 4K nic by nie zmieniło w podejściu osób, które nie chcą wierzyć, że człowiekowi udało się postawić stopę na Księżycu.

Kolejne etapy testów laserowej komunikacji w przestrzeni kosmicznej. Nie koniecznie wszystkie w tej samej kolejności

Szybkie łącza laserowe wymagać będą oczywiście odpowiedniego osprzętu na pokładzie kompatybilnych pojazdów kosmicznych, a także na Ziemi. Na pokładzie MSK w przyszłym roku zainstalowany ma być terminal ILLUMA-T, który to właśnie pomoże komunikować się w kierunku Ziemi z rekordowym 1,2 Gbps.

Sam satelita LCRD będzie transmitował dane na Ziemię do jednej z dwóch stacji naziemnych, na szczycie Góry Stołowej w Kalifornii lub wulkanu Haleakalā na Hawajach. Wybór tych lokalizacji nie zaskakuje. To miejsca gdzie pokrywa chmur w minimalnym stopniu będzie przeszkadzać w odbiorze danych. A niestety ten drobny, ale bardzo istotny fakt, który zachowaliśmy na koniec, czyli przeszkody w atmosferze ziemskiej będące wynikiem zmian pogodowych, turbulencji, a nawet zanieczyszczeń, jest wciąż najsłabszą stroną komunikacji laserowej, ale też i radiowej.

Źródło: NASA, inf. własna