Een experimentele antenne heeft zowel radiofrequente als nabij-infrarode lasersignalen ontvangen van NASA's Psyche ruimtevaartuig terwijl het door de diepe ruimte reist. Dit toont aan dat het mogelijk is om de gigantische schotelantennes van NASA's Deep Space Network (DSN), die via radiogolven met ruimtevaartuigen communiceren, om te bouwen voor optische communicatie, of lasercommunicatie. Door meer gegevens in transmissies te stoppen, zal optische communicatie nieuwe mogelijkheden voor ruimteverkenning mogelijk maken en tegelijkertijd het DSN ondersteunen naarmate de vraag naar het netwerk groeit.
De 34 meter lange radio-frequentie-optische hybride antenne, Deep Space Station 13 genaamd, volgt sinds november 2023 de downlink laser van NASA's Deep Space Optical Communications (DSOC) technologiedemonstratie. De vluchtlaserontvanger van de technologiedemonstratie rijdt mee met het Psyche-ruimtevaartuig van het agentschap, dat op 13 oktober 2023 werd gelanceerd. De hybride antenne bevindt zich in het Goldstone Deep Space Communications Complex van de DSN, in de buurt van Barstow, Californië, en maakt geen deel uit van het DSOC-experiment. De DSN, DSOC en Psyche worden beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "Onze hybride antenne is in staat geweest om succesvol en betrouwbaar de DSOC downlink te volgen sinds de lancering van de tech demo," zegt Amy Smith, DSN plaatsvervangend manager bij JPL. "Het heeft ook het radiofrequentiesignaal van Psyche ontvangen, dus we hebben voor het eerst synchrone radio- en optische ruimtecommunicatie gedemonstreerd."
Eind 2023 downlinkte de hybride antenne gegevens vanaf 32 miljoen kilometer afstand met een snelheid van 15,63 megabit per seconde, ongeveer 40 keer sneller dan radiofrequentiecommunicatie op die afstand. Op 1 januari 2024 downlinkte de antenne een teamfoto die voor de lancering van Psyche naar DSOC was geüpload. Om de fotonen van de laser (kwantumlichtdeeltjes) te detecteren, werden zeven ultraprecieze gesegmenteerde spiegels bevestigd aan de binnenkant van het gebogen oppervlak van de hybride antenne. Deze segmenten lijken op de zeshoekige spiegels van NASA's James Webb Space Telescope en bootsen de lichtopvangopening na van een telescoop met een opening van 1 meter. Als de laserfotonen bij de antenne aankomen, reflecteert elke spiegel de fotonen en stuurt ze precies om naar een camera met hoge belichting die is bevestigd aan de subreflector van de antenne die boven het midden van de schotel hangt.
Het lasersignaal dat door de camera wordt opgevangen, wordt vervolgens door optische vezels doorgegeven aan een cryogeen gekoelde halfgeleidende nanodraaddetector voor enkele fotonen. De detector is ontworpen en gebouwd door het Microdevices Laboratory van JPL en is identiek aan de detector die gebruikt wordt op Caltech's Palomar Observatory in San Diego County, Californië, dat fungeert als DSOC's downlink grondstation. "Het is een optisch systeem met een hoge tolerantie, gebouwd op een 34 meter lange flexibele structuur", zegt Barzia Tehrani, plaatsvervangend manager van communicatiesystemen op de grond en manager van de levering van de hybride antenne bij JPL. "We gebruiken een systeem van spiegels, nauwkeurige sensoren en camera's om de laser vanuit de ruimte actief uit te lijnen en te richten op een vezel die de detector bereikt."
Foto: NASA/JPL
Tehrani hoopt dat de antenne gevoelig genoeg zal zijn om het lasersignaal te detecteren dat vanaf Mars wordt verzonden op het verste punt van de aarde (2 ½ keer de afstand van de zon tot de aarde). Psyche zal in juni op die afstand zijn op weg naar de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter om de metaalrijke asteroïde Psyche te onderzoeken. De zeven-segmenten reflector op de antenne is een proof of concept voor een opgeschaalde en krachtigere versie met 64 segmenten - het equivalent van een telescoop met een opening van 8 meter - die in de toekomst gebruikt zou kunnen worden.
DSOC maakt de weg vrij voor communicatie met hogere datasnelheden waarmee complexe wetenschappelijke informatie, video en high-definition beelden kunnen worden verzonden ter ondersteuning van de volgende reuzensprong van de mensheid: mensen naar Mars sturen. De technologiedemonstratie streamde onlangs de eerste ultra-high-definition video vanuit de ruimte met record bitrates. Het uitrusten van radiofrequentie antennes met optische terminals en het bouwen van speciaal gebouwde hybride antennes zou een oplossing kunnen zijn voor het huidige gebrek aan een speciale optische grondinfrastructuur. Het DSN heeft 14 schotels verspreid over faciliteiten in Californië, Madrid en Canberra, Australië. Hybride antennes zouden kunnen vertrouwen op optische communicatie om grote hoeveelheden gegevens te ontvangen en radiofrequenties gebruiken voor minder bandbreedte-intensieve gegevens, zoals telemetrie (gezondheids- en positie-informatie).
"Al tientallen jaren voegen we nieuwe radiofrequenties toe aan de gigantische antennes van de DSN die over de hele wereld zijn verspreid, dus de meest haalbare volgende stap is om optische frequenties toe te voegen," zei Tehrani. "We kunnen met één apparaat twee dingen tegelijk doen: onze communicatiewegen omvormen tot snelwegen en tijd, geld en middelen besparen."
DSOC is de laatste in een reeks demonstraties van optische communicatie die worden gefinancierd door het Technology Demonstration Missions (TDM) programma van NASA en het Space Communications and Navigation (SCaN) programma van het agentschap. JPL, een afdeling van Caltech in Pasadena, Californië, beheert DSOC voor TDM binnen NASA's Space Technology Mission Directorate en SCaN binnen het Space Operations Mission Directorate van het agentschap.
Bron: NASA
