Breitband für den Mars: Laser-Boost für die Deep Space Communications der NASA

Von Jet Propulsion Laboratory, 31. August 2023

Das NASA-Projekt Deep Space Optical Communications (DSOC), das diesen Herbst startet, soll die Fähigkeiten von Lasern bei der Verbesserung der Weltraumdatenübertragung erforschen.

NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA is testing technologies in space and on the ground that could increase bandwidth to transmit more complex science data and even stream video from MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Mars.

Das NASA-Projekt „Deep Space Optical Communications“ (DSOC) soll diesen Herbst starten und testen, wie Laser die Datenübertragung weit über die Kapazität aktueller im Weltraum eingesetzter Hochfrequenzsysteme hinaus beschleunigen können. DSOC, eine so genannte Technologiedemonstration, könnte den Weg für Breitbandkommunikation ebnen, die den nächsten großen Schritt der Menschheit unterstützen wird: wenn die NASA Astronauten zum Mars schickt.

Der Nahinfrarot-Laser-Transceiver DSOC (ein Gerät, das Daten senden und empfangen kann) wird „huckepack“ auf der Psyche-Mission der NASA mitwirken, wenn diese im Oktober zu einem metallreichen Asteroiden mit demselben Namen startet. Während der ersten zwei Jahre der Reise wird der Transceiver mit zwei Bodenstationen in Südkalifornien kommunizieren und dabei hochempfindliche Detektoren, leistungsstarke Lasersender und neuartige Methoden zur Dekodierung von Signalen testen, die der Transceiver aus dem Weltraum sendet.

Der Flugtransceiver von Deep Space Optical Communications (DSOC) befindet sich in einem großen röhrenförmigen Sonnenschirm und Teleskop auf der Raumsonde Psyche, wie hier in einem Reinraum am JPL zu sehen ist. Ein früheres Foto zeigt die Transceiver-Baugruppe, bevor sie in das Raumschiff integriert wurde. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Die NASA konzentriert sich auf Laser- oder optische Kommunikation, da diese das Potenzial hat, die Bandbreite von Radiowellen zu übertreffen, auf die sich die Raumfahrtbehörde seit mehr als einem halben Jahrhundert verlässt. Sowohl die Funk- als auch die Nahinfrarot-Laserkommunikation nutzen elektromagnetische Wellen zur Datenübertragung, Nahinfrarotlicht bündelt die Daten jedoch in deutlich engere Wellen, sodass Bodenstationen mehr Daten auf einmal empfangen können.

„DSOC wurde entwickelt, um die 10- bis 100-fache Datenrückgabekapazität modernster Funksysteme zu demonstrieren, die heute im Weltraum verwendet werden“, sagte Abi Biswas, DSOC-Projekttechnologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Laserkommunikation mit hoher Bandbreite für erdnahe Umlaufbahnen und für Satelliten, die den Mond umkreisen, hat sich bewährt, aber der Weltraum stellt neue Herausforderungen dar.“

Es gibt mehr Missionen als je zuvor, die in den Weltraum fliegen, und sie versprechen, exponentiell mehr Daten als frühere Missionen in Form komplexer wissenschaftlicher Messungen, hochauflösender Bilder und Videos zu produzieren. Daher werden Experimente wie DSOC eine entscheidende Rolle dabei spielen, die NASA bei der Weiterentwicklung von Technologien zu unterstützen, die in Zukunft routinemäßig von Raumfahrzeugen und Bodensystemen genutzt werden können.

Das Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien, wird den Hochgeschwindigkeitsdaten-Downlink vom DSOC-Flugtransceiver empfangen. Das Teleskop ist mit einem neuartigen supraleitenden Detektor ausgestattet, der die Ankunft einzelner Photonen aus dem Weltraum zeitlich messen kann. Bildnachweis: Palomar/Caltech

„DSOC stellt die nächste Phase der NASA-Pläne zur Entwicklung revolutionär verbesserter Kommunikationstechnologien dar, die die Datenübertragung aus dem Weltraum steigern können – was für die zukünftigen Ambitionen der Agentur von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Trudy Kortes, Direktorin des Technology Demonstrations Missions (TDM)-Programms im NASA-Hauptquartier in Washington. „Wir freuen uns sehr über die Gelegenheit, diese Technologie während des Fluges von Psyche zu testen.“

The transceiver riding on Psyche features several new technologies, including a never-before-flown photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">photon-counting camera attached to an 8.6-inch (22-centimeter) aperture telescope that protrudes from the side of the spacecraft. The transceiver will autonomously scan for, and “lock” onto, the high-power near-infrared laser uplink transmitted by the Optical Communication Telescope Laboratory at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> JPLs Tafelberganlage in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien. Der Laser-Uplink demonstriert auch das Senden von Befehlen an den Transceiver.

„Der leistungsstarke Uplink-Laser ist ein entscheidender Teil dieser Technologiedemonstration für höhere Geschwindigkeiten bei Raumfahrzeugen, und Upgrades unserer Bodensysteme werden optische Kommunikation für zukünftige Weltraummissionen ermöglichen“, sagte Jason Mitchell, Programmleiter für Space Communications and Navigation (SCaN) der NASA ) Programm im NASA-Hauptquartier.

Sobald der Transceiver auf den Uplink-Laser eingestellt ist, lokalisiert er das 200 Zoll (5,1 Meter) große Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien, etwa 100 Meilen (130 Kilometer) südlich des Tafelbergs. Der Transceiver wird dann seinen Nahinfrarotlaser verwenden, um Hochgeschwindigkeitsdaten nach Palomar zu übertragen. Vibrationen des Raumfahrzeugs, die den Laser andernfalls vom Ziel abstoßen könnten, werden durch hochmoderne Streben gedämpft, die den Transceiver an Psyche befestigen.

Um den Hochgeschwindigkeits-Downlink-Laser vom DSOC-Transceiver zu empfangen, wurde das Hale-Teleskop mit einer neuartigen supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektorbaugruppe ausgestattet. Die Anordnung wird kryogen gekühlt, sodass ein einzelnes einfallendes Laserphoton (ein Quantenlichtteilchen) erfasst und seine Ankunftszeit aufgezeichnet werden kann. Das als Impulsfolge übertragene Laserlicht muss mehr als 200 Millionen Meilen (300 Millionen Kilometer) zurücklegen – die weiteste Entfernung, die das Raumschiff während dieser Tech-Demo zurücklegen wird –, bevor die schwachen Signale erkannt und verarbeitet werden können, um die Informationen zu extrahieren.

„Jede Komponente von DSOC weist neue Technologie auf, von den Hochleistungs-Uplink-Lasern über das Ausrichtungssystem am Teleskop des Transceivers bis hin zu den äußerst empfindlichen Detektoren, die die einzelnen Photonen zählen können, wenn sie ankommen“, sagte Bill Klipstein vom JPL, das DSOC-Projekt Manager. „Das Team musste sogar neue Signalverarbeitungstechniken entwickeln, um Informationen aus solch schwachen Signalen herauszuholen, die über große Entfernungen übertragen werden.“

Die immensen Entfernungen stellen eine weitere Herausforderung für die Tech-Demo dar: Je weiter Psyche reist, desto länger brauchen die Photonen, um ihr Ziel zu erreichen, was zu einer Verzögerung von bis zu mehreren zehn Minuten führt. Während sich die Laserphotonen fortbewegen, ändern sich die Positionen der Erde und des Raumfahrzeugs ständig, daher muss diese Verzögerung ausgeglichen werden.

„Den Laser auszurichten und über Millionen von Meilen hinweg zu erfassen und dabei die relative Bewegung von Erde und Psyche zu berücksichtigen, stellt eine spannende Herausforderung für unser Projekt dar“, sagte Biswas.

DSOC wird den Betrieb fast zwei Jahre lang nach dem Start der Psyche-Mission der NASA auf dem Weg zu ihrem Vorbeiflug am Mars im Jahr 2026 demonstrieren. Während der DSOC-Transceiver von der Psyche-Raumsonde gehostet wird, wird die technische Demo keine Psyche-Missionsdaten weiterleiten. Der Erfolg jedes Projekts wird unabhängig voneinander bewertet.

DSOC ist die neueste einer Reihe von Demonstrationen zur optischen Kommunikation, die von TDM und SCaN finanziert werden. JPL, eine Abteilung von Caltech in Pasadena, Kalifornien, verwaltet DSOC für TDM innerhalb des Space Technology Mission Directorate der NASA und SCaN innerhalb des Space Operations Mission Directorate der Agentur.

Die Psyche-Mission wird von der Arizona State University geleitet. JPL ist für das Gesamtmanagement, die Systemtechnik, die Integration und Tests sowie den Missionsbetrieb der Mission verantwortlich. Psyche ist Teil des Discovery-Programms der NASA.