Лазерная связь НАСА может похвастаться рекордом

Группа исследователей из НАСА, Массачусетского технологического института и других учреждений установила самую быструю на сегодняшний день линию лазерной связи между космосом и землей, удвоив рекорд, установленный ими в прошлом году. При скорости передачи данных 200 гигабит в секунду спутник может передать более 2 терабайт данных — примерно столько же, сколько 1000 фильмов высокой четкости — за один 5-минутный проход над наземной станцией.

«Последствия имеют далеко идущие последствия, потому что, проще говоря, больше данных означает больше открытий», — говорит Джейсон Митчелл, аэрокосмический инженер из программы НАСА по космической связи и навигации.

Новая линия связи стала возможной благодаря системе TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), находящейся на орбите примерно в 530 километрах над поверхностью Земли. Запущенный в космос в мае прошлого года, TBIRD к июню прошлого года достиг скорости нисходящей линии связи до 100 Гбит/с с наземным приемником в Калифорнии. Это было в 100 раз быстрее, чем самая высокая скорость Интернета в большинстве городов, и более чем в 1000 раз быстрее, чем радиоканалы, традиционно используемые для связи со спутниками.

Самые быстрые сети передачи данных на Земле обычно полагаются на лазерную связь по оптоволокну. Однако высокоскоростного лазерного Интернета для спутников пока не существует. Вместо этого космические агентства и операторы коммерческих спутников чаще всего используют радио для связи с объектами в космосе. Инфракрасный свет, который может использовать лазерная связь, имеет гораздо более высокую частоту, чем радиоволны, что обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных.

«В настоящее время на орбите есть спутники, ограниченные объемом данных, которые они могут передать по нисходящей линии связи, и эта тенденция будет только усиливаться по мере запуска более эффективных спутников», — говорит Кэт Рисинг, аэрокосмический инженер и сотрудник Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. Команда TBIRD. «Даже гиперспектральный формирователь изображений — HISUI на Международной космической станции — должен отправлять данные обратно на Землю через накопители на грузовых кораблях из-за ограничений на скорость нисходящей связи. TBIRD — это большой инструмент для миссий, которые собирают важные данные о климате и ресурсах Земли». а также астрофизические приложения, такие как получение изображений черных дыр».

Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института задумала TBIRD в 2014 году как недорогой и высокоскоростной способ доступа к данным на космических кораблях. Ключевым способом снижения затрат стало использование коммерческих готовых компонентов, изначально разработанных для наземного использования. К ним относятся высокоскоростные оптические модемы, разработанные для оптоволоконных телекоммуникаций, и высокоскоростные хранилища больших объемов данных, говорит Рисинг.

Расположенный на борту спутника НАСА Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3), TBIRD был доставлен на орбиту в рамках совместной миссии SpaceX Transporter-5 со станции космических сил на мысе Канаверал во Флориде 25 мая 2022 года. Спутник PTD-3 весит примерно 12 килограммов. CubeSat размером с две сложенные друг на друга коробки из-под хлопьев, а его полезная нагрузка TBIRD не больше, чем средняя коробка из-под салфеток. «Стремление отрасли к небольшим оптическим трансиверам с низким энергопотреблением и высокой скоростью передачи данных позволило нам достичь компактного форм-фактора, подходящего даже для небольших спутников», — говорит Митчелл.

«В настоящее время на орбите есть спутники, ограниченные объемом данных, которые они могут передать, и эта тенденция будет только усиливаться по мере запуска более мощных спутников». —Кэт Рисинг, аэрокосмический инженер, Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института

Разработка TBIRD столкнулась с рядом проблем. Начнем с того, что наземные компоненты не предназначены для того, чтобы выдержать суровые условия запуска и работы в космосе. Например, во время термического испытания, имитирующего экстремальные температуры, с которыми устройства могут столкнуться в космосе, волокна в усилителе оптического сигнала расплавились.

Проблема заключалась в том, что при использовании по первоначальному назначению атмосфера могла способствовать охлаждению усилителя за счет конвекции. При испытаниях в вакууме, имитирующем космос, тепло, выделяемое усилителем, было уловлено. Чтобы решить эту проблему, исследователи работали с поставщиком усилителя, чтобы модифицировать его так, чтобы вместо этого он выделял тепло за счет проводимости.

Кроме того, лазерные лучи из космоса на Землю могут испытывать искажения из-за атмосферных воздействий и погодных условий. Это может привести к потере мощности и, в свою очередь, к потере данных для лучей.