Kürzlich schloss die US-Sonde Spirit einen Test der Laserkommunikation im tiefen Weltraum mit Bodenstationen in 16 Millionen Kilometern Entfernung ab und stellte damit einen neuen Distanzrekord für optische Kommunikation im Weltraum auf. Welche Vorteile bietet sie?LaserkommunikationWelche Schwierigkeiten müssen aufgrund der technischen Prinzipien und Missionsanforderungen überwunden werden? Welche Anwendungsaussichten bestehen in der zukünftigen Erforschung des Weltraums?
Technologische Durchbrüche, keine Angst vor Herausforderungen
Die Erforschung des Weltraums stellt für Weltraumforscher eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe dar. Sonden müssen den weit entfernten interstellaren Raum durchqueren, extreme Umgebungen und raue Bedingungen überwinden, wertvolle Daten erfassen und übermitteln. Dabei spielt die Kommunikationstechnologie eine entscheidende Rolle.
Schematische Darstellung vonLaserkommunikation im WeltraumExperiment zwischen der Satellitensonde Spirit und dem Bodenobservatorium
Am 13. Oktober startete die Raumsonde Spirit zu einer mindestens acht Jahre dauernden Erkundungsreise. Zu Beginn der Mission testete sie zusammen mit dem Hale-Teleskop des Palomar-Observatoriums in den USA die Technologie der Laserkommunikation im Weltraum. Dabei nutzte sie Nahinfrarot-Lasercodierung zur Datenübertragung an Teams auf der Erde. Der Detektor und seine Laserkommunikationsausrüstung mussten dazu mindestens vier Herausforderungen bewältigen: große Entfernung, Signaldämpfung und -interferenzen, Bandbreitenbegrenzung und -verzögerung, Energiebegrenzung sowie Wärmeableitung. Forscher haben sich seit langem auf diese Herausforderungen vorbereitet und eine Reihe von Schlüsseltechnologien entwickelt, die eine gute Grundlage für die Durchführung von Experimenten der Spirit-Sonde zur Laserkommunikation im Weltraum bilden.
Zunächst verwendet der Spirit-Detektor Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungstechnologie, ausgewählten Laserstrahl als Übertragungsmedium, ausgestattet mit einemHochleistungslaserSender, der die Vorteile vonLaserübertragungGeschwindigkeit und hohe Stabilität beim Versuch, Laserkommunikationsverbindungen im Weltraum herzustellen.
Um die Zuverlässigkeit und Stabilität der Kommunikation zu verbessern, setzt der Spirit-Detektor außerdem auf eine effiziente Kodierungstechnologie. Durch Optimierung der Datenkodierung lässt sich eine höhere Datenübertragungsrate innerhalb der begrenzten Bandbreite erreichen. Gleichzeitig kann die Bitfehlerrate reduziert und die Genauigkeit der Datenübertragung durch die Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierung verbessert werden.
Drittens ermöglicht die Sonde mithilfe intelligenter Planungs- und Steuerungstechnologie die optimale Nutzung der Kommunikationsressourcen. Die Technologie kann Kommunikationsprotokolle und Übertragungsraten automatisch an veränderte Aufgabenanforderungen und die Kommunikationsumgebung anpassen und so optimale Kommunikationsergebnisse bei begrenzter Energieversorgung gewährleisten.
Um die Signalempfangsfähigkeit zu verbessern, nutzt die Spirit-Sonde schließlich die Mehrstrahl-Empfangstechnologie. Diese Technologie nutzt mehrere Empfangsantennen, um ein Array zu bilden. Dadurch können die Empfangsempfindlichkeit und -stabilität des Signals verbessert und so eine stabile Kommunikationsverbindung in der komplexen Umgebung des Weltraums aufrechterhalten werden.
Die Vorteile liegen auf der Hand, verborgen im Geheimnis
Die Außenwelt ist nicht schwer zu erkennen, dass dieLaserist das Kernelement des Deep-Space-Kommunikationstests der Spirit-Sonde. Welche konkreten Vorteile bietet der Laser also für den signifikanten Fortschritt der Deep-Space-Kommunikation? Was ist das Geheimnis?
Einerseits erfordert der wachsende Bedarf an riesigen Datenmengen sowie hochauflösenden Bildern und Videos für die Erkundung des Weltraums zwangsläufig höhere Datenübertragungsraten für die Kommunikation im Weltraum. Angesichts der anfänglichen Kommunikationsdistanzen von oft mehreren zehn Millionen Kilometern sind Funkwellen zunehmend leistungslos.
Während die Laserkommunikation Informationen auf Photonen kodiert, haben Nahinfrarot-Lichtwellen im Vergleich zu Radiowellen eine kürzere Wellenlänge und eine höhere Frequenz. Dies ermöglicht den Aufbau einer räumlichen Datenautobahn mit effizienterer und reibungsloserer Informationsübertragung. Dies wurde bereits in frühen Weltraumexperimenten in erdnaher Umlaufbahn bestätigt. Nach entsprechenden Anpassungsmaßnahmen und der Überwindung atmosphärischer Störungen war die Datenübertragungsrate des Laserkommunikationssystems nahezu hundertmal höher als die vorheriger Kommunikationsmittel.
Veröffentlichungszeit: 26. Februar 2024