ناسا چگونه از نور برای ارتباطات فضایی استفاده خواهد کرد؟

برای گسترش قلمرو حضور بشر در اجرام آسمانی دیگر، نیاز به انتقال حجم انبوهی از داده است که سیگنال‌های رادیویی پاسخگوی خوبی برای آن نیستند. حالا ناسا با آزمایش ارتباطات فضایی بر پایه‌ی نور قصد دارد از این محدودیت‌ها فراتر برود و ارتباطات فضایی دیجیتال را محقق کند.

هفته‌ی گذشته بود که ناسا با موشک قدرتمند «اطلس ۵» (Atlas V) ساخته‌ی «ائتلاف پرتاب و راه‌اندازی» (ULA)، یک فضاپیمای ۳۲۰ میلیون دلاری را برای آزمایش پیوندهای ارتباط لیزری پرسرعت میان زمین و فضا، راهی مدار زمین‌آهنگ کرد.

آزمایش نمایش فناوری ناسا با نام «نمایش رله‌ی ارتباطات لیزری» (Laser Communications Relay Demonstration) یا به‌طور خلاصه «ال‌سی‌آردی» (LCRD) بر روی ماهواره‌ی STPSat6 نیروی فضایی آمریکا، سوار شده است و ساعت ۰۵:۱۹ منطقه‌ی زمانی شرقی (۱۳:۴۹ به وقت تهران) روز ۷ دسامبر (۱۶ آذر) از پایگاه فضایی کیپ کاناورال به فضا رفت. این پرتاب پیش از این برای چند روز قبل برنامه‌ریزی شده بود، اما نشت سیستم ذخیره‌ی سوخت نفت سفید در سکوی پرتاب، باعث تأخیر دو روزه‌ی آن شد.

مأموریت LCRD برای انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های دو ساله در مدار قرار گرفته است تا بررسی کند که چگونه پیوندهای ارتباطی نوری می‌توانند به بارگیری سریع‌تر حجم زیادی از اطلاعات نسبت به سیستم‌های ارتباطی مبتنی بر امواج رادیویی سنتی کمک کنند.

«ترودی کورتس» (Trudy Kortes) مدیر نمایش فناوری اداره‌ی مأموریت‌های فناوری فضایی ناسا گفت: «ما مدتی است که روی این پروژه‌ی فناورانه کار می‌کنیم. هدف از این پروژه اثبات توانایی‌های نخستین آزمایش دوسویه‌ی کامل ناسا از یک سیستم ارتباطی است که می‌تواند داده‌ها را با سرعتی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از سیستم‌های پایه در فرکانس رادیویی فعلی منتقل کند. بارگیری نوری برای انتقال داده‌ها به ما با استفاده از لیزر، واقعا نمایش فناوری بزرگی در نوع خود است.»

آزمایش LCRD سوار بر ماهواره‌ی STPSat-6
Credit: US Space Force

ویژگی فناوری ارتباط نوری

مأموریت‌های فضایی آینده با نیاز به حجم انبوه داده‌ها، مانند برنامه‌ی آرتمیس ناسا به ماه و سفر به مریخ، احتمالا به پیوندهای ارتباط لیزری برای انتقال داده‌ها به زمین نیاز خواهند داشت. ناسا همچنین می‌تواند از لیزر برای فرستادن پکیج‌های داده‌ی بزرگ‌تری به فضانوردان روی ماه استفاده کند.

کورتس گفت: «چون مأموریت‌ها داده‌های بیشتری را تولید و جمع‌آوری می‌کنند، پهنای باند بالاتری برای انتقال داده‌ها به ما لازم است و این دقیقا همان چیزی است که LCRD در حال آزمایش و نشان دادن است.»

این سیستم جدید نه تنها نرخ انتقال داده‌ی بالاتری ارائه می‌دهد، بلکه از نظر حجم هم کوچک‌تر است و مصرف انرژی کم‌تری نسبت به بهترین فناوری‌های فعلی مورد استفاده خواهد داشت. به گفته‌ی کورتس همان‌طور که بشر برای ایجاد یک حضور پایدار در ماه و در نهایت فرستادن انسان به مریخ فعالیت می‌کند، نمایش فناوری‌هایی مانند LCRD برای تأمین نیازهای مأموریت آینده کاملا حیاتی هستند.

هرچند اکنون هم برخی شبکه‌ها از پیوندهای لیزری برای فرستادن داده‌ها میان ماهواره‌ها در فضا استفاده می‌کنند، اما آزمایش لیزر زمینه‌ی جدیدی را در ارتباطات نوری ایجاد خواهد کرد. برای مثال شبکه‌ی اینترنت ماهواره‌ای استارلینک اسپیس‌ایکس از پیوندهای متقاطع لیزری استفاده می‌کند و به ترافیک داده‌ی اینترنت امکان دهد از یک فضاپیما به فضاپیمای دیگر منتقل شود. سیستم رله‌ی داده‌ی آژانس فضایی اروپا هم از معماری ارتباطات نوری مشابهی برای جمع‌آوری تصاویر از ماهواره‌های نظارت محیطی کوپرنیک استفاده می‌کند. اما شبکه‌های استارلینک و رله‌ی داده‌ی اروپا برای بازگرداندن داده‌ها به زمین از سیکنال‌های رادیویی معمولی استفاده می‌کنند.

«جیسون میچل» (Jason Mitchell) مدیر بخش ارتباطات پیشرفته و فناوری ناوبری ناسا گفت: «انبوهی از فعالیت‌های تجاری برای پیوندهای فضا به فضا در زمینه‌ی نوری وجود دارد و این عالی است زیرا هزینه‌ها را کاهش می‌دهند، دردسترس بودن را افزایش می‌دهند و اطمینان می‌دهند که افراد زیادی قادر به دسترسی و استفاده از آن‌ها هستند. اما از دیدگاه ما یکی از چالش‌ها ارتباط مستقیم با زمین است. جو زمین بسته به موقعیت، می‌تواند واقعا بر کانال پرتو لیزر اثر بگذارد و آشفتگی جوی می‌تواند به نوعی پرتو را منحرف کند.»

ارتباطات با استفاده از فرکانس‌های رادیویی می‌تواند با افزایش توان، برخی از تداخل‌های جوی را دور بزند و برخی از باندهای رادیویی هم کمتر در معرض انسداد توسط ابر و باران هستند. «دیو اسرائیل» (Dave Israel) پژوهشگر اصلی مأموریت LCRD در مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا گفت: «در ارتباط لیزری، نقطه‌ی خاصی وجود دارد که نمی‌توانیم مانند فرکانس رادیویی با افزایش توان، آب‌وهوای بد را دور بزنیم بلکه باید پرتو لیزر را به جای دیگری هدایت کنیم. بنابراین قبل از اینکه بتوانیم از ارتباطات نوری برای مأموریت‌های خود استفاده کنیم، باید تجربیات عملیاتی زیادی کسب کنیم.»

ناسا برای این آزمایش مهم، دو پایگاه زمینی در هاوایی و کالیفرنیا ایجاد کرده است تا با فضاپیمای LCRD در فضا ارتباط برقرار کنند. مهندسان در حال آزمایش تلسکوپ‌های نوری یک متری در هر دو مکان هستند. این تلسکوپ‌ها در ارتفاع بالاتری قرار گرفته‌اند تا پوشش ابر و دیگر اثرات جوی روی پیوند لیزری را به حداقل برسانند.

محل ایستگاه‌های زمینی LCRD
Credit: NASA

به گفته‌ی «میریام ونرستن» (Miriam Wennersten) مدیر بخش زمینی مأموریت LCRD، بخشی از آزمایش شامل جمع‌آوری داده‌های آب‌وهوایی در ایستگاه‌های زمینی هاوایی و کالیفرنیا خواهد بود. مهندسان بررسی خواهند کرد که چگونه شرایط آب‌وهوایی مختلف بر پیوند ارتباطات لیزری اثر می‌گذارد. میچل هم گفت: «لیزرها می‌توانند توسط ابرها مسدود شوند، به همین دلیل تنوع سایت زمینی مهم است.»

ساختار LCRD

محموله‌ی LCRD سوار بر STPSat 6 از دو پایانه‌ی ارتباطی نوری و یک واحد سوییچینگ تشکیل شده است که به دستگاه امکان می‌دهد سیگنال را دریافت کند، داده‌ها را به فرستنده منتقل کند و سپس سیگنال را به مقصد بفرستد.

LCRD با لیزرهای فروسرخ کار می‌کند که با چشم انسان قابل مشاهده نیستند. طول موج لیزرها ۱۰۰۰۰ برابر کوتاه‌تر از امواج رادیویی هستند و بدین ترتیب می‌توانند در پرتوهای باریک‌تری حرکت کنند. هرچند هنوز به قوانین فیزیک محدود هستند و با سرعت نور حرکت می‌کنند.

«بدری یونس» (Badri Younes) معاون برنامه‌ی ارتباطات و ناوبری فضایی ناسا گفت: «وقتی می‌گوییم سریع‌تر، باید به این معنا باشد که به جای صرف زمان زیاد، بتوانیم حجم زیادی از داده‌ها را یکباره به زمین بارگیری کنیم.»

اختلاف نرخ و سیگنال انتقال داده در فناوری لیزر و رادیویی
Credit: NASA

آزمایش‌های اولیه‌ی LCRD داده‌ها را بین ایستگاه‌های زمینی مأموریت ارسال می‌کند. سال آینده، ناسا قصد دارد یک پایانه‌ی ارتباطات لیزری را به ایستگاه فضایی بین‌المللی در یک فضاپیمای باری تجاری بفرستد. این محموله در ISS به سامانه‌ی LCRD امکان می‌دهد یک پیوند نوری را با یک جسم متحرک که با سرعت ۸ کیلومتر بر ثانیه به دور زمین می‌چرخد، آزمایش کند. پایانه‌های لیزری در آزمایش فناوری فعلی، داده‌ها را با نرخ ۱٫۲ گیگابیت در ثانیه بارگیری می‌کنند و این سیستم قادر است داده‌ها را با نرخ مشابهی از ایستگاه فضایی دریافت کند.

STPSat 6 ماهواره‌ی میزبان محموله‌ی LCRD در مدار زمین‌آهنگ و فاصله‌ی بیش از ۳۶ هزار کیلومتری بر فراز خط استوا قرار گرفته است. این مدار به STPSat 6 و آزمایش لیزری آن با بودجه‌ی ناسا امکان می‌دهد تا نمایی پیوسته از قاره‌ی آمریکا و اقیانوس آرام داشته باشد.

هدف مأموریت

ناسا قصد دارد در طول مأموریت اولیه‌ی دو ساله کاربری‌های گوناگون LCRD را آزمایش کند. این کار به ناسا امکان می‌دهد تا بیاموزد که ارتباطات نوری در یک شبکه‌ی بزرگ‌تر چگونه عمل خواهد کرد. به گفته‌ی ناسا داده‌های آزمایشی شامل دورسنجی سلامت فضاپیما، داده‌های ردیابی و فرمان و نمونه داده‌های کاربری خواهد بود.

پیش از این ارتباط نوری مستقیم به زمین در سال‌های ۲۰۱۳ و ۲۰۱۴ توسط فضاپیمایی که به دور ماه می‌چرخید، آزمایش شده است. اما زمان آزمایش محدود بود زیرا محموله‌ی لیزری، یک هدف ثانویه در مأموریت به‌شمار می‌رفت. اکنون ناسا فرصت کافی برای نمایش عملیاتی این فناوری دارد و می‌تواند با انجام آزمایش‌های متنوع و جمع‌آوری داده‌های زیاد، مدل‌های فعلی را اصلاح کند.

به گفته‌ی ناسا آزمایش ارتباطات لیزری راه را برای دیگر سازمان‌ها و شرکت‌ها هم باز می‌کند. اما محموله‌ی LCRD که پیش از استقرار شبکه‌ی استارلینک توسعه یافته بود، با پایانه‌های لیزری ناوگان اینترنتی اسپیس‌ایکس سازگار نیست. این آزمایش توسط مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا با پشتیبانی آزمایش پیرانش جت (JPL) و آزمایشگاه لینکلن مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) هدایت می‌شود.

با در مدار قرار گرفتن STPSat 6، تیم‌های زمینی بررسی‌های فضاپیما را در چند هفته آینده تکمیل می‌کنند و سپس فعال کردن محموله‌های ماهواره را آغاز می‌کنند. به گفته‌ی میچل آغاز آزمایش‌های علمی LCRD برای فوریه (بهمن) هدف‌گذاری شده است.

پرتاب LCRD

آزمایش LCRD در ابتدا قرار بود در سال ۲۰۱۶ با یک فضاپیمای ارتباطی تجاری پرتاب شود، اما ناسا محموله را به یک ماهواره‌ی متعلق به نیروی فضایی تغییر داد. تأخیر در ساخت فضاپیمای STPSat 6 پرتاب را تا اواسط سال ۲۰۲۱ به تعویق انداخت و پس از تغییر برنامه‌ی پرتاب اطلس ۵، این مأموریت به پایان سال موکول شد.

نیروی فضایی، فرصت پرتاب در ژوئن را از دست داد، زیرا ULA باید رفتار غیرمنتظره‌ی موتور مرحله بالایی موشک را در اطلس ۵ بررسی می‌کرد. تاخیر در پرتاب برنامه ریزی شده‌ی کپسول سرنشین‌دار استارلاینر بوئینگ هم در ادامه، مانع از پرتاب ماموریت STP-3 در سپتامبر شد و سپس پرتاب کاوشگر سیارک‌های لوسی ناسا در اکتبر، در اولویت برنامه‌ی اطلس ۵ قرار گرفت تا در نهایت پرتاب LCRD در ۷ دسامبر انجام شود.

محموله‌ی STPSat 6 و آزمایش LCRD سوار بر موشک اطلس ۵ در حالی که آماده‌ی پرتاب هستند.
Credit: United Launch Alliance

با فرض اینکه پایانه های لیزری به خوبی کار می کنند، ناسا می تواند پس از ماموریت اولیه دو ساله، بهره‌برداری آزمایشی از LCRD را به فاز عملیاتی ببرد. یونس گفت: «فراتر از نمایش فناوری، ممکن است به دنبال استفاده از آن برای ارائه‌ی برخی خدمات پشتیبانی ارتباطی در محیط نزدیک زمین باشیم.»

تجاری‌سازی فناوری ارتباط لیزری

در نهایت، درس های آموخته شده از آزمایش ارتباطات لیزری به بخش خصوصی در صنعت واگذار خواهد شد. ناسا از دهه‌ی ۱۹۸۰ مجموعه‌ای از ماهواره‌های ردیابی و رله‌ی داده با استفاده از فرکانس‌های رادیویی را برای برقراری ارتباط بین شاتل‌های فضایی، پایگاه کنترل مأموریت و ایستگاه فضایی پرتاب کرده است و دیگر برنامه‌ای برای ساخت و پرتاب ماهواره‌های رله‌ی داده به‌صورت دولتی ندارد.

ناسا تصمیم گرفته است تا بسیاری از قابلیت‌های ارتباطی فضای نزدیک زمین خود را تجاری‌سازی کند و خدمات ارتباطی را از بخش خصوصی دریافت کند. یونس خاطرنشان کرد: «ما محیطی را دنبال می‌کنیم که کاربران ما بتوانند با ماهواره‌های خود در فضا فعال باشند و از هر ارائه‌دهنده‌ای که در آنجا حضور دارد، پشتیبانی دریافت کنند.»

نکته‌ی حائز اهمیت دیگر این است که سیگنال‌های نوری توسط آژانس‌های بین‌المللی یا فدرال تنظیم نمی‌شوند. یونس گفت: «دسترسی به طیف رادیویی به شدت توسط مقررات تحت فشار است، اما حوزه‌ی ارتباطات نوری چنین نیست. دامنه‌ی نوری، یک کانال مشترک برای همه برای برقراری ارتباط و پشتیبانی از یکدیگر فراهم می‌کند. این موشوع برای ما بسیار حیاتی است و به همین دلیل است که می‌خواهیم این فناوری را تا جایی که می‌توانیم پیش ببریم. برای این کار اما ابتدا باید تجربه‌ی کافی با آن کسب کنیم.»

عکس کاور: طرحی گرافیکی از ارتباط لیزری LCRD با زمین و ایستگاه فضایی بین‌المللی
Credit: NASA

منابع: Spaceflight Now, EO Portal