Dacht je dat je internetsnelheden traag waren? Probeer eens een dag ruimtewetenschapper te zijn.

De enorme afstanden die ermee gemoeid zijn, zullen de datasnelheden tot een straaltje beperken. Je hebt geluk als een ruimtevaartuig meer dan een paar megabits per seconde (Mbps) kan verzenden - een schijntje, zelfs volgens inbelstandaarden.

Maar misschien staan ​​we aan de vooravond van een verandering. Net zoals de overstap van inbelverbinding naar breedband een revolutie teweegbracht in het internet en hoge resolutie foto's en streaming video tot een gegeven maakte, NASA is mogelijk klaar om de komende jaren een soortgelijk "breedband" -moment te ondergaan.

De sleutel tot die datarevolutie zullen lasers zijn. Al bijna 60 jaar, de standaardmanier om met ruimtevaartuigen te 'praten' was met radiogolven, die ideaal zijn voor lange afstanden. Maar optische communicatie, waarin gegevens over laserlicht worden gestraald, kan dat percentage met wel 10 tot 100 keer verhogen.

Hoge datasnelheden stellen onderzoekers in staat sneller wetenschap te verzamelen, plotselinge gebeurtenissen bestuderen, zoals stofstormen of landingen van ruimtevaartuigen, en zelfs video verzenden vanaf het oppervlak van andere planeten. De uiterste precisie van lasercommunicatie is ook zeer geschikt voor de doelen van NASA-missieplanners, die ruimtevaartuigen verder het zonnestelsel in willen sturen.

"Lasertechnologie is ideaal voor het stimuleren van downlinkcommunicatie vanuit de verre ruimte, " zei Abi Biswas, de supervisor van de Optical Communications Systems-groep bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californië. "Het zal uiteindelijk toepassingen mogelijk maken zoals het geven van elke astronaut zijn of haar eigen videofeed, of het terugsturen van een hogere resolutie, gegevensrijke afbeeldingen sneller."

Wetenschap met de snelheid van het licht

Zowel radio als lasers reizen met de snelheid van het licht, maar lasers reizen in een hogere frequentiebandbreedte. Daardoor kunnen ze meer informatie vervoeren dan radiogolven, wat cruciaal is als je enorme hoeveelheden gegevens verzamelt en weinig tijd hebt om het terug naar de aarde te sturen.

Een goed voorbeeld is NASA's Mars Reconnaissance Orbiter, die wetenschappelijke gegevens verzendt met een laaiend maximum van 6 Mbps. Biswas schatte dat als de orbiter lasercommunicatietechnologie zou gebruiken met een massa- en stroomverbruik vergelijkbaar met zijn huidige radiosysteem, het zou waarschijnlijk de maximale gegevenssnelheid kunnen verhogen tot 250 Mbps.

Dat klinkt misschien nog steeds verbluffend traag voor internetgebruikers. Maar op aarde, gegevens worden verzonden over veel kortere afstanden en via infrastructuur die nog niet in de ruimte bestaat, dus het gaat nog sneller.

Door de datasnelheden te verhogen, kunnen wetenschappers meer van hun tijd besteden aan analyse dan aan operaties van ruimtevaartuigen.

"Het is perfect als dingen snel gaan en je een dichte dataset wilt, " zei Dave Pieri, een JPL-onderzoeker en vulkanoloog. Pieri heeft in het verleden onderzoek gedaan naar hoe lasercommunicatie kan worden gebruikt om vulkaanuitbarstingen en bosbranden in bijna realtime te bestuderen. "Als je een vulkaan voor je neus ziet exploderen, je wilt het activiteitsniveau en de neiging om te blijven uitbarsten beoordelen. Hoe eerder u die gegevens krijgt en verwerkt, des te beter."

Diezelfde technologie zou kunnen worden toegepast op uitbarstende cryovulkanen op ijzige manen rond andere planeten. Pieri merkte op dat vergeleken met radio-uitzending van gebeurtenissen als deze, "Lasercommunicatie zou de ante met een orde van grootte verhogen."

De toekomst van lasers vertroebelen

Dat wil niet zeggen dat de technologie perfect is voor elk scenario. Lasers zijn onderhevig aan meer interferentie van wolken en andere atmosferische omstandigheden dan radiogolven; wijzen en timing zijn ook uitdagingen.

Lasers hebben ook grondinfrastructuur nodig die nog niet bestaat. NASA's Deep Space-netwerk, een systeem van antenne-arrays over de hele wereld, is volledig gebaseerd op radiotechnologie. Er zouden grondstations moeten worden ontwikkeld die lasers kunnen ontvangen op locaties waar de lucht betrouwbaar helder is.

Radiotechnologie zal niet verdwijnen. Het werkt bij regen of zonneschijn, en zal effectief blijven voor gebruik met weinig gegevens, zoals het geven van opdrachten aan ruimtevaartuigen.

Volgende stappen

Twee aanstaande NASA-missies zullen ingenieurs helpen de technische uitdagingen te begrijpen die betrokken zijn bij het uitvoeren van lasercommunicatie in de ruimte. Wat ze zullen leren, zal lasers vooruit helpen om in de toekomst een veel voorkomende vorm van ruimtecommunicatie te worden.

De demonstratie van lasercommunicatierelais (LCRD), geleid door NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zal naar verwachting in 2019 worden gelanceerd. LCRD zal het doorgeven van gegevens demonstreren met behulp van laser- en radiofrequentietechnologie. Het zal bijna 25 lasersignalen uitzenden, 000 mijl (40, 000 kilometer) van een grondstation in Californië naar een satelliet in een geostationaire baan, stuur dat signaal dan door naar een ander grondstation. JPL ontwikkelt een van de grondstations op de Tafelberg in Zuid-Californië. Testen van lasercommunicatie in een geostationaire baan, zoals LCRD zal doen, heeft praktische toepassingen voor gegevensoverdracht op aarde.

Deep Space optische communicatie (DSOC), geleid door JPL, is gepland voor lancering in 2023 als onderdeel van een aanstaande NASA Discovery-missie. Die missie, Psyche, zal vliegen naar een metalen asteroïde, lasercommunicatie testen vanaf een veel grotere afstand dan LCRD.

De Psyche-missie is gepland om het DSOC-laserapparaat aan boord van het ruimtevaartuig te vervoeren. Effectief, de DSOC-missie zal proberen een roos te raken met een laser uit de diepe ruimte - en vanwege de rotatie van de planeet, het zal een bewegend doel raken, ook.

Eerdere en toekomstige NASA-projecten met lasercommunicatie:

Naam:Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD)

Onder leiding van:Goddard Space Flight Center

Jaar 2013

Doelstelling:Was NASA's eerste systeem voor tweerichtingscommunicatie met een laser in plaats van radiogolven. Een foutloze uplink-datasnelheid van 20 Mbps verzonden van een primair grondstation in New Mexico naar NASA's Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), een ruimtevaartuig dat in een baan om de maan draait. Demonstreerde een foutloze downlinksnelheid van 622 Mbps - het equivalent van het streamen van 30 kanalen HDTV vanaf de maan.

Naam:Optical Payload voor Lasercomm Science (OPALS)

Onder leiding van:JPL

Jaar:2014

Doel:lasercommunicatie testen vanuit het internationale ruimtestation. Elke 3,5 seconden een videobestand gestraald gedurende in totaal 148 seconden. Met traditionele downlink-methoden, het slechts één keer verzenden van de 175 megabit-video zou 10 minuten hebben geduurd.

Naam:Demonstratie van lasercommunicatierelais (LCRD)

Onder leiding van:Goddard Space Flight Center

Jaar:2019

Doelstelling:Zal ​​lasersignalen doorgeven tussen telescopen op de Tafelberg, Californië, en in Hawaï via een relaissatelliet in een geostationaire baan tijdens een demonstratieperiode van twee jaar. Het systeem is ontworpen om tot vijf jaar te werken om de dagelijkse betrouwbaarheid van lasercommunicatie voor toekomstige NASA-missies te bewijzen.

Naam:Deep Space Optical Communications (DSOC)

Onder leiding van JPL

Jaar:2023

Doel:lasercommunicatie testen vanuit de verre ruimte. Een aanstaande NASA Discovery-missie genaamd Psyche zal vanaf 2023 naar een metalen asteroïde vliegen. Psyche is gepland om een ​​laserapparaat genaamd DSOC te hosten, die gegevens naar een telescoop van het Palomar Mountain Observatory in Californië zou sturen.