Satellieten worden steeds belangrijker in ons leven, omdat ze ons helpen te voldoen aan een vraag naar meer gegevens, uitgewisseld bij hogere snelheden. Daarom onderzoeken we nieuwe manieren om satellietcommunicatie te verbeteren.

Satelliettechnologie wordt gebruikt om te navigeren, het weer voorspellen, de aarde vanuit de ruimte volgen, ontvang tv-signalen vanuit de ruimte, en maak verbinding met afgelegen plaatsen via tools zoals satelliettelefoons en NBN's Sky Muster-satellieten.

Al deze communicatie maakt gebruik van radiogolven. Dit zijn elektromagnetische golven die zich door de ruimte voortplanten en, tot op zekere hoogte, door obstakels zoals muren.

Elk communicatiesysteem gebruikt een daarvoor toegewezen frequentieband, en elke band maakt deel uit van het elektromagnetische spectrum - dat is de naam die wordt gegeven aan het bereik van alle soorten elektromagnetische straling.

Maar het elektromagnetische spectrum dat we met de huidige technologie kunnen gebruiken, is een eindige hulpbron, en is nu helemaal bezet. Dit betekent dat oude diensten plaats moeten maken voor nieuwe, of hogere frequentiebanden moeten worden gebruikt.

Hoewel dit technologische uitdagingen met zich meebrengt, een veelbelovende weg vooruit is optische communicatie.

Communicatie met lasers

In plaats van radiogolven te gebruiken om de informatie te vervoeren, we kunnen licht van lasers als drager gebruiken. Hoewel technisch gezien nog steeds onderdeel van het elektromagnetische spectrum, optische frequenties zijn aanzienlijk hoger, wat betekent dat we ze kunnen gebruiken om gegevens met hogere snelheden over te dragen.

Echter, een nadeel is dat een laser zich niet door muren kan voortplanten, en kan zelfs worden geblokkeerd door wolken. Hoewel dit op aarde problematisch is, en voor communicatie tussen satellieten en de aarde, het is geen probleem voor communicatie tussen satellieten.

Op aarde, optische communicatie via glasvezelkabels verbindt continenten en zorgt voor enorme gegevensuitwisseling. Dit is de technologie die de cloud mogelijk maakt, en te leveren onlinediensten.

Optische communicatie tussen satellieten maakt geen gebruik van glasvezelkabels, maar houdt in dat licht zich door de ruimte voortplant. Dit heet "vrije ruimte optische communicatie, " en kan worden gebruikt om niet alleen gegevens van satellieten naar de grond te brengen, maar ook om satellieten in de ruimte te verbinden.

Met andere woorden, optische communicatie in de vrije ruimte zal dezelfde enorme connectiviteit bieden in de ruimte die we al op aarde hebben.

Sommige systemen, zoals het European Data Relay System, zijn al operationeel, en anderen, zoals Starlink van SpaceX, worden verder ontwikkeld.

Maar er zijn nog veel uitdagingen te overwinnen, en we worden beperkt door de huidige technologie. Mijn collega's en ik werken aan het maken van optische, evenals radiofrequentie, datalinks nog sneller en veiliger.

CubeSats

Tot dusver, er is veel energie gestoken in het onderzoek en de ontwikkeling van radiofrequentietechnologie. Dit is hoe we weten dat de datasnelheden hun hoogste fysieke limiet hebben en niet verder kunnen worden verhoogd.

Terwijl een enkele radiofrequentieverbinding datasnelheden van 10 Gbps kan bieden met grote antennes, een optische verbinding kan 10 tot 100 keer hogere snelheden halen, met behulp van antennes die 10 tot 100 keer kleiner zijn.

Deze kleine antennes zijn in feite optische lenzen, en dankzij hun compacte formaat kunnen ze worden geïntegreerd in kleine satellieten die CubeSats worden genoemd.

CubeSats zijn niet groter dan een schoenendoos of broodrooster, maar kan gebruik maken van snelle dataverbindingen naar andere satellieten of de grond.

Ze worden momenteel gebruikt voor een breed scala aan taken, waaronder aardobservatie, communicatie en wetenschappelijke experimenten in de ruimte. En hoewel ze niet alle diensten vanuit de ruimte kunnen leveren, ze spelen een belangrijke rol in huidige en toekomstige satellietsystemen.

Een ander voordeel van optische communicatie is de verhoogde veiligheid. Het licht van een laser vormt een smalle bundel, die moet worden gericht van een zender naar een ontvanger. Omdat deze bundel erg smal is, de communicatie interfereert niet met andere ontvangers en het is erg moeilijk, zo niet onmogelijk, om de communicatie af te luisteren. Dit maakt optische systemen veiliger dan radio-elektromagnetische systemen.

Optische communicatie kan ook worden gebruikt voor Quantum Key Distribution. Deze technologie maakt de absoluut veilige uitwisseling van coderingssleutels mogelijk voor veilige communicatie.

Wat kunnen we hiervan verwachten?

Hoewel het spannend is om systemen voor de ruimte te ontwikkelen, en om satellieten te lanceren, het echte voordeel van satellietsystemen wordt op aarde gevoeld.

Hogesnelheidscommunicatie via optische datalinks zal de connectiviteit voor ons allemaal verbeteren. Opmerkelijk, afgelegen gebieden die momenteel relatief trage verbindingen hebben, zullen betere toegang krijgen tot gezondheid op afstand en leren op afstand.

Dankzij betere datalinks kunnen we ook afbeeldingen en video's vanuit de ruimte leveren met minder vertraging en een hogere resolutie. Dit zal de manier waarop we onze middelen beheren, verbeteren, inclusief water, landbouw en bosbouw.

Ze zullen ook essentiële realtime informatie verstrekken in rampscenario's zoals bosbranden. De potentiële toepassingen van optische communicatietechnologie zijn enorm.

Kennis samenbrengen

Werken in optische satellietcommunicatie is een uitdaging, omdat het veel verschillende velden en onderzoeksgebieden combineert, waaronder telecommunicatie, fotonica en productie.

Momenteel, onze technologie is verre van het bereiken van wat theoretisch mogelijk is, en er is veel ruimte voor verbetering. Daarom is er een sterke focus op samenwerking.

In Australië, er zijn twee grote programma's die dit mogelijk maken:de Australian Space Agency, gerund door de federale overheid, en het SmartSat Coöperatief Onderzoekscentrum (CRC), ook ondersteund door de federale overheid.

Via het SmartSat CRC-programma, mijn collega's en ik zullen de komende zeven jaar een reeks toegepaste onderzoeksproblemen op dit gebied aanpakken.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.