Een experimentele antenne heeft zowel radiofrequentie- als nabij-infrarode lasersignalen ontvangen van NASA's Psyche-ruimtevaartuig terwijl het door de diepe ruimte reist. Dit toont aan dat het mogelijk is dat de gigantische schotelantennes van NASA's Deep Space Network (DSN), die via radiogolven met ruimtevaartuigen communiceren, achteraf kunnen worden uitgerust voor optische of lasercommunicatie.

Door meer gegevens in transmissies te verpakken, zal optische communicatie nieuwe mogelijkheden voor ruimteverkenning mogelijk maken en tegelijkertijd de DSN ondersteunen naarmate de vraag op het netwerk groeit.

De 34 meter lange radiofrequentie-optisch-hybride antenne, genaamd Deep Space Station 13, volgt sinds november 2023 de downlinklaser van NASA's Deep Space Optical Communications (DSOC) technologiedemonstratie. reist mee met het Psyche-ruimtevaartuig van het bureau, dat op 13 oktober 2023 werd gelanceerd.

De hybride antenne bevindt zich in het Goldstone Deep Space Communications Complex van DSN, nabij Barstow, Californië, en maakt geen deel uit van het DSOC-experiment. De DSN, DSOC en Psyche worden beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië.

"Onze hybride antenne is sinds kort na de lancering van de technische demo in staat geweest om met succes en betrouwbaar de DSOC-downlink te volgen en te volgen", zegt Amy Smith, adjunct-manager DSN bij JPL. "Het ontving ook het radiofrequentiesignaal van Psyche, dus we hebben voor het eerst synchrone radio- en optische frequentie-diepe ruimtecommunicatie gedemonstreerd."

Eind 2023 downlinkte de hybride antenne gegevens vanaf een afstand van 32 miljoen kilometer met een snelheid van 15,63 megabits per seconde – ongeveer 40 keer sneller dan radiofrequentiecommunicatie op die afstand. Op 1 januari 2024 downlinkte de antenne een teamfoto die vóór de lancering van Psyche naar DSOC was geüpload.

Twee voor één

Om de fotonen (kwantumlichtdeeltjes) van de laser te detecteren, werden zeven ultraprecieze gesegmenteerde spiegels aan de binnenkant van het gebogen oppervlak van de hybride antenne bevestigd. Deze segmenten lijken op de zeshoekige spiegels van NASA's James Webb-ruimtetelescoop en bootsen de lichtopvangende opening van een telescoop met een opening van 1 meter na. Wanneer de laserfotonen bij de antenne aankomen, reflecteert elke spiegel de fotonen en stuurt ze nauwkeurig door naar een camera met hoge belichting die is bevestigd aan de subreflector van de antenne, die boven het midden van de schotel hangt.

Het door de camera verzamelde lasersignaal wordt vervolgens door een optische vezel verzonden die naar een cryogeen gekoelde halfgeleidende nanodraad-detector voor enkele fotonen wordt gevoerd. De detector is ontworpen en gebouwd door JPL's Microdevices Laboratory en is identiek aan de detector die wordt gebruikt bij Caltech's Palomar Observatory in San Diego County, Californië, dat fungeert als DSOC's downlink-grondstation.

"Het is een optisch systeem met hoge tolerantie, gebouwd op een flexibele structuur van 34 meter", zegt Barzia Tehrani, adjunct-manager communicatie-grondsystemen en leveringsmanager voor de hybride antenne bij JPL. "We gebruiken een systeem van spiegels, nauwkeurige sensoren en camera's om de laser actief uit te lijnen en vanuit de diepe ruimte naar een vezel te sturen die de detector bereikt."

Tehrani hoopt dat de antenne gevoelig genoeg zal zijn om het lasersignaal te detecteren dat vanaf Mars wordt verzonden op het verste punt van de aarde (2,5 maal de afstand van de zon tot de aarde). Psyche zal in juni op die afstand zijn op weg naar de belangrijkste asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter om de metaalrijke asteroïde Psyche te onderzoeken.

De uit zeven segmenten bestaande reflector op de antenne is een proof of concept voor een opgeschaalde en krachtigere versie met 64 segmenten – het equivalent van een telescoop met een opening van 8 meter – die in de toekomst zou kunnen worden gebruikt.

Een infrastructuuroplossing

DSOC maakt de weg vrij voor communicatie met een hogere datasnelheid die complexe wetenschappelijke informatie, video en high-definition beelden kan verzenden ter ondersteuning van de volgende grote stap van de mensheid:mensen naar Mars sturen. Tijdens de technische demo werd onlangs de eerste ultra-high-definition video vanuit de ruimte gestreamd met recordbitrates.

Het achteraf uitrusten van radiofrequentieantennes met optische terminals en het bouwen van speciaal gebouwde hybride antennes zou een oplossing kunnen zijn voor het huidige gebrek aan een speciale optische grondinfrastructuur. De DSN heeft 14 gerechten verdeeld over vestigingen in Californië, Madrid en Canberra, Australië. Hybride antennes zouden kunnen vertrouwen op optische communicatie om grote hoeveelheden gegevens te ontvangen en radiofrequenties te gebruiken voor minder bandbreedte-intensieve gegevens, zoals telemetrie (gezondheids- en positionele informatie).

"Al tientallen jaren voegen we nieuwe radiofrequenties toe aan de gigantische antennes van de DSN die zich over de hele wereld bevinden, dus de meest haalbare volgende stap is het opnemen van optische frequenties", aldus Tehrani. "We kunnen één asset hebben die twee dingen tegelijkertijd doet:onze communicatiewegen omzetten in snelwegen en tijd, geld en middelen besparen."

Geleverd door NASA