في ديسمبر 2023، بث قمر صناعي صغير مغطى بالذهب مقطع فيديو لقطة برتقالية اللون تدعى تاترز وهي تطارد مؤشر ليزر لأعلى ولأسفل الأريكة. إذا كنت تعتقد أنك لا تتوقف عن التباهي بحيواناتك الأليفة، فقد تم بث مغامرة Taters التي مدتها 15 ثانية من مسافة 19 مليون ميل من الأرض. وبعد بضعة أشهر، كانت الصور ومقاطع الفيديو للحيوانات الأليفة الخاصة بموظفي ناسا تطير عبر الفضاء، معبأة بدقة داخل أشعة الليزر التي استغرقت 101 ثانية للسفر إلى الأرض بسرعة الضوء.
وبصرف النظر عن تفوق كل مالك للحيوانات الأليفة على الأرض، فقد تم تصميم العرض التوضيحي لوكالة ناسا لاختبار أنظمة الاتصالات البصرية كوسيلة لنقل البيانات إلى المركبات الفضائية البعيدة بمعدل أسرع بكثير من موجات الراديو. وقالت ميرا سرينيفاسان، قائدة عمليات الاتصالات الضوئية في الفضاء السحيق (DSOC) التابعة لناسا في مختبر الدفع النفاث (JPL)، لموقع Gizmodo: “لقد كان هذا شيئًا قيد العمل منذ عقود”. “كنا بحاجة إلى تطوير تلك التكنولوجيا وجعلها مناسبة للعمليات، وخاصة في بيئة الفضاء.”
عصر جديد من الاتصالات الفضائية
استغرق الأمر سنوات من البحث والعروض التكنولوجية الأصغر حجمًا التي أرسلت البيانات عبر مسافات أقصر، مثل الأرض إلى القمر، قبل أن تصبح DSOC جاهزة للطيران. تم إطلاق جهاز الإرسال والاستقبال الليزري للطيران DSOC في أكتوبر 2023، وهو متصل بالمركبة الفضائية Psyche (التي تقوم بمهمتها الخاصة لاستكشاف كويكب يحمل نفس الاسم).
بينما تعتمد Psyche على الاتصالات اللاسلكية التقليدية، فإن جهاز الإرسال والاستقبال الليزري DSOC هو أول عرض للاتصال البصري من مسافات بعيدة مثل المريخ. وفي نوفمبر، شاهدت الأداة أول بيانات ضوئية وشعاعية مشفرة داخل ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء من مسافة 10 ملايين ميل تقريبًا من الأرض.
نعم، نحن نتحدث عن أشعة غير مرئية تنتقل بسرعة الضوء، وتحمل بيانات عالية الوضوح من الفضاء السحيق إلى الأرض. وإليك كيفية عملها: تعمل أنظمة الاتصالات البصرية على تجميع البيانات في تذبذبات موجات الضوء في أشعة الليزر، مما يؤدي إلى تشفير الرسالة إلى إشارة بصرية يتم نقلها إلى جهاز الاستقبال من خلال أشعة تحت الحمراء لا تستطيع العين البشرية رؤيتها.
كيف يعمل الاتصال البصري
منذ إطلاق أول قمر صناعي في خمسينيات القرن العشرين، اعتمدت وكالة ناسا وغيرها من وكالات الفضاء على اتصالات الترددات الراديوية لإرسال البيانات من وإلى الفضاء. تعد كل من إشارات الراديو وإشارات الليزر جزءًا من الطيف الكهرومغناطيسي وتنتقل بنفس السرعة، لكن لكل منها أطوال موجية مختلفة. ينقل الليزر البيانات في الجزء القريب من الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي، لذلك يكون طوله الموجي أقصر وتردده أعلى. وهذا يعني أن هناك أطوال موجية للأشعة تحت الحمراء أكبر من أطوال موجات الراديو على مسافة معينة، مما يسمح بتجميع المزيد من البيانات داخل موجات الأشعة تحت الحمراء.
وقال سرينيفاسان: “إنه يؤثر على كمية البيانات التي يمكنك استيعابها”. “ومن الواضح أن ما يفعله ذلك هو أنه يتيح بيانات ذات دقة أعلى لأنه يمكنك إرسال الكثير من البتات في نفس النافذة الزمنية.” تهدف تجربة DSOC إلى إظهار معدلات نقل البيانات أكبر بـ 10 إلى 100 مرة من أنظمة الترددات الراديوية الحالية التي تستخدمها المركبات الفضائية اليوم، وفقًا لوكالة ناسا.
إذا كنت تفكر في فيديو القط العتابي، فإن جهاز الإرسال اللاسلكي التقليدي لشركة Psyche، والذي يبلغ معدل بياناته 360 كيلوبت في الثانية، سيستغرق 426 ثانية لإرسال الفيديو. وفي الوقت نفسه، استغرق جهاز الإرسال والاستقبال الليزري DSOC 0.58 ثانية فقط لنقل الفيديو بمعدل بيانات يبلغ 267 ميجابت في الثانية. ومع ذلك، سيستغرق كل من الراديو والليزر نفس القدر من الوقت للوصول إلى الأرض بسرعة الضوء.
قال سرينيفاسان: “مع الاتصالات البصرية، أنت تستخدم التلسكوبات وأشعة الليزر للتواصل بشكل أساسي، وتقوم بنبض أشعة الليزر هذه”. تحتوي تجربة DSOC على جهاز إرسال واستقبال ليزر للطيران ومحطتين أرضيتين: تلسكوب هيل ذو الفتحة 200 بوصة (5 أمتار) في مرصد بالومار التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في سان دييغو، والذي يعمل كمحطة الوصلة الهابطة، ومختبر تلسكوب الاتصالات البصرية في جبل تيبل التابع لمختبر الدفع النفاث. منشأة في كاليفورنيا، محطة الإرسال.
ترسل محطة الوصلة الصاعدة إشارة ليزر نبضية إلى محطة الرحلة، وهي مجهزة بكاميرا لديها القدرة على حساب الفوتونات الفردية. تستخدم محطة الطيران جهاز الإرسال الأرضي كمنارة، حيث يتم تثبيته للتصويب حيث يتم توجيه شعاع الليزر. وباستخدام جهاز الإرسال الأرضي، ترسل محطة الطيران بياناتها على شكل نبضات ليزر كوصلة هابطة إلى الأرض.
التحديات ومستقبل الليزر الفضائي
يبدو ذلك سهلاً إلى حد ما، فلماذا لم تعتمد ناسا على أشعة الليزر الفضائية الباردة طوال هذا الوقت؟ حسنًا، الاتصالات البصرية لا تخلو من التحديات. عندما يصل شعاع الليزر إلى الأرض، فإنه يكون أضيق بكثير من نظيره الراديوي، حيث يبلغ عرضه بضع مئات من الأميال فقط مقارنة بإشارة راديوية يبلغ عرضها حوالي 1.5 مليون ميل (2.5 مليون كيلومتر). ويتطلب عرضها الضيق دقة أكبر للوصول إلى محطة الاستقبال على الأرض، حيث يتم توجيه شعاع الليزر إلى النقطة التي سيكون فيها التلسكوب الأرضي في مدار الكوكب عند وصول الإشارة إليه.
تم استخدام الاتصال البصري لنقل البيانات من مدار الأرض والقمر، لكن الاختبار الأخير يمثل أبعد مسافة تغطيها أشعة الليزر، حيث تسعى ناسا إلى تحسين مهارات الاتصال الخاصة بها قبل المهام القادمة إلى الفضاء السحيق. ومع ذلك، فإن المسافات الأطول تجعل من الصعب على الليزر الفضائي إصابة هدف على الأرض بدقة، وهو التحدي الأكبر الذي يواجه وكالة ناسا في الاعتماد الكامل على الليزر لتنزيل البيانات من الفضاء السحيق.
بينما تواصل المركبة الفضائية Psyche رحلتها التي تبلغ 2.2 مليار ميل (3.6 مليار كيلومتر) إلى حزام الكويكبات، سيستمر الفريق الهندسي وراء DSOC في إجراء اختبارات نظام الاتصالات وإجراء فحوصات أسبوعية باستخدام جهاز إرسال واستقبال الليزر. كلما ابتعدت Psyche في طريقها إلى هدفها الكويكب، أصبحت إشارة الفوتون الليزري أكثر خفوتًا.
وحتى الآن، حطمت التجربة الأرقام القياسية مع اقترابها من الأرض. في يوليو/تموز، أرسلت DSOC إشارة ليزر من الأرض إلى المركبة الفضائية Psyche من مسافة حوالي 290 مليون ميل (460 مليون كيلومتر)، وهي نفس المسافة بين الأرض والمريخ عندما يكون الكوكبان بعيدًا عن بعضهما البعض.
يتوقع سرينيفاسان من ناسا أن تبدأ البعثات بالاعتماد على الليزر خلال السنوات العشر القادمة أو نحو ذلك، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى بناء تلسكوبات مخصصة للاتصالات البصرية للحصول على عدد من الخيارات للمواقع الأرضية التي يمكنها استقبال البيانات.
وقال سرينيفاسان: “أعتقد أنه سيكون حلاً لكل من (الاتصالات اللاسلكية والليزر)”. “مع الاتصالات بالليزر، فهي قناة ذات معدل بيانات مرتفع تستخدم للحصول على مقاطع فيديو عالية الوضوح وبيانات علمية أكثر ثراءً وما إلى ذلك، ولكن سيكون هناك دائمًا مكان للاتصالات عبر الترددات الراديوية.”