وكالة ناسا تختبر تقنية  “الليزر الفضائي” للجيل التالي للاتصالات

مركبة الفضاء (Psyche) الخاصة بناسا ستختبر بروتوكول اتصالات الليزر مع محطات الأرض باستخدام أنبوب على سطح جسم المركبة الفضائية، غطاء لتجربة اتصالات الليزر.

بفضل موجات الراديو S-band، تمكن العالم من المشاركة مباشرة في مشاهدة رواد فضاء أبولو 11 وهم يسيرون على سطح القمر. كانت صور الفيديو مشوشة، وكان الصوت مليئًا بالضوضاء، لكنها كانت حقيقية، شاهدها نصف مليار شخص على الأرض عندما قال نيل أرمسترونج، “هذه خطوة صغيرة للإنسان …”

من ناحية أخرى، كانت الإشارة ضعيفة جدًا لدرجة أن ملايين الأشخاص اضطروا إلى السؤال، “ماذا قال؟”

إذا كانت وكالة ناسا قادرة على إرسال إشارات عبر نطاق الموجات الراديو من الطيف الكهرومغناطيسي، فلماذا لا تستخدم ترددات أخرى؟ على وجه الخصوص، تقول الوكالة إن عمليات الإرسال بالليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة يمكن أن تحمل من 10 إلى 100 مرة من البيانات أكثر من الإشارات اللاسلكية التي كانت الدعامة الأساسية للاستكشاف الفضائي.

“هناك المزيد من المهمات التي تتجه إلى الفضاء العميق أكثر من أي وقت مضى”، قالت Tawnya Laughinghouse، مديرة برنامج مهام عرض التكنولوجيا في ناسا، خلال مؤتمر مع الصحفيين. “ومن المتوقع أن ينقلوا كميات كبيرة من البيانات العلمية والقياسات المعقدة، بما في ذلك صور وفيديوهات فائقة الجودة، مما يزيد بشكل كبير من النطاق الترددي المطلوب.”

أحدث اختبارات وكالة ناسا للاتصالات بالليزر سيتم تنفيذه على متن مهمة Psyche، وهي مسبار لكويكب غني بالمعادن خارج مدار المريخ، ومن المقرر إطلاقه من فلوريدا هذا الشهر على صاروخ SpaceX Falcon Heavy. يحمل المركب الفضائي هوائي اتجاهي عالي الكسب بطول 2 متر وثلاثة هوائيات اتجاهي منخفض الكسب، لإرسال واستقبال البيانات بشكل أساسي عبر الراديو X-band. وبهذه الطريقة، فهي تشبه العديد من المركبات الفضائية الأخرى. ولكن على متن Psyche يوجد تجميع يسمى DSOC – وهو اختصار لـ Deep Space Optical Communications. يتضمن ليزر الأشعة تحت الحمراء (المرسل) وكاميرا عد الفوتونات (المستقبل) متصلة بتلسكوب 22 سم – وهو في الأساس تلسكوب بصري تم تكوينه ليعمل كهوائي.

بينما تشغل الموجات الراديوية نطاقًا واسعًا يتراوح من 3 هرتز إلى 3000 جيجا هرتز، تعمل إشارات الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء عند حوالي 300 تيراهيرتز، مما يمكّن المهندسين من حزم المزيد من البيانات بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، توفر أشعة الليزر ميزة التماسك، مما يسمح بالتوجيه الدقيق والتشتت الضئيل مقارنة بالموجات الراديوية.

بالنسبة لمهمة Psyche التي مدتها عامان، سيتم إرسال الإشارات من منشأة Table Mountain التابعة لمختبر الدفع النفاث بالقرب من رايتوررد، كاليفورنيا، شمال شرق لوس أنجلوس. بالنسبة لمحطة الاستقبال، اختار الباحثون حلًا 

رائعًا: لقد قاموا ببناء مجموعة مبردة بالتبريد بالغاز ليتم تركيبها على تلسكوب “هيل” الشهير 5.1 متر، الذي كان أكبر تلسكوب في العالم، ويقع على بعد ساعات بالسيارة.

قال جيف فولوسين، رئيس الاتصالات الفضائية في ناسا،” إحدى المزايا الكبيرة بالنسبة لنا هي أن البنية التحتية التي نحتاجها، سواء على المركبة الفضائية أو على الأرض للاتصالات الضوئية تتقلص.” هذا أسهل على مصممي المركبات الفضائية، كما أنه أسهل بالنسبة لنا على الجانب الاستثماري لبناء جميع المحطات الطرفية التي تكون أكثر قدرة من أي من هوائيات الراديو التي لدينا اليوم”.

 تُعد مركبة ناسا “psyche” قيد التحضير هنا في غرفة نظيفة قبل إطلاقها. تقع تجربة الاتصال بالليزر في الأنبوب والعبوة الملفوفة برقائق القصدير.

لو كانت حقا بهذه السهولة، فإن المركبة الفضائية ستستخدم بالفعل اتصالات الليزر بشكل روتيني. في الحقيقة، حاول المهندسين فعل هذا لعقود.  منذ زمن طويل يعود لسنة 1965 حاول رواد الفضاء “Gemini VII” وفشلوا في الارسال من مدار باستخدام ليزر محمول يزن 3 كيلو جرام، قبل وقت طويل من وجود التكنولوجيا لإرسال إشارات الليزر بموثوقية. كانت التجارب الحديثة أكثر نجاحًا: على سبيل المثال، في عام 2013، تم إرسال إشارات الليزر بنجاح من وإلى قمر صناعي في مدار القمر يسمى LADEE. شملت اختبارات أخرى الأقمار الصناعية في المدار الجغرافي المتزامن، وآملًا في وقت لاحق من هذا العام، أنها ستشمل محطة الفضاء الدولية. تعد مهمة كويكب Psyche أول من يحاول الاتصالات الضوئية مع مركبة فضائية في الفضاء العميق.

الإشارات الضوئية ليست مثالية للاتصالات. من بين أمور أخرى ، يسهل حجب الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء بواسطة الغيوم أو الدخان ؛ ستحتاج أجهزة الإرسال والاستقبال الأرضية إلى أن تكون في الصحاري أو على قمم الجبال ، تمامًا كما هو الحال بالفعل في العديد من المراصد. لن ينتقل معظم الإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى عبر الغلاف الجوي للأرض.

استقبال وفك تشفير إشارة الليزر Psyche” هو عمل فريق في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا، في كاليفورنيا. تقول Meera Srinivasan ، قائد عمليات الأنظمة الأرضية: “يتم نقل المعلومات في أوقات وصول دقيقة لهذه الفوتونات”. “لذلك ما قمنا بتثبيته هناك هو مجموعة من كاشفات الأسلاك النانوية الفائقة التوصيل. تعمل في درجات حرارة مبردة تسمح لها بحساب هذه الفوتونات الفردية بكفاءة عالية جدًا، وبالتزامن مع الإلكترونيات المتخصصة التي تم بناؤها لاحقًا، سنستطيع تحديد توقيت وصول هذه الفوتونات بدقة تصل إلى أقل من النانو ثانية، والذي يعتبر أقل من جزء من المليار من الثانية.”

تلك الدقة تجعل الاتصال الضوئية معقدة، ولكن الهندسة قامت بأشياء كثيرة كانت أكثر صعوبة. يمكن أن تكون اجهزة إرسال واستقبال الليزر على المركبات الفضائية أصغر حجمًا من نظرائها الراديوية، مما يعني وجود كتلة أقل واستهلاك وقود أقل وتكلفة أقل لإطلاقها. وهي بحاجة إلى طاقة أقل. يمكن أن تكون معدات الأرض أصغر حجمًا أيضًا، وهو ميزة لشبكة الفضاء العميقة التابعة لناسا، التي تتميز هوائياتها ذات القطر 70 مترًا بأنها معقدة ومكلفة وفي النهاية ستحتاج إلى استبدالها.

إلى أين سيقودنا كل هذا؟ ان الاستخدامات في الفضاء والأرض تفوق قدرة أي شخص على التنبؤ، ولكن إليك ما هو قادم: وضعت ناسا جهاز إرسال واستقبال بالليزر على Artemis II، ومن المقرر حاليًا إطلاقه بحلول نهاية عام 2024 – وهي أول سفينة تنقل رواد فضاء حول القمر منذ أبولو. إذا نجح، فسيكون قادرًا على إرسال فيديو ملون مباشر بدقة 4K وأكثر من ذلك بكثير. ستكون الصور واضحة. لن يكون هناك أي توقف. سيكون حقيقيا. 

المصدر:

IEEE Spectrum

NASA Tests Space Lasers for Next-Gen Communications

الترجمة:

أحمد عمر فرحات

التدقيق والمراجعة:

إسراء أبوشهيوة