Космические лазеры на мирной службе

По материалам The Verge

Коммуникационную инфраструктуру легко воспринимать как нечто само собой разумеющееся – но лишь до того момента, пока вам не понадобится сделать важный звонок, а у вас при этом не будет доступа к сотовой связи. Но если вам кажется, что на Земле все плохо, представьте, насколько хуже обстоят дела в космосе.

Космические корабли НАСА в основном общаются с инженерами и учеными на Земле с помощью системы под названием Deep Space Network, или DSN, которая в течение последних 60 лет отвечала за отправку жизненно важных инструкций космическим кораблям и получение от них ценных данных.

Однако эта сеть стареет. Устаревшее оборудование с трудом справляется с постоянно растущей нагрузкой. Космических миссий становится все больше, и это перегружает сеть до предела, а число потерянных часов, которые могли бы быть потрачены на научные наблюдения, во время таких крупных миссий, как «Артемида-1», уже идет на тысячи.

Существующая система радиосвязи не способна удовлетворить амбициозные планы НАСА, такие как отправка большего количества миссий в дальний космос и высадка людей на Луну. Чтобы иметь надежную высокоскоростную связь в космосе для обеспечения будущих исследований, по мнению специалистов, нужно что-то новое. Пришло время обратиться к лазерам.

Глобальная космическая сеть

Аппаратное обеспечение DSN состоит из нескольких тарелок, или антенн, расположенных в трех точках: в Голдстоуне, штат Калифорния, США, в Мадриде, Испания, и в Канберре, Австралия. Эти места были выбраны таким образом, чтобы, несмотря на вращение Земли относительно космического корабля, находящегося в глубоком космосе, по крайней мере, в одной точке можно было принимать его сообщения.

DSN в настоящее время используется более чем 40 миссиями, принадлежащими не только НАСА, но и их партнерам, например, космическим агентствам Европы и Южной Кореи. Сеть передает данные с таких удаленных космических аппаратов, как зонды «Вояджер», в настоящее время исследующие межзвездное пространство, и станция «Новые горизонты», находящаяся за орбитой Плутона. Сюда также входят крупные научные миссии, такие как марсоходы Perseverance и Curiosity, и даже телескопы, такие как «Джеймс Уэбб».

Вы можете получить представление о том, сколько миссий передают данные с Земли туда и обратно по DSN, взглянув на программу DSN Now , которая показывает в режиме реального времени, какие антенны от каких миссий получают данные. Новые инструменты собирают больше данных, чем когда-либо прежде: «Джеймс Уэбб», например, собирает и передает данные примерно в 50 раз быстрее, чем старый космический телескоп «Хаббл». Все эти данные необходимо передать обратно на Землю, и это создает нагрузку на систему.

Критическая перегрузка

Справедливо будет сказать, что данных слишком много для сети и она не справляется с их обработкой. Она нужна большему количеству миссий, чем может обеспечить, причем спрос со стороны космических миссий на 40 процентов превышает возможности сети. Представители НАСА и члены комитета описали ситуацию как достижение «критической точки» и «пожарную тревогу наивысшей степени».

У этой проблемы нет простого решения. Аудит DSN, проведенный Канцелярией генерального инспектора НАСА в начале года, показал, что дефицит достигнет 50 процентов и справиться с ним реально только к 2030-м годам.

На недавнем заседании Совета по космическим исследованиям 14 ноября представитель НАСА, курирующий программу космической связи и навигации агентства, Джефф Волосин признал, что существует проблема поиска баланса конкурирующих потребностей в DSN. Например, попытки осуществлять передачу данных от научных миссий, таких как «Джеймс Уэбб», одновременно с миссией «Артемида-1».

«Необходимость обеспечивать миссию “Артемида” нашими 34-метровыми [дальними космическими] антеннами действительно повлияла на нашу способность одновременно оказывать поддержку научной миссии», — сказал Волосин. Фактически это означает потерю времени в таких миссиях, как «Уэбб», часы простоя в наблюдениях, которые невозможно провести, потому что данные не могут быть переданы.

В будущем проблема будет только усугубляться, поскольку НАСА расширяет свои планы по полетам на Луну, включая отправку туда экипажа. DSN страдает от сокращения бюджета, и если говорить о будущих лунных миссиях в ближайшие 10–15 лет, «возникнет проблема, когда нашей пропускной способности не всегда будет хватать», — заявляет Волосин.

Также большая часть оборудования DSN, в том числе и созданное в 1960-х годах, устарело и пострадало от того, что необходимое обслуживание много лет переносилось. Специалисты утверждают, что DSN необходимо признать критически важной инфраструктурой, без которой освоение космоса в том виде, в котором оно сейчас возможно, не сможет продолжаться.

«Это драгоценность человечества, — говорит Джейсон Митчелл, руководитель программы НАСА “Космическая связь и навигация” (SCaN). – Если подумать о том, чего мы смогли достичь и развить с точки зрения понимания нашей Вселенной и нашего места в ней — это, несомненно, критически важный элемент. Мне трудно выразить яснее, насколько, по моему мнению, это значимо как достояние человечества».

Повысить пропускную способность

Есть надежда, что ряд проблем с пропускной способностью можно решить за счет использования коммерческих услуг связи. НАСА изучает возможность использования таких вариантов, как сеть Starlink от SpaceX для связи на низкой околоземной орбите (хотя неясно, как долго правительство будет поддерживать дружбу со SpaceX Илона Маска, учитывая его эксцентричные заявления).

Однако для полетов в дальний космос единственным реальным вариантом являются государственные проекты. НАСА строит систему связи под названием Lunar Exploration Ground Sites, или LEGS, состоящую из 18-метровых антенн для использования в лунных миссиях. А DSN находится в процессе модернизации до шести 34-метровых антенн, по две на каждой из трех площадок, хотя в настоящее время эта модернизация на несколько лет отстает от первоначального графика.

Есть также несколько способов максимально эффективно использовать текущую систему DSN. Например, при наличии нескольких миссий на Марс можно иметь три или четыре разных марсохода или орбитальных аппарата, передающих данные, которые принимаются только одной антенной, поскольку каждая миссия работает на своем собственном канале. В рамках DSN также проводятся эксперименты по разгрузке от таких задач, как GPS и синхронизация, что может помочь снизить общую нагрузку на сеть.

Однако в долгосрочной перспективе более высокие запросы потребуют нового подхода к коммуникациям в целом. При ограниченном бюджете нелегко найти деньги на такого рода эксперименты. Но это необходимо для поддержки долгосрочной деятельности агентства. «Это сложная задача, потому что вы балансируете между долларами, которые нужны вам сегодня, и долларами, которые потенциально понадобятся вам в будущем», — говорит Митчелл.

На долгосрочную перспективу

Чтобы получить больше от системы связи, вам необходимо увеличить полосу пропускания сигнала, и сделать это можно, используя более высокую частоту. В этом заключается идея применения лазерной связи, также известной как оптическая связь, вместо радиоволн. Они передают информацию в ближней инфракрасной части электромагнитного спектра, доставляя данные, закодированные в частицы света, называемые фотонами. Это может увеличить доступную полосу пропускания на порядок по сравнению с использованием радиосвязи.

Это поможет снизить нагрузку на DSN при передаче данных для большего количества миссий. «Единственный способ в ближайшем будущем реализовать имеющийся сейчас потенциал, — это оптический, — объясняет Митчелл. — Даже если говорить о пиковых сценариях, когда у вас есть несколько высокоприоритетных миссий в одной и той же части неба, это не такая большая нагрузка, потому что так вы можете передать тот же объем данных за меньшее время и при этом обслуживать все эти миссии».

Однако для лазерной связи предъявляются иные требования к аппаратному обеспечению, чем для радиосвязи, поэтому в последнее десятилетие НАСА начало разрабатывать демонстрационные системы, которые помогут протестировать эту новую возможность. Для DSN идеальным сценарием является модернизация существующего оборудования для работы как с радио, так и с лазером по мере необходимости.

«У нас есть большие 34-метровые антенны для DSN, и они уже обладают всеми возможностями для перемещения и наведения. У нас реально точное наведение. Поэтому наша цель — добавить возможности оптических систем, чтобы мы могли одновременно осуществлять радиочастотную и оптическую связь», — говорит Эми Смит, заместитель менеджера по DSN в Лаборатории реактивного движения НАСА.

Сейчас инфраструктура DSN уже подходит для таких функций, как перемещение антенн и передача и распределение данных. Это может значительно удешевить адаптацию существующего оборудования для оптической связи вместо строительства новых объектов. «Мы думаем, что это примерно половина стоимости создания автономного оптического приемника», — говорит Смит.

Разработка гибридной системы

Однако адаптировать для оптической связи антенну, предназначенную для радиосвязи, не означает просто приделать новую коробку к большой тарелке. Запланированная модернизация будет заключаться в добавлении ряда управляемых стеклянных зеркал к центру антенны. Они смогут перемещаться с целью выполнения мелких точных настроек, необходимых для лазерной связи.

Эти зеркала перенаправляют поступающий свет к верхней части антенны, называемой апексом, в приемник, из которого сигнал может поступать через основание тарелки к месту назначения.

Дополнительное оборудование для лазерной связи займет часть тарелки, которая в настоящее время предназначена для радиосвязи, но это лишь небольшая ее часть прямо в центре, поэтому это незначительно повлияет на использование этой антенны для радиосвязи.

Но большим преимуществом этого гибридного подхода является то, что он позволяет одновременно использовать радио и лазерную связь. «Наличие возможности применять оба вида связи дает вам универсальность, когда вы можете разговаривать на радиочастотах по восходящей линии связи и одновременно использовать высокоскоростную нисходящую линию связи для научных целей благодаря всего лишь одной антенне», — объясняет Смит.

Эти обновления позволят значительно увеличить пропускную способность сети. Использование оптической связи вместе с радио позволит передавать примерно в 60 раз больше данных на дистанции, равной расстоянию до Марса. Это было бы полезно для будущих миссий с экипажем, которым, возможно, потребуется отправлять видеозаписи астронавтов за работой, аналогичные кадрам с Международной космической станции, а также для научных миссий, использующих все более сложные инструменты.

Испытание новой системы в глубоком космосе

Лазерная связь часто используется и хорошо изучена на Земле и в околоземном пространстве — и теоретически системы должны быть способны работать и в глубоком космосе. Но теория – это одно, а создание и использование полностью надежной системы – совсем другое.

В течение последних нескольких лет НАСА экспериментировало с небольшими демонстрациями технологий оптической связи в миссиях на Международной космической станции и на Луне. В этом году агентство запустило самый дальний тест оптической связи с демо-устройством под названием Deep Space Optical Communications, или DSOC, которое путешествует вместе с космическим аппаратом «Психея», запущенным в октябре.

DSOC — это, по сути, небольшой телескоп, прикрепленный к космическому аппарату, который может отправлять и получать оптический сигнал. Он включается раз в неделю, чтобы передавать данные, пока космический корабль проходит через Солнечную систему к астероиду в главном поясе, и проверять, можно ли получить сигнал в Паломарской обсерватории в Калифорнии.

14 ноября DSOC впервые смог зафиксировать лазерный сигнал, передаваемый с Земли, и отправить данные обратно по нисходящей линии, в то время как космический корабль находился почти в 16 миллионах километров от Земли. Испытания будут продолжаться в течение следующих двух лет на расстояниях до 400 млн км, стремясь к скорости передачи данных в 10–100 раз выше, чем при использовании радио.

Самая большая проблема на таких расстояниях — правильно выровнять космический корабль и приемник, что технически называется наведением. Радиопередачи распространяются на большую территорию, а природа лазера такова, что его цель намного меньше по площади, поэтому ему необходимо гораздо точнее совместиться с приемником. Даже небольшие изменения в положении космического корабля могут отклонить луч от курса на несколько километров, поэтому для каждой передачи требуется лазерный сигнал с земли, на который может навестись передатчик космического корабля.

А из-за того, что свету требуется время на прохождение, наведение усложняется по мере удаления космического корабля от Земли. Команда DSOC смоделировала, как учесть этот возрастающий угол упреждения, но никто раньше не пробовал использовать лазерную связь на таких расстояниях.

«Каждый раз, когда вы пытаетесь сделать что-то новое, появляются вещи, которых вы не ожидали или не учитывали при проектировании», — говорит Эби Бисвас, технолог проекта DSOC в Лаборатории реактивного движения НАСА.

Оптическая связь и новые вызовы

Если эксперимент DSOC пройдет успешно, вероятно, пройдет от 10 до 15 лет, прежде чем оптическая связь будет готова к массовому использованию. Дело в том, что одной из самых больших проблем в космических миссиях является надежность, а радио надежно используется на протяжении десятилетий. Но даже если оптику можно будет уверенно использовать, она все равно не сможет полностью заменить радио.

Оптическая связь имеет свои недостатки, несмотря на очевидное преимущество более высокой пропускной способности. Самой насущной проблемой является облачный покров, поскольку лазерные лучи не могут проникнуть через слои облаков в атмосфере Земли. Приемники должны располагаться в регионах с хорошей погодой, но даже в этом случае агентствам все равно потребуется радиосвязь в качестве резервного способа.

«По мере развития этой технологии — через 50–100 лет, когда мы приобретем больше опыта развертывания объектов в космосе, — лучшим местом для размещения приемника будет космос», — говорит Бисвас. Так приемник окажется над облаками, что облегчит передачу данных с орбиты в космос.

Другая проблема заключается в том, что если на космическом корабле возникает какая-либо проблема, он часто переходит в безопасный режим, в котором выполняет только необходимые функции, чтобы предотвратить дальнейшие ошибки или повреждения. В это время космический корабль может кувыркаться, поскольку лишен возможности наведения. Радиосвязь может помочь в этой ситуации благодаря широкому лучу, который может передаваться в нескольких направлениях, обеспечивая связь с космическим кораблем.

Однако при использовании оптической связи очень узкий луч передается только в одном направлении. Если корабль перевернется, лазерная связь будет потеряна. В будущем эту проблему можно решить с помощью оптических передатчиков, которые будут перемещаться и отправлять сигналы в нескольких направлениях, но эта технология еще не разработана.

Эти проблемы потенциально решаемы, но в среднесрочной перспективе наиболее реалистично было бы продолжить использование проверенной радиосистемы для телеметрии космического корабля, но дополнить ее оптической системой с высокой пропускной способностью для передачи исследовательских данных.

И что дальше?

Оптическая связь обладает огромным потенциалом, но исследования все еще находятся на ранней стадии. Возможность передавать в 10 или 100 раз больше данных, чем по радиосвязи, звучит идеально, но невозможно узнать, насколько надежны будут эти системы, пока они не будут протестированы в реальных сценариях в течение длительных периодов времени.

«Я первый, кто сказал, что у нас пока не так много долгосрочных данных, — говорит Волосин, глава отдела коммуникаций НАСА. — Как эти лазерные системы будут выглядеть через 5, 10, 15 лет после начала миссии? Эти данные никто не собирал. Итак, мы многому учимся. Но для конкретных научных миссий это может изменить правила игры».

Другой аспект работы DSN заключается в том, что это, по сути, сеть обслуживания миссий космических кораблей. Целью является предоставление услуг связи, но каждая будущая миссия может выбирать, хотят ли они использовать оптическую связь или нет.

«Мы думаем, что как только это будет доказано и люди увидят, сколько данных можно передать через систему оптической связи, она станет очень популярной», — говорит Смит. В любом случае это наиболее перспективный вариант передачи больших объемов данных, которые наверняка будут получены будущими миссиями. Смит продолжает: «Поскольку все технологии становятся более сложными, мы можем генерировать огромные объемы данных. А ученым всегда будет нужно больше данных».

Длительный, постепенный процесс модернизации сети связи — возможно, не самый захватывающий аспект работы НАСА, но именно такие инвестиции имеют решающее значение для исследований и научных открытий.

«Эта скромная часть инфраструктуры оказывается критически важной, — говорит Митчелл. — Наша способность передавать данные напрямую влияет на открытия, которые мы можем сделать, и на знания, которые человечество может создавать для понимания Вселенной и нашего места в ней».