NASA alcança troca histórica de dados com experimento de comunicações ópticas no espaço profundo

DSOC, um experimento que pode mudar a forma como as espaçonaves se comunicam, alcançou a “primeira luz”, enviando dados via laser de e para além da Lua pela primeira vez.

O experimento Deep Space Optical Communications (DSOC) da NASA enviou um laser infravermelho próximo codificado com dados de teste de quase 16 milhões de quilômetros de distância – cerca de 40 vezes mais longe do que a Lua está da Terra – para o Telescópio Hale em Palomar. o Instituto de Tecnologia da Califórnia. Observatório no condado de San Diego, Califórnia. Esta é a exibição mais distante de comunicações ópticas.

A bordo da recém-lançada nave espacial Psyche, o DSOC deverá enviar dados de teste de alta largura de banda de volta à Terra durante a sua demonstração tecnológica de dois anos, enquanto Psyche viaja para a principal cintura de asteróides Terra-Terra. Marte E Júpiter. NASAlaboratório de propulsão a jato (Laboratório de Propulsão a Jato_No sul da Califórnia ele dirige o DSOC e o Psyche.

A espaçonave Psyche da NASA é mostrada em uma sala limpa nas instalações de Operações Espaciais da Astrotech, perto do Centro Espacial Kennedy da agência, na Flórida, em 8 de dezembro de 2022. O transceptor laser de aviação coberto de ouro do DSOC pode ser visto, perto do centro, conectado à espaçonave. Crédito: NASA/Ben Smigelski

A demonstração tecnológica alcançou a “primeira luz” nas primeiras horas de 14 de novembro, depois que o Transceptor Laser de Aviação – um instrumento de última geração (veja a imagem abaixo) a bordo do Psyche capaz de enviar e receber sinais infravermelhos próximos – foi instalado em um poderoso farol laser. O uplink foi transmitido do Laboratório de Telescópios de Comunicações Ópticas nas instalações do JPL em Table Mountain, perto de Wrightwood, Califórnia. O farol de uplink ajudou o transceptor a apontar seu laser de downlink para Palomar (100 milhas, ou 130 quilômetros, ao sul da Table Mountain), enquanto os sistemas automatizados no transceptor e nas estações terrestres ajustavam seu apontamento.

O transceptor laser Deep Space Optical Communications (DSOC) está em exibição no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia em abril de 2021, antes de ser instalado dentro de sua caixa quadrada que mais tarde foi integrada à espaçonave Psyche da NASA. O transceptor consiste em um transmissor de laser infravermelho próximo para enviar dados em alta velocidade para a Terra e uma câmera sensível de contagem de fótons para receber dados em baixa velocidade enviados da Terra. O transceptor é montado em um conjunto de suportes e atuadores – mostrados nesta imagem – que estabilizam a óptica das vibrações da espaçonave. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech

“Alcançar a primeira luz é um dos muitos marcos importantes para o DSOC nos próximos meses, abrindo caminho para comunicações com taxas de dados mais altas, capazes de transmitir informações científicas, imagens de alta definição e streaming de vídeo para apoiar o próximo salto gigante da humanidade: Enviando humanos para MarteTrudy Curtis, gerente de demonstração de tecnologia na sede da NASA em Washington, disse:

Os dados de teste também foram transmitidos simultaneamente por meio de lasers de uplink e downlink, um procedimento conhecido como “fechamento de link” que é o objetivo principal do experimento. Embora a demonstração tecnológica não transmita dados da missão Psyche, trabalha em estreita colaboração com a equipa de apoio da missão Psyche para garantir que as operações DSOC não interfiram nas operações da nave espacial.

Saiba mais sobre como o DSOC está sendo usado para testar pela primeira vez a transmissão de dados em alta largura de banda além da Lua — e como isso pode transformar a exploração do espaço profundo. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech/Arizona State University

“O teste de terça-feira de manhã foi o primeiro a integrar totalmente os ativos de transponder de solo e de voo, exigindo que as equipes de operações DSOC e Psyche trabalhassem lado a lado”, disse Meera Srinivasan, líder de operações DSOC no JPL. “Foi um grande desafio e temos muito trabalho a fazer, mas em pouco tempo conseguimos enviar, receber e descriptografar alguns dados.”

Antes deste marco, o projeto precisava cumprir vários outros marcos, desde a remoção da tampa protetora do transceptor laser de aviação até o comissionamento do dispositivo. Entretanto, a sonda Psyche está a realizar as suas próprias verificações, incluindo a operação dos seus sistemas de propulsão e instrumentos de teste que serão usados ​​para estudar o asteróide Psyche quando chegar lá em 2028.

A equipe de operações do transceptor laser Deep Space Optical Communications (DSOC) da NASA está trabalhando na área de suporte da missão Psyche no JPL na madrugada de 14 de novembro, quando o projeto alcançou a “primeira luz”. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech

Primeira luz e primeiros bits

Com o sucesso do First Light, a equipe DSOC trabalhará agora para melhorar os sistemas que controlam o apontamento do laser downlink a bordo do transceptor. Uma vez alcançado, o projeto pode começar a demonstrar a manutenção da transmissão de dados em alta largura de banda do transceptor para Palomar a várias distâncias da Terra. Esses dados assumem a forma de bits (as menores unidades de dados que um computador pode processar) codificados em fótons de laser – partículas quânticas de luz. Depois que um conjunto especial de detectores supercondutores altamente eficientes (veja a imagem abaixo) detecta os fótons, novas técnicas de processamento de sinal são usadas para extrair dados de fótons únicos que chegam ao telescópio Hale.

Aqui é mostrada uma réplica do Deep Space Optical Communications, ou DSOC, um detector de fóton único de nanofios supercondutores acoplado ao Telescópio Hale de 200 polegadas (5,1 metros) no Observatório Palomar da Caltech, no condado de San Diego, Califórnia. O detector foi projetado pelo Laboratório de Instrumentação de Precisão do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, para receber sinais de laser infravermelho próximo de um transceptor de vôo DSOC viajando com a missão Psyche da NASA no espaço profundo como parte de uma demonstração de tecnologia. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech

O experimento DSOC visa demonstrar taxas de transferência de dados 10 a 100 vezes maiores do que os modernos sistemas de radiofrequência usados ​​atualmente pelas espaçonaves. Tanto o rádio laser quanto as comunicações por infravermelho próximo usam ondas eletromagnéticas para transmitir dados, mas a luz infravermelha próxima agrupa os dados em ondas mais compactas, permitindo que as estações terrestres recebam mais dados. Isto ajudará em futuras missões de exploração humana e robótica e apoiará instrumentos científicos de alta precisão.

“A comunicação óptica é uma bênção para cientistas e pesquisadores que sempre querem mais de suas missões espaciais e permitirá a exploração humana do espaço profundo”, disse o Dr. Jason Mitchell, diretor da Divisão de Comunicações Avançadas e Tecnologias de Navegação da Divisão de Comunicações e Astronáutica da NASA. . (SCaN). “Mais dados significam mais descobertas.”

Embora a comunicação óptica tenha sido demonstrada na órbita baixa da Terra e na Lua, o DSOC é o primeiro teste no espaço profundo. Assim como usar um apontador laser para rastrear uma moeda em movimento a um quilômetro de distância, direcionar um feixe de laser ao longo de milhões de quilômetros requer um “apontamento” extremamente preciso.

Os operadores de transmissores a laser terrestres do DSOC posam para uma foto no Laboratório de Telescópios de Comunicações Ópticas nas instalações de Table Mountain do JPL, perto de Wrightwood, Califórnia, logo após a demonstração da “primeira luz” da tecnologia ter sido alcançada em 14 de novembro. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech

A demonstração também precisa compensar o tempo que a luz leva para viajar da espaçonave até a Terra por grandes distâncias: na distância mais distante de Psyche do nosso planeta, os fótons do infravermelho próximo do DSOC levariam cerca de 20 minutos para retornar (demorou cerca de 50 minutos). . segundos para viajar de Psyche à Terra durante o teste de 14 de novembro). Nessa altura, a nave espacial e o planeta terão-se movido, pelo que os lasers de ligação ascendente e descendente devem adaptar-se à mudança de posição.

“Alcançar a primeira luz é uma conquista tremenda. Os sistemas terrestres detectaram com sucesso fótons laser do espaço profundo do transceptor DSOC a bordo do Psyche”, disse Abi Biswas, tecnólogo do projeto DSOC no JPL. “Enviando alguns dados, o que significa que fomos capazes de trocar ‘bits de luz’ de e para o espaço profundo.”

Mais sobre a missão

DSOC é a mais recente de uma série de demonstrações de comunicações ópticas financiadas pela Diretoria de Missões de Tecnologia Espacial da NASA e pelo programa de Comunicações e Navegação Espacial (SCaN) dentro da Diretoria de Missões de Operações Espaciais da agência.

A missão Psyche é liderada pela Arizona State University. O JPL é responsável pelo gerenciamento geral da missão, engenharia de sistemas, integração e teste e operações da missão. Psyche é a 14ª missão selecionada como parte do Programa de Exploração da NASA sob a Diretoria de Missões Científicas, que é gerenciada pelo Marshall Space Flight Center da agência em Huntsville, Alabama. O Programa de Serviços de Lançamento da NASA, com sede no Centro Espacial Kennedy da agência, gerenciou o serviço de lançamento. A Maxar Technologies de Palo Alto, Califórnia, forneceu a estrutura de propulsão elétrica solar de alta energia da espaçonave.