چرا ناسا برای نسل بعدی ارتباطات فضایی به لیزر رو آورده است؟
با توجه به افزایش تعداد مأموریت‌های فضایی، برقراری ارتباط با فضاپیماهای بدون سرنشین و سرنشین‌دار به چالشی جدی تبدیل شده است. اما چاره چیست؟
ناسا به‌تازگی کاوشگر سایکی (Psyche)، معروف به جوینده‌ی سیارکی را پرتاب کرده است تا به بررسی جرمی بپردازد که به اعماق زمین خودمان شباهت دارد؛ اما یکی از ابزارهای این کاوشگر، دانشمندان متخصص در زمینه‌ای متفاوت به نام ارتباطات فضایی را به هیجان آورده است.
از آغاز عصر فضا، ارتباطات فضایی به امواج رادیویی وابسته بود که تنها بخشی از طیف گسترده‌ی الکترومغناطیس به شمار می‌رود؛ اما دانشمندان امیدوارند به‌زودی ارتباطات را به بخش دیگری از این طیف توسعه دهند. هدف آن‌ها افزودن لیزر به مجموعه ابزار ارتباطات کیهانی است.
مأموریت اصلی سایکی، بررسی سیارکی سیب‌زمینی شکل به طول ۲۳۱ کیلومتر است که مدار آن سه برابر دورتر از فاصله‌ی زمین تا خورشید است. بر اساس نظریه‌ای پیشگام، سیارک هدف که سایکی نام‌گذاری شده است (به‌طور دقیق 16 Psyche)، در واقع هسته‌ای فلزی است که زمانی سیاره‌ای امیدبخش بود و سطح سنگی آن بر اثر برخوردهای مکرر در کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری از بین رفت.
به همین دلیل، بررسی ترکیب منحصر‌به فرد آهن، نیکل و سنگ ما را یک قدم به حل معمای هسته‌ی فلزی زمین نزدیک خواهد کرد. شش سال طول می‌کشد تا فضاپیمای سایکی به سیارک برسد و صحت اندازه‌گیری‌های مربوط به سطح فلزی آن پی ببرد.
ناسا برای اولین با به آزمایش ارتباطات لیزری در اعماق فضا می‌پردازد. فرکانس‌های نوری می‌توانند ۱۰ تا ۱۰۰ برابر اطلاعات در ثانیه را نسبت به سیگنال‌های رادیویی منتقل کنند.
با این‌حال، پژوهشگران ارتباطات فضایی، به‌زودی و پیش از رسیدن فضاپیما به مقصد، نتایج بررسی خود را خواهند دید. آزمایش ارتباطات نوری اعماق فضا (DSOC)، اولین برقراری ارتباط لیزری یا نوری در آن سوی ماه است. این آزمایش می‌تواند به سهولت بازگشت فضانوردها به ماه و همچنین گام بزرگ بعدی، یعنی سفر به مریخ کمک کند. این آزمایش همچنین گامی مهم در عرصه‌ی ارتباطات فضایی به شمار می‌رود.
در صورتی که آزمایش یادشده و دیگر آزمون‌های مرتبط طبق انتظار عمل کنند، لیزرها می‌توانند محدودیت‌های پهنای باند سیستم ارتباطات خارج از سیاره موسوم به شبکه‌ی فضای عمیق (DSN) را تا حدی برطرف کنند. به‌گفته‌ی کارشناسان، سه سایت آنتن رادیویی DSN، هر کدام با بشقابی به قطر ۷۰ متر و ۱۲۰ درجه فاصله از یکدیگر که در اسپانیا، استرالیا و صحرای کالیفرنیا قرار دارند، با ترافیک ناشی از ساعت‌های شلوغی هیوستون روبه رو هستند.
در حال حاضر ده‌ها مأموریت فضایی از تلسکوپ فضایی جیمز وب تا ماهواره‌های تجاری کوچک، باید برای زمان شبکه رقابت کنند. به گفته‌ی مایک لوسک، مدیر پروژه‌ی DSN:
امروز بیست درصد از درخواست‌ها قابلیت سرویس‌دهی ندارند. به‌مرورزمان وضعیت بدتر میشود و تا سال ۲۰۳۰ به ۴۰ درصد خواهد رسید.
همچنین ۴۰ مأموریت فضایی دیگر در آینده‌ای نزدیک برخط خواهند شد که بر سر زمان شبکه‌ی ارتباطی به رقابت می‌پردازند. حتی مهم‌تر از آن برخی از مأموریت‌ها سرنشین‌دار هستند و دارای ابزارهایی برای انتشار ویدئوی با کیفیت و همچنین خوانش لحظه‌به لحظه‌ی سوخت و ساز فضانوردها در حین کار در ماه، ساخت آزمایشگاه‌ها و پناهگاه‌ها هستند. قطعا نمی‌شود به آن‌ها گفت که باید در انتظار کیوب‌ست‌های تجاری باشند. کیوب‌ست‌ها، ماهواره‌های کوچکی هستند که انواع مختلفی از داده‌های علمی را در مدار نزدیک زمین مخابره و اتصال اینترنتی را فراهم می‌کنند. جیسون میشل، مدیر برنامه‌ی Scan می‌گوید:
شاید تأخیرها برای علم مشکلی به وجود نیاورند اما برای مأموریت‌های سرنشین‌دار باید تمام تلاشمان را بکنیم. با نگاهی به هدف فضانوردها در سفر به ماه و برنامه‌ریزی‌های مریخی، ابزار علمی نیز به مرور پیشرفت می‌کنند و می‌توانیم روزانه چندین ترابایت داده را ارسال کنیم.
فضاپیمای سایکی در تصویرسازی هنری، سفر طولانی خود به سیارکی به همین اسم را در اکتبر ۲۰۲۳ شروع کرد.
در آزمایش اخیر، پژوهشگرها به دنبال بهره‌برداری از ظرفیت انتقال بیشتر نور لیزر نسبت به امواج رادیویی هستند. طول موج‌های نوری در بخش نزدیک به فروسرخ طیف الکترومغناطیس بسیار کوچک هستند و با واحد نانومتر اندازه‌گیری می‌شوند. همچنین فرکانس‌ها به قدری بالا هستند که می‌توان اطلاعات بیشتری را در فضای یکسان انباشته کرد و به‌این‌ترتیب سرعت داده‌ها ۱۰ الی ۱۰۰ برابر بیشتر از سرعت انتقال رادیویی خواهد بود.
همچنین سیستم‌های لیزری می‌توانند بسیار ظریف‌تر و کوچک‌تر از انواع رادیویی باشند و به انرژی کمتری نیاز دارند که معیار مهم دیگری در سفر چندصد میلیون کیلومتری در فضا محسوب میشود.
درطول دهه‌ی گذشته، ناسا در حال آزمایش فناوری جدید در محیط‌های مختلفی مثل مدار نزدیک زمین تا ماه بوده است. ابزار سایکی می‌تواند برای اولین بار در اعماق فضا آزمایش شود و سنگ محک مهمی برای یافتن معایب ارتباطات نوری به شمار آید. از آنجا که پرتوهای لیزر باریک هستند، باید با دقت بالایی به سمت گیرنده‌های زمینی قرار بگیرند و این مسئله در فواصل بالا یک چالش به شمار می‌رود.
آبیجیت بیواس، متخصص پروژه‌ی DSOC در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و سازنده‌ی ابزار سایکی، تلاش برای افزایش دقت فناوری لیزری را با شلیک به سکه‌ی ده سنتی از فاصله‌ی یک کیلومتری مقایسه می‌کند. حتی یک تکان آهسته هم می‌تواند کار را مختل کند. آزمایشگاه پیشرانش جت برای حفظ ثبات فرستنده و گیرنده‌ی سایکی، بستهای ویژه و محرک‌هایی را برای ایزوله‌سازی آن از نوسان‌های فضاپیمای ۲۴ متری نصب کرده است.
مشکلات احتمالی دیگر عبارت‌اند از: ابرهای زمینی که می‌توانند راه پرتوهای نوری را مسدود کنند و همچنین ضعیف‌شدن سیگنال با افزایش فاصله و پخش شدن پرتوها. این مشکلات باعث می‌شوند حداقل با فناوری فعلی به‌سختی بتوان کاربرد ارتباط فناوری نوری را به آن سوی مریخ گسترش داد. به همین دلیل آزمایش در طول دو سال اول مأموریت و پیش از رسیدن به خود سیارک انجام میشود.
به دلایل فوق و همچنین به دلیل فقدان شبکه‌ی زمینی گیرنده‌های نوری، نمی‌توان زمان دقیقی را برای جایگزینی فناوری رادیویی با فناوری نوری پیش‌بینی کرد؛ اما می‌توان به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که مأموریت‌های آینده متناسب با انواع فناوری به‌ویژه فناوری جدید طراحی شوند.
در طول آزمایش‌های سایکی، یک فرستنده‌ی پنج کیلوواتی روی کوه تیبل در کالیفرنیای جنوبی، بسته‌ی ارتباطی کم‌سرعتی را به گیرنده‌ی لیزری متصل به تلسکوپ ۲۲ سانتی‌متری فضاپیما ارسال می‌کند. ابزار سایکی پرتو را با استفاده از دوربینی که ذرات نوری یا فوتون‌ها را می‌شمارد، دنبال و پیغام را دانلود می‌کند. سپس پیغام با سرعت بالا به تلسکوپ ۵ متری هیل روی کوه پالامور در نزدیکی سان‌دیگو رله میشود که در آنجا می‌توان دقت آن را با پیغام اصلی مقایسه کرد.
حتی در فاصله‌های نزدیک‌تر از مریخ، سیگنال لیزری نسبتا شکننده است. بستهای که به تلسکوپ هیل از سایکی می‌رسد تنها شامل تعداد اندکی فوتون است و به همین دلیل رمزگشایی آن به شدت به آشکارساز فوتون‌شمار فوق‌حساس متصل به تلسکوپ وابسته است که با نانوسیستم ابررسانا ساخته شده است.
شاید ارتباطات لیزری نتوانند مانند خطوط ویژه‌ی بزرگراه‌ها از ترافیک روی شبکه‌ی فضای عمیق پیشگیری کنند؛ اما قادر هستند از راه‌بندان برخی پیغام‌ها در شبکه‌ی فضایی جلوگیری کنند.