Λάμπει φως στην επίδειξη της NASA στο βαθύ διάστημα

Η ESA συμμετέχει στην επίδειξη επικοινωνίας στο βάθος του διαστήματος

«Η τεχνολογία οπτικών ινών στη Γη έχει επιτρέψει απίστευτες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων για εφαρμογές όπως το Διαδίκτυο», λέει ο Clemens Heese, επικεφαλής του τμήματος οπτικών τεχνολογιών στο Ευρωπαϊκό Διαστημικό Κέντρο Επιχειρήσεων της ESA στο Darmstadt της Γερμανίας. «Ωστόσο, η μεταφορά δεδομένων με διαστημόπλοια σε διαπλανητικές αποστάσεις εξακολουθεί να περιορίζεται στη χρήση ραδιοκυμάτων».

«Έχουμε ήδη δείξει ότι η οπτική επικοινωνία μπορεί να προσφέρει πολύ υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων για δορυφόρους παρατήρησης της Γης και τηλεπικοινωνιών σε τροχιές χαμηλής Γης. Αλλά για να τη χρησιμοποιήσουμε σε βαθιές διαστημικές αποστάσεις, χρειαζόμαστε λέιζερ υψηλής ισχύος, υψηλής ακρίβειας και υπερευαίσθητους ανιχνευτές ενός φωτονίου που απλά δεν υπάρχουν ακόμη με την απαιτούμενη απόδοση». 

Χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός με υψηλότερη συχνότητα από τα ραδιοκύματα, η οπτική επικοινωνία επιτρέπει τη μεταφορά περισσότερων δεδομένων σε μια δεδομένη χρονική περίοδο. Αυτή η υψηλότερηταχύτητα  μετάδοσης δεδομένων θα μπορούσε να επιτρέψει σε μελλοντικές αποστολές στο βαθύ διάστημα  Γη να μεταφέρουν πιο εξελιγμένα επιστημονικά όργανα και να επιστρέψουν σημαντικά περισσότερα δεδομένα από ό,τι είναι επί του παρόντος δυνατό.

Ωστόσο, η δοκιμή νέας τεχνολογίας σε μια αποστολή στο βάθος του διαστήματος, όπου κάθε κιλό ωφέλιμου φορτίου πρέπει να επιλέγεται πολύ προσεκτικά, είναι μια σπάνια ευκαιρία. Το DSOC της NASA είναι η πρώτη ευκαιρία να οικοδομήσουμε περισσότερη εμπιστοσύνη στην οπτική επικοινωνία στο βαθύ διάστημα και να ενισχύσουμε την ετοιμότητά του για χρήση σε διαστημικές πτήσεις. 

Η ESA συμμετέχει στην επίδειξη DSOC για την ενίσχυση της ευρωπαϊκής εμπειρογνωμοσύνης τόσο εντός όσο και εκτός του Οργανισμού. Αυτή η συμμετοχή θα επιτρέψει στις μελλοντικές ευρωπαϊκές αποστολές ηλιακού συστήματος να εξετάσουν το ενδεχόμενο χρήσης οπτικής επικοινωνίας στο βάθος του διαστήματος και θα ενισχύσει την ευρωπαϊκή βιομηχανική ικανότητα στον ζωτικής σημασίας μελλοντικό τεχνολογικό τομέα της κβαντικής οπτικής επικοινωνίας ενός φωτονίου.

«Ψυχή» – από την ελληνική μυθολογία μέχρι τις ελληνικές βουνοκορφές

Η ESA και η NASA έχουν μια μακροχρόνια συνεργασία στον τομέα της επικοινωνίας και της διαλειτουργικότητας στο βαθύ διάστημα. Αυτή η συνεργασία επιτρέπει στα διαστημόπλοια της ESA να επικοινωνούν με επίγειους σταθμούς της NASA και στις αποστολές της NASA να επικοινωνούν με τους σταθμούς Estrack της ESA, όπως ακριβώς τα ευρωπαϊκά κινητά τηλέφωνα είναι συμβατά με τα κυψελωτά δίκτυα στις ΗΠΑ και αντίστροφα. Αυτό το διασταυρούμενο σύστημα εξασφαλίζει απρόσκοπτη επικοινωνία σε τεράστιες διαπλανητικές αποστάσεις και συμβολίζει την ισχυρή διεθνή συνεργασία στην εξερεύνηση του διαστήματος.

Συνεργαζόμενοι στην επίδειξη DSOC, οι Υπηρεσίες συνυπολογίζουν αυτή τη διαλειτουργικότητα στα πολύ πρώιμα στάδια της ανάπτυξης ενός νέου τύπου δορυφορικής επικοινωνίας.

Και οι δύο Υπηρεσίες αναπτύσσουν τη δική τους επίγεια υποδομή για να επικοινωνούν με το DSOC. Αυτή η επίγεια υποδομή πρέπει να κατασκευαστεί σε μεγάλο υψόμετρο, προκειμένου να αποφευχθούν όσο το δυνατόν περισσότερες παρεμβολές από την ατμόσφαιρα της Γης και την κάλυψη των νεφών. Για παράδειγμα, οι εγκαταστάσεις της NASA βρίσκονται στις ορεινές περιοχές της Καλιφόρνια, εκμεταλλευόμενες και αξιοποιώντας τις εκεί καθαρές ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Για να επιλέξει μια κατάλληλη τοποθεσία για την επίγεια υποδομή της ESA, η ομάδα ξεκίνησε εξετάζοντας τα καταλληλότερα οπτικά τηλεσκόπια στην Ευρώπη που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη παλμών λέιζερ από το DSOC. Το 2,3 m τηλεσκόπιο Αρίσταρχος, που βρίσκεται σε υψόμετρο 2340 m στο Αστεροσκοπείο του όρους Χελμός στην Ελλάδα, είχεόλες τις απαραίτητες προϋποθέσεις.

Ωστόσο, η ομάδα έπρεπε ακόμη να βρει μια κατάλληλη τοποθεσία για τον πομπό λέιζερ υψηλής ισχύος που θα χρησιμοποιηθεί για την αποστολή σημάτων στο διαστημόπλοιο. Ο πομπός υψηλής ισχύος πρέπει να βρίσκεται σε κοντινή απόσταση, έτσι ώστε να μπορούν να αποστέλλονται και να λαμβάνονται σήματα από το DSOC κατά τη διάρκεια του ίδιου παραθύρου επικοινωνίας.

Ευτυχώς, 37 χλμ. μακριά από το Αστεροσκοπείο του όρους Χελμός, απέναντι από την κοιλάδα και στην κορυφή της επόμενης βουνοκορφής, βρίσκεται το Αστεροσκοπείο Κρυονερίου. 

Τώρα βρίσκονται σε εξέλιξη οι εργασίες για την προετοιμασία ενός ανιχνευτή/δέκτη ευαίσθητου σε μεμονωμένα φωτόνια στο αστεροσκοπείο του όρους Χελμός και ενός πομπού λέιζερ υψηλής ισχύος στο αστεροσκοπείο Κρυονερίου.

Και τα δύο παρατηρητήρια είναι ιδιοκτησία και λειτουργούν από το Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής, Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, ενός συνεταίρου κλειδί σε αυτή τηνεπίδειξη Οπτικών Επικοινωνιών Bαθέως Διαστήματος που θα είναι και η μεγαλύτερης απόστασης οπτική ζεύξη που έχει γίνει ποτέ στην Ευρώπη.

Ένας δέκτης για τη σύλληψη μεμονωμένων φωτονίων

Ο δέκτης λέιζερ εδάφους οπτικής επικοινωνίας βαθιάς διαστήματος της ESA θα έχει τη μορφή μιας εξελιγμένης μονάδας δέκτη γνωστής ως «οπτικός πάγκος». Αυτή η μονάδα δέκτη θα τοποθετηθεί με ασφάλεια στο πίσω μέρος του τηλεσκοπίου Αρίσταρχος. 

«Ο ανιχνευτής του δέκτη πρέπει να είναι εξαιρετικά ευαίσθητος για να ανιχνεύει μεμονωμένα κβαντικά σωματίδια φωτός - φωτόνια - από το DSOC, που αποστέλλονται σε εκατοντάδες εκατομμύρια χιλιόμετρα», λέει ο Sinda Mejri, η επικεφαλής οπτικός μηχανικός του συστήματος επίγειου λέιζερ της ESA.

«Για να ανιχνεύσει τα μεμονωμένα φωτόνια, ο ανιχνευτής πρέπει να είναι υπεραγώγιμος, που σημαίνει ότι μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση. Για να επιτευχθεί αυτό, ο ανιχνευτής του δέκτη θα ψύχεται στους -272,15 βαθμούς Κελσίου (1 Kelvin). Η απορρόφηση ενός φωτονίου διαταράσσει την υπεραγώγιμη κατάσταση του ανιχνευτή, δημιουργώντας έναν μετρήσιμο ηλεκτρικό παλμό».

«Ενώ ένα εικονοστοιχείο, μεγέθους μόνο λίγων μικρομέτρων, μπορεί να επιτύχει αυτήν την ευαισθησία, ο νέος μας ανιχνευτής απαιτεί 36 τέτοια εικονοστοιχεία για να λειτουργήσουν ταυτόχρονα, θέτοντας σημαντικές προκλήσεις που σχετίζονται με την κβαντική μηχανική και τα απαιτούμενα πολύπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώματα».

Επιπλέον, ο ανιχνευτής αντιμετωπίζει τη μοναδική πρόκληση της κρυογονικής ψύξης, ενώ εξακολουθεί να είναι σε θέση να κινείται καθώς το τηλεσκόπιο στρέφεται και ακολουθεί το διαστημόπλοιο στον ουρανό. Τα κρυογονικά συστήματα συνήθως αντιστέκονται στην κίνηση και η διασφάλιση σταθερής ψύξης κατά τη διάρκεια της κίνησης είναι μια άλλη σημαντική τεχνολογική πρόκληση.

Ο δέκτης λέιζερ γείωσης περιλαμβάνει επίσης ηλεκτρονικά στοιχεία για την παρακολούθηση της ισχύος του σήματος από το DSOC. Εάν το σήμα εξασθενήσει, το σύστημα θα προσαρμόσει αυτόματα τη θέση του τηλεσκοπίου για να διατηρήσει την ισχύ του σήματος και θα αναμεταδώσει αυτές τις πληροφορίες στον πομπό λέιζερ 37 km μακριά, διασφαλίζοντας ακριβή ευθυγράμμιση. Αυτή η ρύθμιση απαιτεί την ανάπτυξη εξειδικευμένου λογισμικού ελέγχου για τον αποτελεσματικό συντονισμό αυτών των λειτουργιών.

Η ανάπτυξη του επίγειου δέκτη της ESA ξεκίνησε στις αρχές του έτους. Μόλις ολοκληρωθεί, θα σταλθεί στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA στην Καλιφόρνια για δοκιμή συμβατότητας με ένα μοντέλο δοκιμής μηχανικής του πομπού DSOC.

Ένα λέιζερ που ωθεί τα όρια των σύγχρονων οπτικών ινών

Η ανάπτυξη του πομπού λέιζερ υψηλής ισχύος στο Κρυονέρι αποτελεί επίσης τεχνολογική πρόκληση. 

«Το λέιζερ πρέπει να είναι τόσο ισχυρό ώστε στην πραγματικότητα να σπάσει την προστατευτική επίστρωση των δικών του οπτικών εξαρτημάτων και καθρεφτών και να λιώσει τις συμβατικές οπτικές ίνες εάν δεν έχει σχεδιαστεί με τις απαραίτητες προφυλάξεις», λέει ο επικεφαλής μηχανικός οπτικού πομπού λέιζερ εδάφους της ESA, Andrea Di Mira. «Και συνδυάζουμε έως και επτά ξεχωριστές δέσμες που πρέπει να συνεργάζονται απρόσκοπτα».

Με τις επτά δέσμες συνδυασμένες, το λέιζερ ESA θα είναι σε θέση να μεταδίδει φωτόνια κωδικοποιημένα με πληροφορίες αρκετά φωτεινές ώστε το DSOC να ανιχνεύει σε απόσταση περίπου 1,5-2,5 αστρονομικές μονάδες (220-370 εκατομμύρια χιλιόμετρα) από τη Γη. Αυτές οι αποστάσεις θα ήταν χαρακτηριστικές για μια μελλοντική αποστολή στον Άρη, για παράδειγμα. Η NASA πιστεύει ότι μπορεί να είναι σε θέση να ωθήσει την τεχνολογία σε ακόμη μεγαλύτερες αποστάσεις. 

Εκτός από την υψηλή φωτεινότητα, η δέσμη λέιζερ πρέπει να είναι στραμμένη ακριβώς προς την κατεύθυνση του απομακρυσμένου διαστημικού σκάφους. Η απαιτούμενη ακρίβεια είναι σαν να λάμπει ένας δείκτης λέιζερ από τη Γη σε έναν μικρό κρατήρα στη Σελήνη.

Ξεκίνησαν οι εργασίες για την προετοιμασία του χώρου για τον πομπό στο Κρυονέρι. Μόλις ολοκληρωθεί, το σύστημα θα δοκιμαστεί σε μειωμένη ισχύ χρησιμοποιώντας το τερματικό οπτικής επικοινωνίας του Alphasat, ενός ευρωπαϊκού δορυφόρου επίδειξης τεχνολογίας που βρίσκεται τώρα σε γεωστατική τροχιά.

Η Ευρώπη ανταποκρίνεται στις προκλήσεις

Η συμμετοχή της ESA στην επίδειξη DSOC καθίσταται δυνατή από μια κοινοπραξία ευρωπαϊκών εταιρειών, συμπεριλαμβανομένων των qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems και NKT Photonics Ltd, και από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, το οποίο παρέχει την πρόσβαση στο Αστεροσκοπείο του όρους Χελμός και στο Αστεροσκοπείο Κρυονερίου.

Το έργο χρηματοδοτείται μέσω του «Προγράμματος Τεχνολογίας Γενικής Υποστήριξης της ESA-GSTP» και του στοιχείου «Τεχνολογικής Ανάπτυξης».

«Πραγματικά προκαλούμε την ευρωπαϊκή βιομηχανία με αυτό το έργο», λέει η Sinda Mejri. «Αλλά και αυτοί δέχτηκαν με ανυπομονησία την πρόκληση. Το έργο που επιτελούν εδώ θα μπορούσε επίσης να τους δώσει ένα πλεονέκτημα στην ανάπτυξη σημαντικών τεχνολογιών για εφαρμογές όπως η διανομή Κβαντικών κλειδιών, που χρησιμοποιούνται για ασφαλείς επικοινωνίες και η κβαντική απεικόνιση».

Η οπτική επικοινωνία σε βαθύ διάστημα θεωρείται η πιο απαιτητική μορφή οπτικής επικοινωνίας. Οι τεχνολογικές της καινοτομίες, ειδικά που σχετίζονται με την κβαντική οπτική επικοινωνία, θα ωφελήσουν άμεσα τις αποστολές της ESA στον τομέα αυτό, όπως τις SAGA, Eagle-1, OPS-SAT VOLT ή QKDSAT.

Τα πειράματα της ESA με το DSOC θα πραγματοποιηθούν το 2025, όταν το διαστημόπλοιο είναι αρκετά μακριά από τη Γη ώστε να είναι αντιπροσωπευτικό των μελλοντικών αποστολών επιστήμης και εξερεύνησης στο βάθος του διαστήματος.

Εάν είναι επιτυχής, η επίδειξη θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μια νέα γενιά εξερεύνησης του Ηλιακού Συστήματος και την ανάπτυξη σταθμών οπτικής επικοινωνίας στο βάθος του διαστήματος στη Γη.

Ταξίδι σε έναν αρχαίο μεταλλικό κόσμο

Η επίδειξη DSOC στην αποστολής Psyche της NASA, αλλά δεν θα μεταδώσει δεδομένα της αποστολής Psyche. Ο πρωταρχικός στόχος της ποστολής Psyche είναι η εξερεύνηση του μυστηριώδους πλούσιου σε μέταλλα αστεροειδούς με το ίδιο όνομα.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι βραχώδεις, επίγειοι πλανήτες όπως η Γη περιέχουν μεταλλικούς πυρήνες, αλλά η θέση τους μέχρι τώρα κάτω από την επιφάνεια τους καθιστά δύσκολους στη μελέτη. Ο αστεροειδής Psyche προσφέρει μια σπάνια ευκαιρία να εξερευνήσετε την ιστορία και το σχηματισμό πλανητών που μοιάζουν με τη Γη. 

Ο Psyche ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Ιταλό αστρονόμο Annibale de Gasparis το 1852, ως ο 16ος αστεροειδής που ανακαλύφθηκε ποτέ. Σχεδόν δύο αιώνες αργότερα, η Ιταλία φιλοξενεί τώρα το Γραφείο Πλανητικής Άμυνας της ESA τα μέλη του οποίου είναι ιδιαίτερα ενθουσιασμένα που βλέπουν τα αποτελέσματα της αποστολής Psyche.  

Η κατανόηση των αστεροειδών από την ανθρωπότητα αυξάνεται ραγδαία: γινόμαστε καλύτεροι στον εντοπισμό μικρών αστεροειδών πριν από την πρόσκρουση με τη Γη, στην ανίχνευση αυτών που περνούν από κοντά, στην προσέγγιση για να τους μελετήσουμε με διαστημόπλοια, και ακόμη και στην επιστροφή δειγμάτων αστεροειδών στη Γη.

Η αποστολή Psyche, και η επίδειξη της τεχνολογίας DSOC μαζί της, θα επιτρέψουν την καλύτερη κατανόηση της προέλευσης του Σύμπαντος μας και θα ενισχύσουν την ικανότητά μας να μεταφέρουμε μεγάλες ποσότητες επιστημονικών δεδομένων πίσω στη Γη.