Satelliter blir allt viktigare i våra liv, eftersom de hjälper oss att möta efterfrågan på mer data, byts ut i högre hastigheter. Det är därför vi undersöker nya sätt att förbättra satellitkommunikation.

Satellitteknik används för att navigera, förutsäga vädret, övervaka jorden från rymden, ta emot TV-signaler från rymden, och anslut till avlägsna platser genom verktyg som satellittelefoner och NBN:s Sky Muster-satelliter.

All dessa kommunikationer använder radiovågor. Dessa är elektromagnetiska vågor som utbreder sig genom rymden och, till en viss grad, genom hinder som väggar.

Varje kommunikationssystem använder ett frekvensband som är tilldelat för det, och varje band utgör en del av det elektromagnetiska spektrumet – vilket är namnet på intervallet för alla typer av elektromagnetisk strålning.

Men det elektromagnetiska spektrum vi kan använda med nuvarande teknologi är en ändlig resurs, och är nu helt upptagen. Detta innebär att gamla tjänster måste ge plats åt nya, eller högre frekvensband måste användas.

Även om detta innebär tekniska utmaningar, en lovande väg framåt är optisk kommunikation.

Kommunikation med laser

Istället för att använda radiovågor för att bära informationen, vi kan använda ljus från lasrar som bärare. Även om tekniskt sett fortfarande en del av det elektromagnetiska spektrumet, optiska frekvenser är betydligt högre, vilket innebär att vi kan använda dem för att överföra data i högre hastigheter.

Dock, en nackdel är att en laser inte kan fortplanta sig genom väggar, och kan till och med blockeras av moln. Även om detta är problematiskt på jorden, och för kommunikation mellan satelliter och jorden, det är inga problem för kommunikation mellan satelliter.

På jorden, optisk kommunikation via fiberoptiska kablar kopplar samman kontinenter och ger enorma datautbyten. Detta är tekniken som gör att molnet kan existera, och onlinetjänster som ska tillhandahållas.

Optisk kommunikation mellan satelliter använder inte fiberoptiska kablar, men innebär att ljus fortplantar sig genom rymden. Detta kallas "optisk kommunikation i fritt utrymme, " och kan användas för att inte bara leverera data från satelliter till marken, men också för att koppla ihop satelliter i rymden.

Med andra ord, optisk kommunikation i fritt rymd kommer att ge samma massiva anslutningsmöjligheter i rymden som vi redan har på jorden.

Vissa system som European Data Relay System är redan i drift, och andra som SpaceX:s Starlink fortsätter att utvecklas.

Men det finns fortfarande många utmaningar att övervinna, och vi är begränsade av nuvarande teknik. Jag och mina kollegor arbetar med att göra optiska, såväl som radiofrekvens, datalänkar ännu snabbare och säkrare.

CubeSats

Än så länge, mycket arbete har lagts ner på forskning och utveckling av radiofrekvensteknik. Det är så vi vet att datahastigheterna är på sin högsta fysiska gräns och inte kan ökas ytterligare.

Medan en enda radiofrekvenslänk kan ge datahastigheter på 10 Gbps med stora antenner, en optisk länk kan uppnå hastigheter 10 till 100 gånger högre, med antenner som är 10 till 100 gånger mindre.

Dessa små antenner är i själva verket optiska linser, och deras kompakta storlek gör att de kan integreras i små satelliter som kallas CubeSats.

CubeSats är inte större än en skokartong eller brödrost, men kan använda höghastighetsdatalänkar till andra satelliter eller marken.

De används för närvarande för ett brett spektrum av uppgifter inklusive jordobservation, kommunikation och vetenskapliga experiment i rymden. Och även om de inte kan tillhandahålla alla tjänster från rymden, de spelar en viktig roll i nuvarande och framtida satellitsystem.

En annan fördel med optisk kommunikation är ökad säkerhet. Ljuset från en laser bildar en smal stråle, som måste pekas från en avsändare till en mottagare. Eftersom denna stråle är mycket smal, kommunikationen stör inte andra mottagare och det är väldigt svårt, om inte omöjligt, att avlyssna kommunikationen. Detta gör optiska system säkrare än radioelektromagnetiska system.

Optisk kommunikation kan också användas för kvantnyckeldistribution. Denna teknik möjliggör ett absolut säkert utbyte av krypteringsnycklar för säker kommunikation.

Vad kan vi förvänta oss av detta?

Även om det är spännande att utveckla system för rymden, och att skjuta upp satelliter, den verkliga fördelen med satellitsystem känns på jorden.

Höghastighetskommunikation som tillhandahålls av optiska datalänkar kommer att förbättra anslutningsmöjligheterna för oss alla. I synnerhet, avlägsna områden som för närvarande har relativt långsamma anslutningar kommer att få bättre tillgång till distanshälsa och distansutbildning.

Bättre datalänkar låter oss också leverera bilder och videor från rymden med mindre fördröjning och högre upplösning. Detta kommer att förbättra vårt sätt att hantera våra resurser, inklusive vatten, jord- och skogsbruk.

De kommer också att tillhandahålla viktig realtidsinformation i katastrofscenarier som skogsbränder. De potentiella tillämpningarna för optisk kommunikationsteknik är enorma.

Samla kunskap

Att arbeta med optisk satellitkommunikation är utmanande, eftersom det kombinerar många olika fält och forskningsområden inklusive telekommunikation, fotonik och tillverkning.

För närvarande, vår teknik är långt ifrån att uppnå vad som är teoretiskt möjligt, och det finns stort utrymme för förbättringar. Det är därför det finns ett stort fokus på samarbete.

I Australien, det finns två stora program som underlättar detta - Australian Space Agency som drivs av den federala regeringen, och SmartSat Cooperative Research Center (CRC), stöds också av den federala regeringen.

Genom SmartSat CRC-programmet, mina kollegor och jag kommer att ägna de kommande sju åren åt att ta itu med en rad tillämpade forskningsproblem inom detta område.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.