En experimentell antenn har tagit emot både radiofrekventa och nära-infraröda lasersignaler från NASA:s rymdfarkost Psyche när den färdas genom rymden. Detta visar att det är möjligt för de gigantiska parabolantennerna i NASA:s Deep Space Network (DSN), som kommunicerar med rymdfarkoster via radiovågor, att eftermonteras för optisk kommunikation eller laserkommunikation.
Genom att packa mer data i överföringar kommer optisk kommunikation att möjliggöra nya rymdutforskningsmöjligheter samtidigt som det stödjer DSN när efterfrågan på nätverket växer.
Den 34 meter långa radiofrekvens-optiska hybridantennen, kallad Deep Space Station 13, har spårat nedlänkslasern från NASA:s Deep Space Optical Communications (DSOC)-teknikdemonstration sedan november 2023. Den tekniska demonstrationens flyglasersändtagare åker med byråns rymdfarkost Psyche, som lanserades den 13 oktober 2023.
Hybridantennen är placerad vid DSN:s Goldstone Deep Space Communications Complex, nära Barstow, Kalifornien, och är inte en del av DSOC-experimentet. DSN, DSOC och Psyche hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien.
"Vår hybridantenn har framgångsrikt och tillförlitligt kunnat låsa på och spåra DSOC-nedlänken sedan kort efter att den tekniska demon lanserades", säger Amy Smith, DSN biträdande chef på JPL. "Den tog också emot Psyches radiofrekvenssignal, så vi har demonstrerat synkron radio och optisk frekvens djuprymdkommunikation för första gången."
I slutet av 2023 länkade hybridantennen ned data från 20 miljoner miles (32 miljoner kilometer) med en hastighet av 15,63 megabit per sekund – ungefär 40 gånger snabbare än radiofrekvenskommunikation på det avståndet. Den 1 januari 2024 länkade antennen ned ett lagfoto som hade laddats upp till DSOC innan Psyches lansering.
För att detektera laserns fotoner (kvantpartiklar av ljus) fästes sju ultraexakta segmenterade speglar på insidan av hybridantennens krökta yta. Dessa segment liknar de sexkantiga speglarna på NASA:s rymdteleskop James Webb och efterliknar den ljussamlande öppningen hos ett 3,3 fot (1 meter) öppningsteleskop. När laserfotonerna anländer till antennen, reflekterar varje spegel fotonerna och omdirigerar dem exakt till en högexponeringskamera fäst vid antennens subreflektor upphängd ovanför skålens mitt.
Lasersignalen som samlas in av kameran sänds sedan genom en optisk fiber som matas in i en kryogent kyld halvledande nanotrådsdetektor för enkelfoton. Designad och byggd av JPL:s Microdevices Laboratory, är detektorn identisk med den som används vid Caltechs Palomar Observatory i San Diego County, Kalifornien, som fungerar som DSOC:s markstation för nedlänk.
"Det är ett högtolerans optiskt system byggt på en 34-meters flexibel struktur", säger Barzia Tehrani, biträdande chef för kommunikationsjordsystem och leveranschef för hybridantennen på JPL. "Vi använder ett system med speglar, exakta sensorer och kameror för att aktivt rikta in och rikta laser från djupa rymden till en fiber som når detektorn."
Tehrani hoppas att antennen kommer att vara tillräckligt känslig för att upptäcka lasersignalen som skickas från Mars vid dess längsta punkt från jorden (2 ½ gånger avståndet från solen till jorden). Psyche kommer att vara på det avståndet i juni på väg till huvudasteroidbältet mellan Mars och Jupiter för att undersöka den metallrika asteroiden Psyche.
Sjusegmentsreflektorn på antennen är ett bevis på konceptet för en uppskalad och kraftfullare version med 64 segment – motsvarande ett 26 fot (8 meter) bländarteleskop – som skulle kunna användas i framtiden.
DSOC banar väg för kommunikation med högre datahastighet som kan sända komplex vetenskaplig information, video och högupplösta bilder till stöd för mänsklighetens nästa gigantiska steg:att skicka människor till Mars. Den tekniska demon streamade nyligen den första ultrahögupplösta videon från rymden med rekordstora bithastigheter.
Att eftermontera radiofrekvensantenner med optiska terminaler och konstruera specialbyggda hybridantenner kan vara en lösning på den nuvarande bristen på en dedikerad optisk markinfrastruktur. DSN har 14 rätter fördelade på anläggningar i Kalifornien, Madrid och Canberra, Australien. Hybridantenner skulle kunna förlita sig på optisk kommunikation för att ta emot stora mängder data och använda radiofrekvenser för mindre bandbreddskrävande data, såsom telemetri (hälso- och positionsinformation).
"I decennier har vi lagt till nya radiofrekvenser till DSN:s gigantiska antenner som finns runt om i världen, så det mest genomförbara nästa steget är att inkludera optiska frekvenser", säger Tehrani. "Vi kan ha en tillgång som gör två saker samtidigt; omvandla våra kommunikationsvägar till motorvägar och spara tid, pengar och resurser."
Tillhandahålls av NASA
