A Deep Space Station 13 no complexo Goldstone da NASA na Califórnia – parte da Deep Space Network da agência – é uma antena experimental que foi adaptada com um terminal óptico. Pela primeira vez, esta prova de conceito recebeu sinais de radiofrequência e laser do espaço profundo ao mesmo tempo. Crédito: NASA/JPL-Caltech
NASAA introdução de uma antena híbrida no DSN marca um avanço significativo na comunicação espacial, permitindo uma transmissão de dados mais rápida e apoiando as demandas de exploração futura.
Capaz de receber sinais ópticos e de radiofrequência, a antena híbrida do DSN rastreou e decodificou o laser downlink do DSOC, a bordo da missão Psyche da NASA.
Uma antena experimental recebeu sinais de radiofrequência e laser infravermelho próximo da espaçonave Psyche da NASA enquanto ela viaja pelo espaço profundo. Isso mostra que é possível que as antenas parabólicas gigantes da Deep Space Network da NASA (DSN), que se comunicam com espaçonaves por meio de ondas de rádio, para serem adaptados para comunicações ópticas ou a laser.
Ao agrupar mais dados nas transmissões, a comunicação óptica permitirá novos recursos de exploração espacial, ao mesmo tempo em que oferece suporte ao DSN conforme a demanda da rede. cresce.
Um close-up do terminal óptico na Deep Space Station 13 mostra sete espelhos hexagonais que coletam sinais do laser downlink do DSOC. Os espelhos refletem a luz para uma câmera diretamente acima, e o sinal é então enviado a um detector por meio de um sistema de fibra óptica. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Melhorias na comunicação no espaço profundo
A antena híbrida óptica de radiofrequência de 34 metros (112 pés), chamada Deep Space Station 13, rastreou o laser downlink da demonstração da tecnologia Deep Space Optical Communications (DSOC) da NASA desde novembro de 2023. O transceptor de laser de voo da demonstração técnica (veja a imagem abaixo) está viajando com a espaçonave Psyche da agência, lançada em 13 de outubro de 2023.
A antena híbrida está localizada no Goldstone Deep Space Communications Complex da DSN, perto de Barstow, Califórnia, e não faz parte do experimento DSOC. O DSN, DSOC e Psyche são gerenciados pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia.
O transceptor laser de voo de demonstração da tecnologia Deep Space Optical Communications (DSOC) é mostrado no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia em abril de 2021, antes de ser instalado dentro de seu gabinete em forma de caixa que mais tarde foi integrado à espaçonave Psyche da NASA. O transceptor consiste em um transmissor de laser infravermelho próximo para enviar dados de alta taxa para a Terra e uma câmera sensível de contagem de fótons para receber dados de baixa taxa transmitidos pelo solo. O transceptor é montado em um conjunto de suportes e atuadores – mostrados nesta fotografia – que estabiliza a óptica das vibrações da espaçonave. Crédito: NASA/JPL-Caltech
“Nossa antena híbrida foi capaz de travar e rastrear com sucesso e confiabilidade o downlink DSOC logo após o lançamento da demonstração tecnológica”, disse Amy Smith, vice-gerente da DSN na JPL. “Ele também recebeu o sinal de radiofrequência de Psyche, então demonstramos pela primeira vez comunicações síncronas de rádio e frequência óptica no espaço profundo.”
No final de 2023, a antena híbrida transferiu dados de 20 milhões de milhas (32 milhões de quilómetros) de distância a uma taxa de 15,63 megabits por segundo – cerca de 40 vezes mais rápido do que as comunicações de radiofrequência a essa distância. Em 1º de janeiro de 2024, a antena fez downlink de uma fotografia da equipe que havia sido carregada no DSOC antes do lançamento do Psyche.
Agora que a antena híbrida experimental de Goldstone provou que tanto os sinais de rádio quanto os de laser podem ser recebidos sincronizadamente pela mesma antena, antenas híbridas especialmente construídas (como a retratada aqui no conceito de um artista) poderão um dia se tornar uma realidade. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Avanço em dupla funcionalidade
Para detectar os fótons do laser (partículas quânticas de luz), sete espelhos segmentados ultraprecisos foram fixados no interior da superfície curva da antena híbrida. Assemelhando-se ao espelhos hexagonais da NASA Telescópio Espacial James Webb, esses segmentos imitam a abertura de coleta de luz de um telescópio com abertura de 3,3 pés (1 metro). À medida que os fótons do laser chegam à antena, cada espelho reflete os fótons e os redireciona com precisão para uma câmera de alta exposição anexada ao sub-refletor da antena suspensa acima do centro da antena.
O sinal do laser coletado pela câmera é então transmitido através de uma fibra óptica que alimenta um único nanofio semicondutor resfriado criogenicamente. fóton detector. Projetado e construído por JPL’s Laboratório de Microdispositivoso detector é idêntico ao (veja a imagem abaixo) usado no Observatório Palomar da Caltech, no condado de San Diego, Califórnia, que atua como estação terrestre de downlink do DSOC.
Aqui é mostrada uma cópia idêntica do Deep Space Optical Communications, ou DSOC, detector supercondutor de fóton único de nanofio que está acoplado ao Telescópio Hale de 200 polegadas (5,1 metros) localizado no Observatório Palomar da Caltech no condado de San Diego, Califórnia. Construído pelo Laboratório de Microdispositivos do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, o detector foi projetado para receber sinais de laser infravermelho próximo do transceptor de vôo DSOC viajando com a missão Psyche da NASA no espaço profundo como parte da demonstração de tecnologia. Crédito: NASA/JPL-Caltech
“É um sistema óptico de alta tolerância construído em uma estrutura flexível de 34 metros”, disse Barzia Tehrani, vice-gerente de sistemas terrestres de comunicações e gerente de entrega da antena híbrida no JPL. “Usamos um sistema de espelhos, sensores precisos e câmeras para alinhar ativamente e direcionar o laser do espaço profundo para uma fibra que chega ao detector.”
Teerani espera que a antena seja sensível o suficiente para detectar o sinal laser enviado de Marte em seu ponto mais distante da Terra (2 ½ vezes a distância do Sol à Terra). Psyche estará a essa distância em junho, a caminho do principal cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter para investigar o asteróide rico em metais Psyche.
O refletor de sete segmentos na antena é uma prova de conceito para uma versão ampliada e mais poderosa com 64 segmentos – o equivalente a um telescópio de abertura de 8 metros (26 pés) – que poderá ser usada no futuro.
Durante um teste da antena experimental, esta foto da equipe do projeto no JPL foi transmitida pelo transceptor DSOC a bordo do Psyche. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Perspectivas Futuras e Desenvolvimento de Infraestrutura
O DSOC está abrindo caminho para comunicações com taxas de dados mais altas, capazes de transmitir informações científicas complexas, vídeos e imagens de alta definição em apoio ao próximo salto gigante da humanidade: enviando humanos para Marte. A demonstração técnica transmitiu recentemente o primeiro vídeo de ultra-alta definição do espaço profundo com taxas de bits recordes.
A modernização de antenas de radiofrequência com terminais ópticos e a construção de antenas híbridas especialmente construídas poderia ser uma solução para a atual falta de uma infraestrutura terrestre óptica dedicada. O DSN possui 14 antenas distribuídas em instalações na Califórnia, Madrid e Canberra, Austrália. As antenas híbridas poderiam contar com comunicações ópticas para receber grandes volumes de dados e usar frequências de rádio para dados com menor consumo de largura de banda, como telemetria (informações de saúde e de posição).
“Durante décadas, temos adicionado novas frequências de rádio às antenas gigantes do DSN localizadas ao redor do globo, então o próximo passo mais viável é incluir frequências ópticas”, disse Tehrani. “Podemos ter um ativo fazendo duas coisas ao mesmo tempo; convertendo nossas vias de comunicação em rodovias e economizando tempo, dinheiro e recursos.”
Missão e avanços tecnológicos
DSOC é a mais recente de uma série de demonstrações de comunicação óptica financiadas pelo programa Technology Demonstration Missions (TDM) da NASA e pelo programa Space Communications and Navigation (SCaN) da agência. JPL, uma divisão da Caltech em Pasadena, Califórnia, gerencia DSOC para TDM dentro da Diretoria de Missões de Tecnologia Espacial da NASA e SCaN dentro da Diretoria de Missões de Operações Espaciais da agência.
