Il collegamento laser della NASA vanta un record

Un gruppo di ricercatori della NASA, del MIT e di altre istituzioni ha realizzato il collegamento di comunicazione laser spazio-terra più veloce mai realizzato, raddoppiando il record stabilito l’anno scorso. Con una velocità di trasmissione dati di 200 gigabit al secondo, un satellite potrebbe trasmettere più di 2 terabyte di dati, ovvero circa 1.000 film ad alta definizione, in un singolo passaggio di 5 minuti su una stazione di terra.

"Le implicazioni sono di vasta portata perché, in parole povere, più dati significano più scoperte", afferma Jason Mitchell, ingegnere aerospaziale del programma Space Communications and Navigation della NASA.

Il nuovo collegamento di comunicazione è stato reso possibile dal sistema TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) in orbita a circa 530 chilometri sopra la superficie terrestre. Lanciato nello spazio lo scorso maggio, TBIRD ha raggiunto velocità di downlink fino a 100 Gb/s con un ricevitore terrestre in California entro lo scorso giugno. Si è trattato di 100 volte più veloce della velocità Internet più elevata nella maggior parte delle città e più di 1.000 volte più veloce dei collegamenti radio tradizionalmente utilizzati per le comunicazioni con i satelliti.

Le reti dati più veloci sulla Terra si basano generalmente su comunicazioni laser su fibra ottica. Tuttavia, per i satelliti non esiste ancora un Internet ad alta velocità basato sul laser. Invece, le agenzie spaziali e gli operatori satellitari commerciali utilizzano più comunemente la radio per comunicare con oggetti nello spazio. La luce infrarossa utilizzata dalle comunicazioni laser ha una frequenza molto più elevata rispetto alle onde radio, consentendo velocità di trasmissione dati molto più elevate.

"Ci sono satelliti attualmente in orbita limitati dalla quantità di dati che sono in grado di trasmettere in downlink, e questa tendenza non potrà che aumentare man mano che verranno lanciati satelliti più capaci", afferma Kat Riesing, ingegnere aerospaziale e membro dello staff del MIT Lincoln Laboratory sul La squadra TBIRD. "Anche un imager iperspettrale, l'HISUI sulla Stazione Spaziale Internazionale, deve inviare dati alla Terra tramite unità di archiviazione sulle navi mercantili a causa delle limitazioni sulle velocità di downlink. TBIRD è un grande facilitatore per le missioni che raccolgono dati importanti sul clima e sulle risorse della Terra, così come applicazioni astrofisiche come l'imaging del buco nero."

Il MIT Lincoln Laboratory ha concepito TBIRD nel 2014 come un modo economico e ad alta velocità per accedere ai dati sui veicoli spaziali. Un modo fondamentale per ridurre le spese è stato l'utilizzo di componenti commerciali standardizzati originariamente sviluppati per l'uso terrestre. Questi includono modem ottici ad alta velocità sviluppati per le telecomunicazioni in fibra e storage di grandi volumi ad alta velocità per conservare i dati, afferma Riesing.

Situato a bordo del satellite Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) della NASA, TBIRD è stato portato in orbita sulla missione di rideshare Transporter-5 di SpaceX dalla stazione spaziale di Cape Canaveral in Florida il 25 maggio 2022. Il satellite PTD-3 pesa circa 12 chilogrammi CubeSat ha le dimensioni di due scatole di cereali impilate e il suo carico utile TBIRD non è più grande della scatola di fazzoletti media. "La spinta del settore verso ricetrasmettitori ottici piccoli, a basso consumo e ad alta velocità di trasmissione dati ci ha permesso di ottenere un fattore di forma compatto adatto anche a piccoli satelliti", afferma Mitchell.

"Ci sono satelliti attualmente in orbita limitati dalla quantità di dati che sono in grado di effettuare il downlink, e questa tendenza non potrà che aumentare man mano che verranno lanciati satelliti più capaci." —Kat Riesing, ingegnere aerospaziale, MIT Lincoln Laboratory

Lo sviluppo di TBIRD ha dovuto affrontare una serie di sfide. Per cominciare, i componenti terrestri non sono progettati per sopravvivere ai rigori del lancio e del funzionamento nello spazio. Ad esempio, durante un test termico che simulava le temperature estreme che i dispositivi potrebbero affrontare nello spazio, le fibre dell'amplificatore di segnale ottico si sono sciolte.

Il problema era che, se utilizzata come previsto originariamente, l'atmosfera poteva contribuire a raffreddare l'amplificatore attraverso la convezione. Durante il test nel vuoto, simulando lo spazio, il calore generato dall'amplificatore è rimasto intrappolato. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno collaborato con il fornitore dell'amplificatore per modificarlo in modo che rilasciasse invece calore attraverso la conduzione.

Inoltre, i raggi laser dallo spazio alla Terra possono subire distorsioni dovute agli effetti atmosferici e alle condizioni meteorologiche. Ciò può causare una perdita di potenza e, di conseguenza, una perdita di dati per le travi.