Миссия НАСА «Психея» стартовала 13 октября 2023 года с целью исследовать то, что могло быть обнаженным металлическим ядром древней планеты. Поездка на борту космического корабля «Психея» — это дополнительная демонстрация технологий. Демонстрация НАСА глубокой космической оптической связи (DSOC) проверит использование лазеров для передачи и приема большего количества данных с удаленных космических кораблей, чем это возможно с помощью радиоволн, используемых в настоящее время. Использование узкого лазерного луча для связи с космическим кораблем, расположенным на расстоянии 300 миллионов километров, представляет собой сложную задачу как в межпланетном, так и в квантовом масштабе. Однако в случае успеха демонстрация DSOC может открыть целый мир новых возможностей для будущих миссий в дальний космос. ЕКА примет участие в демонстрации DSOC в 2025 году, и уже началась работа по разработке необходимых передовых лазерных технологий и наземной инфраструктуры в Европе.
«Оптоволоконная технология на Земле обеспечила невероятную скорость передачи данных для таких приложений, как Интернет», — говорит Клеменс Хиз, руководитель отдела оптических технологий в Европейском центре космических операций ЕКА в Дармштадте, Германия. «Однако передача данных с космических аппаратов на межпланетные расстояния по-прежнему ограничивается использованием радиоволн». «Мы уже показали, что оптическая связь может обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных для спутников наблюдения Земли и телекоммуникационных спутников на низких околоземных орбитах. Но чтобы использовать ее на дальних космических расстояниях, нам нужны мощные, высокоточные лазеры и сверхчувствительные одиночные -детекторов фотонов, которых просто пока не существует, с требуемыми характеристиками».
Используя импульсы света с более высокой частотой, чем радиоволны, оптическая связь позволяет передавать больше данных за определенный период времени. Эта более высокая скорость передачи данных может позволить будущим миссиям в дальний космос на определенных расстояниях от Земли использовать более сложные научные инструменты и возвращать значительно больше данных, чем это возможно в настоящее время. Однако тестирование новой технологии в ходе миссии в дальний космос, где каждый килограмм полезной нагрузки должен быть тщательно отобран, — редкая возможность. DSOC НАСА — это первый шанс укрепить доверие к оптической связи в дальнем космосе и повысить ее готовность к использованию в космических полетах.
ЕКА участвует в демонстрации DSOC с целью повышения европейского опыта как внутри Агентства, так и за его пределами. Это участие позволит будущим европейским миссиям по Солнечной системе рассмотреть возможность использования оптической связи в дальнем космосе и повысит европейский промышленный потенциал в жизненно важном технологическом секторе будущего однофотонной квантовой оптической связи. ЕКА и НАСА имеют давнее партнерство в области связи и оперативной совместимости в дальнем космосе. Это сотрудничество позволяет космическим кораблям ЕКА связываться с наземными станциями НАСА, а миссиям НАСА — со станциями ЕКА Estrack, подобно тому, как европейские мобильные телефоны совместимы с сотовыми сетями в США, и наоборот. Эта кросс-совместимая система обеспечивает бесперебойную связь на огромных межпланетных расстояниях и символизирует прочное международное сотрудничество в освоении космоса.
Сотрудничая в демонстрации DSOC, агентства учитывают эту совместимость на самых ранних этапах разработки нового типа спутниковой связи. Оба агентства разрабатывают собственную наземную инфраструктуру для связи с DSOC. Эта наземная инфраструктура должна быть построена на большой высоте, чтобы избежать как можно большего влияния атмосферы Земли и облачного покрова. Например, объект НАСА расположен в горных районах Калифорнии, что позволяет использовать там чистые атмосферные условия. Чтобы выбрать подходящее место для наземной инфраструктуры ЕКА, команда начала с рассмотрения наиболее подходящих оптических телескопов в Европе, которые можно было бы использовать для приема лазерных импульсов от DSOC. 2,3-метровый телескоп «Аристарх», расположенный на высоте 2340 м в обсерватории Хелмос в Греции, отметил все необходимые галочки.
Однако команде еще предстояло найти подходящее место для мощного лазерного передатчика, который будет использоваться для передачи сигналов на космический корабль. Мощный передатчик должен быть расположен поблизости, чтобы сигналы можно было отправлять и принимать от DSOC в течение одного и того же окна связи. К счастью, в 37 км от обсерватории Хелмос, через долину и на вершине следующей горной вершины, находится обсерватория Крионери. Сейчас ведутся работы по подготовке однофотонно-чувствительного детектора-приемника в обсерватории Хелмос и мощного лазерного передатчика в обсерватории Крионери. Наземный лазерный приемник ЕКА для оптической связи в дальнем космосе будет представлять собой сложный приемный блок, известный как «оптическая скамья». Этот приемник будет надежно закреплен на задней части телескопа Аристарх. «Детектор приемника должен быть очень чувствительным, чтобы обнаруживать отдельные квантовые частицы света — фотоны — от DSOC, посланные на сотни миллионов километров», — говорит Синда Межри, ведущий инженер-оптик системы наземного лазерного приемника ЕКА.
«Чтобы обнаружить отдельные фотоны, детектор должен быть сверхпроводящим, то есть он может проводить электричество без какого-либо сопротивления. Для этого детектор приемника охлаждается до -272,15°C (1 Кельвин). Поглощение фотона нарушает сверхпроводимость детектора. состоянии, создавая измеримый электрический импульс». «Хотя один пиксель размером всего в несколько микрон может достичь такой чувствительности, нашему новому детектору требуется 36 таких пикселей для работы в унисон, что создает серьезные проблемы, связанные с квантовой механикой и необходимой сложной электронной схемой». Кроме того, перед детектором стоит уникальная задача: он должен быть криогенно охлажден, но при этом иметь возможность двигаться, когда телескоп поворачивается и следует за космическим кораблем по небу. Криогенные системы обычно сопротивляются движению, и обеспечение постоянного охлаждения во время движения является еще одной серьезной технологической задачей.
Наземный лазерный приемник также включает в себя электронику для контроля уровня сигнала от DSOC. Если сигнал ослабнет, система автоматически отрегулирует положение телескопа для поддержания уровня сигнала и передаст эту информацию на лазерный передатчик на расстоянии 37 км, гарантируя точное выравнивание. Такая установка требует разработки специализированного программного обеспечения для эффективной координации этих операций. Разработка наземного приемника ЕКА началась в начале этого года. После завершения он будет отправлен в Лабораторию реактивного движения НАСА в Калифорнии для тестирования совместимости с тестовой моделью передатчика DSOC. Разработка мощного лазерного передатчика в Крионери также представляет собой технологическую задачу.
«Лазер должен быть настолько мощным, чтобы он фактически разрушил защитное покрытие собственных оптических компонентов и зеркал и расплавил обычную волоконную оптику, если бы при его разработке не были приняты необходимые меры предосторожности», — говорит ведущий оптический инженер ESA Ground Laser Transmitter Андреа Ди Мира. «И мы объединяем до семи отдельных лучей, которые должны бесперебойно работать вместе».Объединив семь лучей, лазер ЕКА будет способен передавать фотоны, закодированные информацией, достаточно яркой, чтобы DSOC мог их обнаружить, когда он находится примерно в 1,5–2,5 астрономических единицах (220–370 миллионов км) от Земли. Эти расстояния были бы типичны, например, для будущей миссии на Марс. НАСА полагает, что оно сможет распространить эту технологию на еще большие расстояния. Помимо высокой яркости, лазерный луч должен быть направлен точно в сторону далекого космического корабля. Требуемая точность подобна наведению лазерной указки с Земли на небольшой кратер на Луне.
Начались работы по подготовке площадки для передатчика в Крионери. После завершения система будет протестирована на пониженной мощности с использованием терминала оптической связи Alphasat, европейского спутника для демонстрации технологий, который сейчас находится на геостационарной орбите. Участие ЕКА в демонстрации DSOC стало возможным благодаря консорциуму европейских компаний, включая qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems и NKT Photonics Ltd, а также Национальной обсерватории Афин, которая обеспечивает доступ к Helmos. и обсерватории Крионери. «Этим проектом мы действительно бросаем вызов европейской промышленности», — говорит Синда Межри. «Но они с радостью приняли этот вызов. Работа, которую они выполняют здесь, также может дать им преимущество в разработке важных технологий для таких приложений, как квантовое распределение ключей, используемое для безопасной связи, и квантовая визуализация».
Оптическая связь в дальнем космосе считается наиболее сложной формой оптической связи. Его технологические инновации, особенно связанные с квантовой оптической связью, принесут прямую пользу миссиям ЕКА в этой области, таким как SAGA, Eagle-1, OPS-SAT VOLT или QKDSAT. Эксперименты ЕКА с DSOC пройдут в 2025 году, когда космический корабль окажется достаточно далеко от Земли, чтобы стать представителем будущих научных и исследовательских миссий в дальнем космосе. В случае успеха демонстрация может проложить путь к новому поколению исследований Солнечной системы и развитию станций оптической связи в дальнем космосе на Земле. DSOC работает вместе с миссией НАСА Psyche, но не будет передавать данные миссии Psyche. Основная цель миссии «Психея» — исследование загадочного одноименного богатого металлами астероида. Ученые полагают, что каменистые планеты земной группы, такие как Земля, содержат металлические ядра, но их расположение так глубоко под поверхностью делает их трудными для изучения. Астероид Психея дает редкую возможность изучить историю и формирование планет земного типа.
Психея была впервые обнаружена итальянским астрономом Аннибале де Гаспарисом в 1852 году и стала 16-м когда-либо открытым астероидом. Почти два столетия спустя в Италии теперь находится Управление планетарной защиты ЕКА, которое особенно радо видеть результаты миссии «Психея». Понимание человечеством астероидов быстро растет: мы совершенствуемся в обнаружении небольших астероидов до столкновения с Землей, в обнаружении тех, которые пролетают рядом, подходе близко к ним для изучения с помощью космических кораблей и даже в возврате образцов астероидов на Землю. Миссия Psyche и демонстрация технологии DSOC вместе с ней позволят лучше понять происхождение нашей Вселенной и расширят нашу способность передавать большие объемы научных данных обратно на Землю.
