Kommunikationssystem erreicht bisher schnellste Laserverbindung aus dem Weltraum

Dec 04, 2023

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Im Mai 2022 wurde die Nutzlast TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) an Bord eines kleinen CubeSat-Satelliten in eine Umlaufbahn 300 Meilen über der Erdoberfläche gebracht. Seitdem hat TBIRD Terabytes an Daten mit rekordverdächtigen Geschwindigkeiten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde – 100-mal schneller als die schnellsten Internetgeschwindigkeiten in den meisten Städten – über eine optische Kommunikationsverbindung an einen bodengestützten Empfänger in Kalifornien übermittelt. Diese Datenrate ist mehr als 1.000-mal höher als die der traditionell für die Satellitenkommunikation verwendeten Hochfrequenzverbindungen und die höchste, die jemals von einer Laserverbindung vom Weltraum zur Erde erreicht wurde. Und diese rekordverdächtigen Geschwindigkeiten wurden alle durch eine Kommunikationsnutzlast von etwa der Größe einer Taschentuchbox ermöglicht.

Das MIT Lincoln Laboratory konzipierte die TBIRD-Mission im Jahr 2014 als eine Möglichkeit, wissenschaftliche Missionen mit beispiellosen Fähigkeiten zu geringen Kosten auszustatten. Heutzutage erzeugen wissenschaftliche Instrumente im Weltraum routinemäßig mehr Daten, als über typische Kommunikationsverbindungen zwischen Weltraum und Erde zur Erde zurückgesendet werden können. Mit kleinen, kostengünstigen Weltraum- und Bodenterminals kann TBIRD Wissenschaftlern auf der ganzen Welt die Möglichkeit geben, die Vorteile der Laserkommunikation voll auszunutzen, um alle Daten, die sie sich nur wünschen können, herunterzuladen.

Die im Lincoln Laboratory entworfene und gebaute TBIRD-Kommunikationsnutzlast wurde in einen CubeSat integriert, der von Terran Orbital im Rahmen des Pathfinder Technology Demonstrator-Programms der NASA hergestellt wurde. Das NASA Ames Research Center hat dieses Programm ins Leben gerufen, um einen CubeSat-Bus (das „Fahrzeug“, das die Nutzlast antreibt und steuert) zu entwickeln, um Wissenschafts- und Technologiedemonstratoren schneller und kostengünstiger in die Umlaufbahn zu bringen. Der CubeSat wiegt etwa 25 Pfund und ist so groß wie zwei gestapelte Müslischachteln. Er wurde im Mai 2022 an Bord der Mitfahrgelegenheit Transporter-5 von Space befindet sich am Tafelberg in Kalifornien, wo das meiste Wetter unterhalb des Berggipfels herrscht, wodurch dieser Teil des Himmels für die Laserkommunikation relativ klar ist. Diese Bodenstation nutzt das Ein-Meter-Teleskop und die adaptive Optik (zur Korrektur von durch atmosphärische Turbulenzen verursachten Verzerrungen) im Optical Communications Telescope Laboratory des NASA Jet Propulsion Laboratory, wobei das Lincoln Laboratory die TBIRD-spezifische Bodenkommunikationshardware bereitstellt.

„Wir haben eine höhere Datenrate als je zuvor in einem kleineren Paket als je zuvor demonstriert“, sagt Jade Wang, Programmmanagerin des Labors für die TBIRD-Nutzlast und Bodenkommunikation und stellvertretende Leiterin der Gruppe für optische und Quantenkommunikationstechnologie. „Obwohl das Senden von Daten aus dem Weltraum mithilfe von Lasern futuristisch klingen mag, steckt das gleiche technische Konzept hinter dem Glasfaser-Internet, das wir täglich nutzen. Der Unterschied besteht darin, dass die Laserübertragungen in der offenen Atmosphäre und nicht in geschlossenen Fasern stattfinden.“

Von Radiowellen bis Laserlicht

Ob Videokonferenzen, Spiele oder das Streamen von Filmen in High Definition: Sie verwenden Verbindungen mit hoher Datenrate, die über Glasfasern aus Glas (oder manchmal auch Kunststoff) verlaufen. Diese Fasern haben etwa den Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne und sind zu Kabeln gebündelt, die Daten über sich schnell ausbreitende Lichtimpulse eines Lasers oder einer anderen Quelle übertragen. Glasfaserkommunikation ist im Internetzeitalter von größter Bedeutung, da täglich große Datenmengen schnell und zuverlässig über den gesamten Globus verteilt werden müssen.

Für Satelliten gibt es jedoch noch kein Hochgeschwindigkeitsinternet auf Basis von Laserkommunikation. Seit Beginn der Raumfahrt in den 1950er Jahren sind Missionen auf Funkfrequenzen angewiesen, um Daten in den und aus dem Weltraum zu senden. Im Vergleich zu Radiowellen hat das in der Laserkommunikation verwendete Infrarotlicht eine viel höhere Frequenz (oder kürzere Wellenlänge), wodurch mehr Daten in jede Übertragung gepackt werden können. Laserkommunikation wird es Wissenschaftlern ermöglichen, 100- bis 1.000-mal mehr Daten zu senden als heutige Hochfrequenzsysteme – vergleichbar mit unserem terrestrischen Wechsel von DFÜ- zu Hochgeschwindigkeitsinternet.

Von der Erdbeobachtung bis zur Weltraumforschung werden viele wissenschaftliche Missionen von dieser Beschleunigung profitieren, insbesondere wenn die Instrumentenkapazitäten weiterentwickelt werden, um größere Mengen hochauflösender Daten zu erfassen, Experimente mehr Fernsteuerung erfordern und Raumfahrzeuge weiter von der Erde in den Weltraum fliegen.

Allerdings bringt die laserbasierte Weltraumkommunikation mehrere technische Herausforderungen mit sich. Im Gegensatz zu Radiowellen bildet Laserlicht einen schmalen Strahl. Für eine erfolgreiche Datenübertragung muss dieser schmale Strahl genau auf einen am Boden befindlichen Empfänger (z. B. Teleskop) gerichtet sein. Und obwohl Laserlicht im Weltraum weite Strecken zurücklegen kann, können Laserstrahlen aufgrund atmosphärischer Einflüsse und Wetterbedingungen verzerrt werden. Diese Verzerrung führt zu einem Leistungsverlust des Strahls, was zu Datenverlust führen kann.

In den letzten 40 Jahren hat sich das Lincoln Laboratory mit verschiedenen Programmen diesen und damit verbundenen Herausforderungen angenommen. Zu diesem Zeitpunkt sind diese Herausforderungen zuverlässig gelöst und die Laserkommunikation findet rasch breite Verbreitung. Die Industrie hat mit der Verbreitung von LEO-Querverbindungen mithilfe von Laserkommunikation begonnen, mit der Absicht, das bestehende terrestrische Backbone zu verbessern und ein potenzielles Internet-Backbone für Benutzer in ländlichen Gebieten bereitzustellen. Letztes Jahr startete die NASA das Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), ein bidirektionales optisches Kommunikationssystem, das auf einem Labordesign basiert. Bei kommenden Missionen wird ein im Labor entwickeltes Laserkommunikationsterminal zur Internationalen Raumstation gebracht, wo das Terminal mit LCRD „kommuniziert“ und Artemis II unterstützt, ein bemanntes Programm, das vor einem künftigen bemannten Programm am Mond vorbeifliegen wird Mondlandung.

„Angesichts des wachsenden Interesses und der Entwicklung an weltraumgestützter Laserkommunikation stößt das Lincoln Laboratory weiterhin an die Grenzen des Möglichen“, sagt Wang. „TBIRD kündigt einen neuen Ansatz an, der das Potenzial hat, die Datenratenfähigkeiten weiter zu steigern, Größe, Gewicht und Leistung zu verringern und die Kosten für die Laserkommunikation zu senken.“

Eine Möglichkeit, mit der TBIRD diese Kosten senken will, ist die Nutzung kommerzieller Standardkomponenten, die ursprünglich für terrestrische Glasfasernetze entwickelt wurden. Allerdings sind terrestrische Komponenten nicht dafür ausgelegt, den Strapazen des Weltraums standzuhalten, und ihr Betrieb kann durch atmosphärische Einflüsse beeinträchtigt werden. Mit TBIRD entwickelte das Labor Lösungen für beide Herausforderungen.

Kommerzielle, an den Weltraum angepasste Komponenten

Die TBIRD-Nutzlast integriert drei wichtige kommerzielle Standardkomponenten: ein optisches Hochgeschwindigkeitsmodem, ein großes Hochgeschwindigkeitsspeicherlaufwerk und einen optischen Signalverstärker.

Alle diese Hardwarekomponenten wurden Stoß- und Vibrations-, Thermovakuum- und Strahlungstests unterzogen, um herauszufinden, wie sich die Hardware im Weltraum schlagen könnte, wo sie starken Kräften, extremen Temperaturen und hohen Strahlungswerten ausgesetzt wäre. Als das Team den Verstärker zum ersten Mal durch einen thermischen Test testete, der die Weltraumumgebung simulierte, schmolzen die Fasern. Wie Wang erklärt, existiert im Vakuum keine Atmosphäre, sodass Wärme eingeschlossen wird und nicht durch Konvektion freigesetzt werden kann. Das Team arbeitete mit dem Hersteller zusammen, um den Verstärker so zu modifizieren, dass er Wärme stattdessen durch Wärmeleitung abgibt.

Um Datenverlusten durch atmosphärische Einflüsse entgegenzuwirken, entwickelte das Labor eine eigene Version von Automatic Repeat Request (ARQ), einem Protokoll zur Kontrolle von Fehlern bei der Datenübertragung über eine Kommunikationsverbindung. Bei ARQ alarmiert der Empfänger (in diesem Fall das Bodenterminal) den Sender (Satellit) über ein Uplink-Signal mit niedriger Rate, um jeden Datenblock (Frame), der verloren gegangen oder beschädigt ist, erneut zu übertragen.

„Wenn das Signal ausfällt, können Daten erneut übertragen werden. Wenn dies jedoch ineffizient erfolgt – das heißt, Sie verbringen Ihre ganze Zeit damit, wiederholte Daten anstelle neuer Daten zu senden –, kann es zu erheblichen Durchsatzeinbußen kommen“, erklärt TBIRD-Systemingenieur Curt Schieler, a technischer Mitarbeiter in Wangs Gruppe. „Mit unserem ARQ-Protokoll teilt der Empfänger der Nutzlast mit, welche Frames er korrekt empfangen hat, sodass die Nutzlast weiß, welche sie erneut übertragen muss.“

Ein weiterer neuer Aspekt von TBIRD ist das Fehlen eines Gimbals, eines Mechanismus zum Ausrichten des schmalen Laserstrahls. Stattdessen verlässt sich TBIRD auf ein im Labor entwickeltes Fehlersignalisierungskonzept für die präzise Körperausrichtung des Raumfahrzeugs. Fehlersignale werden an den CubeSat-Bus gesendet, damit dieser weiß, wie er den Körper des gesamten Satelliten genau auf die Bodenstation ausrichten muss. Ohne Gimbal kann die Nutzlast noch weiter miniaturisiert werden.

„Wir wollten eine kostengünstige Technologie demonstrieren, die zur Unterstützung wissenschaftlicher Missionen schnell große Datenmengen vom LEO zur Erde übertragen kann“, sagt Wang. „In nur wenigen Betriebswochen haben wir dieses Ziel bereits erreicht und beispiellose Übertragungsraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde erreicht. Als nächstes planen wir, zusätzliche Funktionen des TBIRD-Systems auszuprobieren, einschließlich der Erhöhung der Raten auf 200 Gigabit pro Sekunde.“ Dies ermöglicht den Downlink von mehr als 2 Terabyte an Daten – das entspricht 1.000 hochauflösenden Filmen – in einem einzigen fünfminütigen Durchgang über eine Bodenstation.“

Das Lincoln Laboratory hat die TBIRD-Mission und -Technologie in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt.

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