فناوری لیزر پنجره‌ای جدید برای دنیای مخابرات فضایی

بهره‌برداری از سیستم‌های ارتباطاتی لیزری در ماهواره‌هایی که اخیرا پرتاب شده یا در آینده پرتاب می‌شوند باعث افزایش سرعت انتقال داده در فضا می‌شود. این فناوری پتانسیل ایجاد یک پیشرفت انقلابی را در زمینه‌ی مخابرات چه در زمین و چه در منظومه ی شمسی داراست.

ارتباطات لیزری از طریق فیبرهای نوری ده‌ها ترابیات داده را در هر ثانیه بین شهرها و از میان اقیانوس ها منتقل می‌کند. اما برای بخش اعظمی از کره زمین مانند مناطق دورافتاده یا پلتفرم‌های متحرک مانند هواپیماها،کشتی‌ها و حتی بعضی از ماهواره‌ها، که در آنها استفاده از فیبر نوری امکان پذیر نیست برقراری ارتباطات با استفاده از ماهواره‌های مخابراتی انجام می‌گیرد.

این ارتباطات متکی به فرکانس‌های رادیویی می‌باشند که اگرچه از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار هستند اما نسبت به فیبر نوری سرعت کمتری دارند، ضمن اینکه مشکلات مربوط به آنتن‌ها، توان مورد نیاز و محدودیت طیف در دسترس را نیز باید در نظر داشت.

پتانسیل ارتباطات لیزری برای فائق آمدن بر این مشکلات بلافاصله پس از اختراع آن مورد توجه قرار گرفت؛ اگرچه این تکنولوژی نیز چالش های جدیدی همچون نشانه گیری و ردیابی اشعه‌های باریک در فواصل زیاد، عبور از ابرها و مشکلات دیگری که در مواجهه با شرایط اقلیمی ایجاد می‌شوند را با خود به همراه داشت.

اگرچه اولین سیستم ارتباطات لیزری در دهه‌ی 90 میلادی در فضا به کار گرفته شد اما تنها در چند سال گذشته این تکنولوژی از لحاظ اقتصادی و پهنای باند جنبه‌ی عملیاتی پیدا کرده است.در سال‌های اخیر ناسا و سازمان فضایی اروپا تلاش‌هایی در این زمینه انجام داده‌اند و نهایتا ناسا در سال 2013 موفق شده تا داده‌هایی را به صورت لیزری و با سرعت 622 مگابایت بر ثانیه از ماه به زمین مخابره کند.

فرصتی برای فراتر رفتن از محدوده‌ی امواج رادیویی

طول موج‌های فرکانس بالای فرستنده‌های رادیویی مانند باند Ka، که در مدار geo و فاصله‌ی 39000 کیلومتری از زمین در حدود سانتیمتر هستند باعث ایجاد اشعه‌های پراکنده در وسعت صدها کیلومتر بر روی زمین می‌شوند.

افزایش سرعت انتقال داده با این امواج به میزان 1 گیگابایت بر ثانیه نیازمند استفاده از آنتن‌های بزرگتر از یک متر در ماهواره و توان مصرفی بسیار بالاتر است؛ ضمن اینکه برای جلوگیری از تداخل فضای وسیعی که این امواج بر روی سطح زمین پوشش می دهند بعضا اپراتورها مجبور به اجاره فضای رادیویی کشورهای دیگر هستند.

اما با استفاده از فرستنده های لیزری می توان در عین مصرف توان کمتر طول موج هایی 10000 برابر کوچکتر از فرستنده‌های رادیویی ایجاد کرد و در نتیجه منطقه بسیار متمرکزتری را در سطح زمین پوشش داد. با این روش دیگر تداخلی در امواج فرستنده های مختلف به وجود نخواهد آمد.

امنیت بالاتر در ارتباطات

ارتباطات تامین شده توسط سیستم مخابرات لیزری از امنیت بالایی برخوردار است. در این تکنولوژی ارتباط فوتونیکی بین ماهواره با زمین یا بین دو ماهواره ایجاد می شود که هر تلاشی برای ایجاد تداخل در سیگنال های آن باعث فروپاشی الگوهای تداخل سنجی گشته و منتج به برملا شدن عملیات جاسوسی می‌شود. بنابراین می‌توان گفت که امنیت ارتباطات لیزری به میزان زیادی از ارتباطات رادیویی بیشتر است.

اولین قدم‌های ارتباطات لیزری در فضا

اولین تلاش‌هایی که در مخابرات لیزری فضاپایه توسط ژاپن و اروپا انجام شد نشان دهنده‌ی موفقیت نسبی در حل بعضی از مشکلات ذکر شده داشت. ابتدا در سال 1994 ژاپن موفق شد که از لینک لیزری برای ارسال داده با سرعت 1 مگابایت بر ثانیه از ماهواره‌ی ETS-VI در مدار geo استفاده کند و سپس سازمان فضایی اروپا در سال 2001 با استفاده از لینک SILEX/Artemis از مدار geo به زمین و مدار leo برای انتقال داده این مسیر را ادامه داد.

این آزمایش های اولیه نشانه گذاری، دریافت و ردیابی اشعه‌های لیزر را بین ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی به نمایش گذاشتند و بستر انجام آزمایش‌های بعدی را فراهم ساختند.

توسعه‌ی ارتباطات لیزری در سال‌های ابتدایی قرن جدید با ارسال ماموریت مخابراتی لیزری GEOLite توسط شرکت TRW آمریکا در سال 2001 دنبال شد. در سال 2008 مرکز هوافضای آلمان موفق شد به نرخ انتقال داده‌ی 5.6 گیگابایت بر ثانیه در فاصله‌ی 4000 کیلومتری در فضا بین ماهواره‌ی TerraSAR-X متعلق به خود و ماهواره‌ی NFIRE متعلق به وزارت دفاع آمریکا دست پیدا کند.

هم اکنون اروپا بر روی این آزمایش کار می‌کند تا پهنای باند 1.8 گیگابایت بر ثانیه‌ای را برای ماهواره‌های سنجش از دور Sentinel که در مدار leo قرار دارند فراهم کند.

و اما ناسا!

سازمان فضایی آمریکا رویکرد تجربی‌تری را برای مخابرات لیزری در فضا در پیش گرفته است. اگرچه تمام تلاش های ناسا در این زمینه در دهه‌های 80 و 90 به خاطر بودجه‌ی سرسام آور و نبود ضریب اطمینان بالای اجزاء برای استفاده در فضا منجر به شکست شدند اما با شروع قرن جدید و کاهش نسبی هزینه‌های تبادل اطلاعات اپتیکال، فعالیت‌های این سازمان وارد فاز جدیدی شد.

ناسا اولین سیستم ارتباطات لیزری خود را در سال 2013 و با ماموریت ” اثبات مخابرات لیزری قمری” (LLCD) بر روی کاوشگر LADEE به نمایش گذاشت. این سیستم اطلاعات را با نرخ 622 مگابایت بر ثانیه در فاصله‌ی 400 هزار کیلومتری بین زمین و ماه انتقال می‌دهد، توان مصرفی برابر با 90 وات و تنها 30.7 کیلوگرم وزن دارد. ویژگی‌های ذکر شده این ماموریت را به یک پیشرفت بزرگ در زمینه ارتباطات لیزری تبدیل کرده است.

پس از 3 ماه و با تمام شدن ماموریت کاوشگر LADEE، فعالیت سیستم LLCD نیز پایان یافت و هم اکنون ناسا در حالا تلاش برای ساخت رله‌ی مخابرات لیزری در قالب ماموریت LCRD تا سال 2019 می باشد. این محموله که در مرکز فضایی گودارد (Goddard) در حال توسعه است در مدار Geo استفاده خواهد شد و اطلاعات را با نرخ بین 2 مگابایت تا 1.244 گیگابایت بر ثانیه منتقل خواهد کرد.

در آینده چه خواهد شد؟

موفقیت پروژه‌ی LLCD در سال 2013 باعث ایجاد انگیزه برای به کارگیری ارتباطات لیزری در زمینه های دیگر از جمله اکتشافات اعماق فضا شد. محققین ناسا در تلاشند تا پایان سال 2017  سیستم ارتباطات اپتیکال اعماق فضا (DSOC) را آزمایش کنند و آن را برای ماموریت بعدی کاوشگر دیسکاوری (Discovery) در سال 2020 آماده کنند.

شرکت های تجاری که در حال تلاش برای تقویت پنای باند اینترنتی در سرتاسر جهان هستند علاقه‌ی وافری به استفاده از مخابرات لیزری دارند. دولت های مختلف جهان با افزایش سرمایه گذاری در این زمینه و فراهم کردن زیرساخت‌های اولیه نقش مهمی در پیشرفت این تکنولوژی دارند و اگر پیشرفت های مورد نظر برای کمتر ساختن هزینه این تکنولوژی از امواج رادیویی تحقق یابد، در آینده ی بسیاز نزدیک شاهد انقلابی بزرگ در زمینه‌ی مخابرات خواهیم بود.