تنزيلات سريعة: لماذا تتجه ناسا إلى استخدام الليزر للجيل القادم من الاتصالات الفضائية | علوم

صياد الكويكبات التابع لناسا مرض عقليتم إطلاقه مؤخرًا إلى الفضاء، وهو مصمم لتقديم لمحة عن جسم يشبه أعماق الأرض، حيث قد لا نصل إليها أبدًا. ومع ذلك، هناك أداة واحدة ترافقه في رحلته تثير اهتمام العلماء المتخصصين في مجال مختلف تمامًا: الاتصالات الفضائية. منذ فجر عصر الفضاء، اعتمدت هذه الاتصالات على موجات الراديو، وهي جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي. لكن العلماء يأملون في توسيع نطاقهم قريبًا ليشمل جزءًا آخر من الطيف. هدفها هو إضافة أشعة الليزر إلى معدات الاتصالات الكونية لدينا.

المهمة الرئيسية للمركبة الفضائية مرض عقلي من خلال استكشاف كويكب على شكل حبة البطاطس يبلغ قطره 232 كيلومترًا، يدور حول الشمس على بعد ثلاث مرات من الأرض. وتسمى إحدى النظريات الرئيسية أيضًا بالكويكب المستهدف مرض عقليالنواة المعدنية لكوكب قديم فقد سطحه الصخري بعد اصطدامات متتالية في حزام الكويكبات بين المريخ والمشتري.

إذا كان الأمر كذلك، فإن استكشاف الحديد والنيكل والصخور الفريدة من نوعها سيكون الأقرب لاستكشاف اللب المعدني للأرض.

وسوف يستغرق الأمر ست سنوات حتى تصل المركبة الفضائية وتكتشف ما إذا كانت قياسات سطح الكويكب المعدني صحيحة. إذا كان الأمر كذلك، فقد نجد أنفسنا مع مواد من خارج كوكب الأرض أكثر مما لدى الكتّاب اللب وفي أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، تسببت المواجهات مع كويكبات أخرى في تجمد المقذوفات المعدنية إلى أشكال غريبة.

لكن الباحثين في مجال الاتصالات الفضائية سيبدأون في رؤية النتائج قريبًا جدًا. ستكون تجربة الاتصالات الضوئية في الفضاء العميق (DSOC) أول عرض للاتصالات الليزرية أو الضوئية خارج القمر وستساعد رواد الفضاء على العودة إلى القمر والقيام بالقفزة الكبيرة التالية: المريخ. وهذه خطوة كبيرة نحو الدخول في حقبة جديدة في الاتصالات الفضائية.

إذا نجحت هذه التجارب وغيرها كما هو متوقع، فإن أشعة الليزر ستوفر دفعة مطلوبة بشدة لقيود النطاق الترددي التي تواجه نظام اتصالات رئيسي خارج الكوكب يسمى شبكة الفضاء العميق (DSN). تقع مواقع هوائيات الراديو الثلاثة التابعة لـ DSN، والتي يسيطر على كل منها طبق قمر صناعي بطول 70 مترًا، على مسافة 120 درجة في إسبانيا وأستراليا وصحراء كاليفورنيا. واليوم، فإن متطلبات العشرات من البعثات الفضائية، من تلسكوب جيمس ويب إلى الأقمار الصناعية التجارية الصغيرة (الدفع مقابل الخدمة) يجب أن تتنافس على وقت الشبكة.

READ  تمكن رواد فضاء ناسا من استعادة ثمرة طماطم فقدت في الفضاء لمدة 8 أشهر

وقال مايك ليفيسك، مدير برنامج DSN في مكتب الاتصالات والملاحة الفضائية (SCaN) التابع لناسا: “يمكن أن تكون هناك طلبات متضاربة بين المهام المتعددة”. “اليوم، 20% من الطلبات لم تتم تلبيتها. وسوف تتفاقم المشكلة مع مرور الوقت. وبحلول عام 2030 ستكون 40%.

وفي المستقبل، سيتم إطلاق 40 مهمة فضائية أخرى، كل منها سيتطلب وقتا من شبكة الاتصالات. والأهم من ذلك، أن بعض هذه المهام ستشمل بشرًا كرواد فضاء يعملون على القمر، ويبنون مختبرات وملاجئ، بأدوات تنقل فيديو عالي الوضوح وقياسات التمثيل الغذائي. إنهم لا يريدون أن يقولوا إن عليهم انتظار CubeSats التجارية، وهي الأقمار الصناعية الصغيرة التي تنقل أنواعًا مختلفة من البيانات العلمية وتوفر الاتصال بالإنترنت، لتنتشر في مدار أرضي منخفض.

يقول جيسون ميتشل، مدير المشروع في SCaN: “قد يكون التأخير مقبولًا بالنسبة للعلم، لكن بالنسبة للمهام البشرية، يجب علينا جميعًا أن نكون في متناول اليد”. “عندما نذهب إلى القمر ونخطط للذهاب إلى المريخ ونرى ما يريده رواد الفضاء من البشر، فإن الأدوات العلمية ستنمو أيضًا. “يمكننا إرسال تيرابايت من البيانات كل يوم.”

في تجربة توضيحية تم إطلاقها حديثًا، يهدف الباحثون إلى استغلال قدرة ضوء الليزر على حمل المزيد من المعلومات عبر موجات الراديو. إن الأطوال الموجية الضوئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء للطيف الكهرومغناطيسي قصيرة جدًا – تقاس بالنانومتر – بحيث يمكن للترددات العالية حمل المزيد من المعلومات في مكان واحد، مما يتيح معدلات نقل البيانات أسرع بـ 10 إلى 100 مرة. مذياع.

يقول ميتشل: “لهذا السبب تعتبر البصريات خيارًا جيدًا”. “سرعة البيانات عالية جدًا.”

ولإمكانيات مماثلة، يمكن أن تكون أنظمة الليزر أيضًا أصغر من أجهزة الراديو، لذا فهي تتطلب طاقة أقل، وهو عامل مهم آخر عندما تسافر المركبة الفضائية بضع مئات الملايين من الكيلومترات من المنزل.

READ  UNAM تطلق مهمة "كولمينا" الفضائية إلى القمر؛ ما هي الأهداف؟ - تمويل
لأول مرة، ستقوم ناسا باختبار اتصالات الليزر في الفضاء السحيق. تحمل الترددات الضوئية للضوء معلومات أكثر بـ 10 إلى 100 مرة في الثانية من إشارات الراديو. (الرسوم البيانية أدناه تقارن كمية البيانات التي تحملها موجة الراديو على اليسار والليزر تحت الأحمر على اليمين (المربعات البيضاء).) إشارة الليزر (الحمراء) أضيق بكثير من إشارة الراديو (الأزرق الفاتح)، والتي يمكن تحسين أمن الاتصالات في الفضاء، ولكن مع حالات عدم التطابق الصغيرة، كما يجعل الإرسال حساسًا.ناسا / مركز جودارد لرحلات الفضاء

على مدى العقد الماضي، قامت وكالة ناسا باختبار تكنولوجيا جديدة في بيئات مختلفة، من المدار الأرضي المنخفض إلى القمر. أداة على متن الطائرة مرض عقلي ويعد هذا معلما هاما، لأنه سيمكن من إجراء أول تجربة في الفضاء السحيق، مع وجود عيوب في الاتصال البصري. ولأن شعاع الليزر قصير، فلا بد من توجيهه بدقة شديدة إلى أجهزة الاستقبال على الأرض، وهو التحدي الذي يتزايد مع المسافة.

يقارن أبهيجيت بيسواس، فني برنامج DSOC في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا، والذي طور الأداة، الصعوبة بمحاولة ضرب عملة معدنية متحركة من مسافة ميل واحد. حتى الاهتزاز يمكن أن يتدخل: للحفاظ على ثبات جهاز الإرسال والاستقبال مرض عقليقام مختبر الدفع النفاث (JPL) بتركيب دعامات ومحركات خاصة لعزل المركبة الفضائية التي يبلغ طولها 81 قدمًا (حوالي 25 مترًا) عن الاهتزازات.

ومن المشاكل المحتملة الأخرى أن السحب الموجودة على الأرض يمكن أن تحجب الشعاع الضوئي، وتضعف الإشارة بشكل كبير مع زيادة المسافة وتشتت الشعاع. وهذا يحد من استخدامه إلى مسافات أبعد من المريخ، على الأقل مع التكنولوجيا الحالية. ولذلك، قبل أن تسافر المركبة الفضائية أبعد نحو الكويكب، سيتم إجراء الاختبارات فقط في أول عامين من الرحلة.

READ  كيف يبدو مذنب هالي وكم مرة يقترب من الأرض؟

لهذه الأسباب، بالإضافة إلى حقيقة عدم وجود شبكة أرضية من أجهزة الاستقبال الضوئية اليوم، لا أحد يتنبأ بالوقت الذي ستحل فيه الاتصالات بالليزر محل موجات الراديو. ولكن يمكنني إضافة قناة جديدة. يقول بيسواس: “سيتم تصميم العمليات المستقبلية من أجل التنوع”.

انطباع فني لمركبة الفضاء Psyche، التي بدأت رحلتها الطويلة نحو كويكب يحمل نفس الاسم في أكتوبر 2023. ناسا/مختبر الدفع النفاث-كالتك/جامعة ولاية أريزونا؛ فيلم لبيتر روبين

أثناء الاختبارات على متن الطائرة مرض عقليسيعمل جهاز إرسال بقدرة 5 كيلووات على جبل تيبل في جنوب كاليفورنيا، على إرسال حزمة اتصالات منخفضة السرعة – من المركبة الفضائية إلى جهاز إرسال واستقبال ليزر متصل بتلسكوب مقاس 8.6 بوصة. . ويستخدم كاميرا تحسب جزيئات الضوء، أو الفوتونات، لتثبيت الشعاع وتنزيل الرسالة قبل إرسالها بسرعة عالية إلى تلسكوب هيل الذي يبلغ قطره 200 بوصة (حوالي 508 سم) على جبل بالومار بالقرب من سان دييغو. يمكن مقارنة دقتها بالأصل.

وحتى على مسافات أقرب من المريخ، تكون إشارة الليزر هشة نسبيًا. مجموعة من تلسكوب هيل مرض عقلي إنه يحمل عددًا قليلًا من الفوتونات فقط، لذا فإن فك تشفيره يعتمد على كاشف عد الفوتونات عالي الحساسية والمبرد بالتبريد (المصنوع من أسلاك نانوية فائقة التوصيل) والمثبت على التلسكوب.

بالنسبة لبيسواس، وهو خبير في التحليل الطيفي بالليزر، كانت تجربة الاتصالات البصرية تتويجا لعقد من الجهد. يقول: “إنه أمر مثير للغاية”. “نحن نفعل الكثير من الأشياء لأول مرة.”

في حين أن الاتصالات الليزرية، مثل الممرات متعددة الركاب على الطرق السريعة، لن تمنع الاختناقات المرورية المستقبلية على شبكة الفضاء العميق، إلا أن بعض الأخبار قد تساعد في تجنب الاختناقات المرورية في الفضاء.

المقال مترجم ديبي بونشنر.

ظهرت هذه المقالة لأول مرة الاسبانية معروفةمطبوعة غير ربحية تهدف إلى جعل المعرفة العلمية متاحة للجميع.

يمكنك متابعة معنى داخل فيسبوك, X ه انستغرامانقر هنا للحصول على نشرتنا الإخبارية الأسبوعية.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *