En décembre 2023, un petit satellite recouvert d’or a diffusé une vidéo d’un chat orange nommé Taters poursuivant un laser vers le haut et vers le bas du canapé. Si vous pensez que vous n’arrêtez pas de vous vanter de vos animaux de compagnie, l’aventure de Taters a été diffusée pendant 15 secondes à partir d’une distance de 19 millions de milles de la Terre. Quelques mois plus tard, les images et vidéos des animaux de compagnie des employés de la NASA volaient dans l’espace, emballées avec précision à l’intérieur de rayons laser qui ont pris 101 secondes pour voyager vers la Terre à la vitesse de la lumière.
Indépendamment de la supériorité de chaque propriétaire d’animaux de compagnie sur terre, la démonstration de l’Agence spatiale Américaine pour tester les systèmes de communication optique en tant que moyen de transmettre des données aux véhicules spatiaux lointains à un taux beaucoup plus rapide que les ondes radio. Mira Serenivasan, chef des opérations de communication optique en profondeur (DSOC) à la NASA au Jet Propulsion Laboratory (JPL), a déclaré à Gizmodo: « C’était quelque chose qui était en cours depuis des décennies. » « Nous devions développer cette technologie et la rendre adaptée aux opérations, en particulier dans l’environnement spatial. »
Une nouvelle ère des communications spatiales
Des années de recherche et de démonstrations technologiques de petite taille envoyant des données sur des distances plus courtes, comme de la Terre à la Lune, étaient nécessaires avant que le DSOC ne soit prêt à voler. L’appareil de transmission et de réception laser DSOC a été lancé en octobre 2023, et est connecté au véhicule spatial Psyche (qui mène sa propre mission d’exploration d’un astéroïde portant le même nom).
Alors que Psyche dépend des communications sans fil traditionnelles, l’appareil de transmission et de réception laser DSOC est la première démonstration de communication optique à partir de distances lointaines telles que Mars. En novembre, l’instrument a envoyé les premières données optiques et rayonnantes encryptées à l’intérieur d’un laser proche infrarouge depuis une distance d’environ 10 millions de milles de la Terre.
Oui, nous parlons de rayons invisibles se déplaçant à la vitesse de la lumière, transportant des données haute définition de l’espace profond à la Terre. Voici comment cela fonctionne: les systèmes de communication optique convertissent les données en ondes lumineuses dans des faisceaux laser, ce qui encode le message en un signal optique qui est transmis au récepteur à travers des rayons infrarouges invisibles à l’œil humain.
Comment fonctionne la communication optique
Depuis le lancement du premier satellite dans les années 1950, la NASA et d’autres agences spatiales ont utilisé les communications par radiofréquence pour envoyer des données de et vers l’espace. Les signaux laser et radiofont partie du spectre électromagnétique et se déplacent à la même vitesse, mais chacun a une longueur d’onde différente. Le laser transporte les données dans la partie proche infrarouge du spectre électromagnétique, donc sa longueur d’onde est plus courte et sa fréquence plus élevée. Cela signifie qu’il y a des longueurs d’onde infrarouges plus grandes à une certaine distance, ce qui permet de transporter plus de données à l’intérieur des rayons infrarouges.
Serenivasan a déclaré: « Cela affecte la quantité de données que vous pouvez absorber. » « Ce que cela fait clairement, c’est qu’il permet des données de résolution plus élevée car vous pouvez envoyer beaucoup de bits dans la même fenêtre temporelle. » L’expérience DSOC vise à démontrer des taux de transfert de données 10 à 100 fois plus rapides que les systèmes actuels utilisant des radiofréquences pour les véhicules spatiaux, selon la NASA.
Si vous pensez à la vidéo du chat boudeur, le dispositif de transmission sans fil traditionnel de Psyche, qui a un taux de données de 360 kilobits par seconde, prendrait 426 secondes pour envoyer la vidéo. En revanche, le dispositif de transmission et de réception laser DSOC n’a pris que 0,58 seconde pour transmettre la vidéo à un taux de données de 267 mégabits par seconde. Cependant, les radiofréquences et les lasers prendraient le même temps pour atteindre la Terre à la vitesse de la lumière.
Serenivasan a déclaré: « Avec les communications optiques, vous utilisez principalement des télescopes et des lasers pour communiquer, en pulsant ces rayons laser. » L’expérience DSOC comprend un dispositif de transmission et de réception laser pour voler et deux stations terrestres: le télescope Hale de 200 pouces (5 mètres) du Palomar Observatory de l’Institut de Technologie de Californie à San Diego, qui agit comme station d’atterrissage descendante, et le laboratoire du télescope optique à Jet Propulsion Laboratory. installations en Californie, station d’émission.
La station montante envoie un signal laser pulsé à la station de vol, équipée d’une caméra capable de compter les photons individuels. La station de vol utilise le dispositif de transmission terrestre comme phare, où il est monté pour pointer le faisceau laser. En utilisant le dispositif de transmission terrestre, la station aérienne envoie ses données sous forme de pulsations laser comme liaison descendante vers la Terre.
Les défis et l’avenir du laser spatial
Cela semble assez simple, alors pourquoi la NASA n’a-t-elle pas utilisé de lasers spatiaux froids tout ce temps? Eh bien, les communications optiques ne sont pas sans défis. Lorsque le faisceau laser atteint la Terre, il est beaucoup plus étroit que son homologue radio, ayant une largeur de quelques centaines de miles seulement par rapport à un signal radio large d’environ 1,5 million de miles (2,5 millions de kilomètres). Sa largeur étroite nécessite une précision plus grande pour atteindre la station réceptrice sur Terre, où le faisceau laser est dirigé vers le point où le télescope terrestre sera en orbite autour de la planète lors de l’arrivée du signal.
L’utilisation de la communication optique pour transmettre des données de l’orbite terrestre et lunaire a été faite, mais le dernier test représente la plus grande distance que les lasers ont couverte, alors que la NASA cherche à améliorer ses compétences en communication avant les futures missions dans l’espace profond. Cependant, les distances plus longues rendent difficile pour le laser spatial de viser avec précision une cible sur Terre, ce qui constitue le plus grand défi auquel l’agence spatiale est confrontée en basculant entièrement vers le laser pour le téléchargement de données de l’espace profond.
Alors que le vaisseau spatial Psyche poursuit son voyage de 2,2 milliards de milles (3,6 milliards de kilomètres) vers la ceinture des astéroïdes, l’équipe d’ingénierie derrière DSOC continue de tester le système de communication et de mener des essais hebdomadaires à l’aide du dispositif de transmission et de réception laser. Plus Psyche s’éloigne dans sa mission vers son astéroïde cible, plus faible devient le signal laser photonique.
Jusqu’à présent, l’expérience a battu des records en approchant de la Terre. En juillet, le DSOC a envoyé un signal laser de la Terre au vaisseau spatial Psyche depuis une distance d’environ 290 millions de milles (460 millions de kilomètres), la même distance entre la Terre et Mars lorsque les deux planètes sont éloignées l’une de l’autre.
Serenivasan de la NASA s’attend à ce que les missions commencent à dépendre du laser au cours des dix prochaines années ou environ, mettant en lumière le besoin de construire des télescopes dédiés aux communications optiques pour obtenir un certain nombre d’options pour les sites terrestres qui peuvent recevoir les données.
Serenivasan a déclaré: « Je pense que ce sera une solution pour les communications sans fil et laser. » « Avec les communications laser, c’est un canal à haut débit utilisé pour obtenir des vidéos haute définition, des données scientifiques plus riches, etc., mais il y aura toujours de la place pour les communications par radiofréquence. »
