В связи с тем, что НАСА делает серьезные шаги в направлении возвращения астронавтов на Луну и создания там базы, разумеется возникает вопрос — придется ли поселенцам, привыкшим к высокоскоростному и повсеместному доступу в интернет на Земле, иметь дело с крайне медленным и нестабильным соединением на Луне? Подавляющее большинство современных спутников и космических аппаратов имеют скорости передачи данных, измеряемых в килобитах в секунду. Но в долгосрочной перспективе жители Луны едва ли будут удовлетворены скоростями уровня dial-up, в отличие от астронавтов тех же Аполлонов.
Современные спутники и роверы имеют качественные камеры, и чтобы передавать с них видео высокой четкости и поток информации от других датчиков, НАСА и другие космические агентства расширяют радиодиапазоны, традиционно выделяемые для космических исследований, до их предела. Например, космический корабль «Орион», на котором астронавты будут путешествовать вокруг Луны во время миссии «Артемида-2» в 2022 году, будет передавать критически важную информацию на Землю по радиоканалу S-диапазона со скоростью 2 мегабита в секунду. «Это самая сложная система управления полетом, когда-либо летавшая на космическом корабле», — говорит Джим Шир, главный архитектор космической связи и навигации в НАСА. И лишь 1 Мбит/с будет выделен для отправки потокового видео, фотографий и других данных. Это примерно одна пятая скорости, необходимой для комфортного просмотра FHD-видео с YouTube.
Желание поднять скорость еще выше влечет за собой выход за рамки радиосвязи и разработку систем оптической связи, которые используют лазеры для передачи данных через космическое пространство. В дополнение к радио S-диапазона, Орион будет нести систему лазерной связи для отправки 4К-видео обратно на Землю. В будущем, НАСА создаст долгосрочный центр лазерной связи, связывающий нашу планету и ее спутник.
Снимок Земли, переданный Вояджером в 1990 году с расстояния в 6 млрд километров. Сейчас скорость обмена информации с ним не превышает сотни бит в секунду, так что на передачу такой фотографии понадобится не один час.
Лазерная связь — сложная штука. Малейший сдвиг космического корабля может привести к отклонению лазерного луча от курса, а проходящее над приемником облако на Земле может прервать его. Но все же такая оптическая связь позволит будущим миссиям получать обновления программного обеспечения в считанные минуты, а не дни. Космонавты будут защищены от одиночества, работая в космосе. А научное сообщество получит доступ к беспрецедентному потоку данных между Землей и Луной.
Сегодня космические агентства предпочитают использовать радиостанции в диапазоне S (от 2 до 4 гигагерц) и Ka (от 26,5 до 40 ГГц) для связи между космическим аппаратом и центром управления полетами. Диапазон Ka особенно ценится — Дон Корнуэлл, который курирует развитие радио- и оптических технологий в НАСА, называет его «кадиллаком радиочастот», потому что он может передавать до гигабита в секунду и хорошо распространяется в космосе.
Способность любого космического корабля передавать данные ограничена некоторыми неизбежными рамками, которые накладывает радиофизика. Во-первых, радиоспектр конечен, и подходящие для космической связи радиочастоты зачастую активно используются и на Земле. Так, Bluetooth и Wi-Fi используют диапазон S, а сотовые сети 5G используют диапазон Ka.
Вторая серьезная проблема заключается в том, что радиосигналы рассеиваются, пролетая сотни тысяч километров в космосе. К тому времени, когда сигнал Ка-диапазона с Луны достигнет Земли, он будет пятном около 2000 километров в диаметре, что сравнимо по площади с Индией. Из-за этого сигнал станет намного слабее, поэтому вам понадобится либо чувствительный приемник на Земле, либо мощный передатчик на Луне.
MAScOT — попытка исследователей из Lincoln Laboratory создать модульную недорогую систему оптической связи, включающую такие приборы, как телескоп с поворотным креплением и специальную подставку для обеспечения безопасности системы в экстремальных условиях запуска ракеты.
У систем лазерной связи также есть проблема рассеивания, и к тому же пересекающиеся лучи могут «запутать» данные. Но лазерный луч, отправленный с Луны, к моменту прибытия на Землю охватит область шириной всего 6 км. Это означает, что вероятность пересечения любых двух лучей значительно ниже. Кроме того, им не придется бороться за частоты в уже переполненном участке спектра. С помощью лазеров вы можете передавать практически неограниченное количество данных, говорит Корнуэлл. «Спектр для оптики неограничен. Лазерные лучи настолько узки, что он [почти] не могут мешать друг другу».
Более высокие частоты также означают более короткие волны, которые дают больше преимуществ. Сигналы Ka-диапазона имеют длину волны от 7,5 миллиметров до 1 сантиметра. НАСА планирует использовать лазеры с длиной волны 1550 нанометров — той же, которая используется для наземных оптоволоконных сетей. Действительно, в своем развитии лазерная космическая связь опирается на существующие оптоволоконные технологии. Более короткие волны (и более высокие частоты) означают, что в каждую секунду можно упаковать больше данных.
Преимущества лазерной связи известны уже много лет, но лишь недавно инженеры смогли создать системы, превосходящие радиосвязь. Например, в 2013 году демонстрацией лунной лазерной связи НАСА доказала, что оптические сигналы могут надежно передавать информацию с лунной орбиты обратно на Землю. В этом месячном эксперименте использовался передатчик на спутнике Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer для отправки данных на Землю со скоростью 622 Мбит/с — на два порядка больше, чем радиостанция S-диапазона корабля Орион.
«Я был шокирован, узнав, что [Орион] полетит на Луну с радиостанцией S-диапазона», — говорит Брайан Робинсон, эксперт по оптическим коммуникациям в Lincoln Laboratory в Лексингтоне, штат Массачусетс. Lincoln Lab сыграла важную роль в разработке многих систем лазерной связи в миссиях НАСА, начиная с первых демонстраций, проведенных с помощью засекреченного спутника GeoLITE в 2001 году. «Люди привыкли к гораздо большему здесь, на Земле и на низкой околоземной орбите. Я был рад, что НАСА все же решила использовать лазерную связь в этой миссии».
Наземная установка для лазерной связи.
В дополнение к радио S-диапазона, во время миссии Артемида-2 Орион будет нести лазерную систему под названием Optical to Orion, или O2O. Однако НАСА не планирует использовать O2O для любых критически важных коммуникаций. Ее главная задача будет заключаться в передаче 4K-видео с Луны зрителям на Землю. O2O будет принимать данные со скоростью 20 Мбит/с и передавать со скоростью 80 Мбит/с, находясь на лунной орбите. Конечно, возникает вопрос — почему O2O будет отправлять данные со скоростью 80 Мбит/с, когда демонстрационный проект шесть лет назад смог передавать информацию со скоростью 622 Мбит/с? Ответ прост: по словам Фарзана Хатри, старшего сотрудника группы оптической связи в Lincoln Lab, разработчики Ориона «никогда не просили нас делать 622 мбит/c». Корнуэлл подтверждает, что нисходящая линия связи O2O будет передавать данные на Землю со скоростью как минимум 80 Мбит/с, хотя система способна на гораздо большее.
В случае успеха O2O откроет дверь для обмена большими объемами информации между будущими миссиями и Землей, позволяя проводить видеочаты с семьей, частные консультации с врачами или даже просто смотреть спортивные соревнования во время отдыха. Чем больше времени люди будут проводить на Луне, тем важнее будет быстрая связь для их психического благополучия. И в конце концов, видео станет критически важным для экипажей в дальнем космосе.
Прежде чем O2O можно будет испытать в космосе, он должен будет пережить путешествие. Лазерные системы, установленные на космическом корабле, используют телескопы для отправки и приема сигналов. Эти телескопы полагаются на сложно расположенные зеркала и множество других движущихся частей. O2O будет использовать внеосевую систему Кассегрена, телескоп с двумя зеркалами для фокусировки захваченного света, установленный на вращающемся карданном подвесе. Исследователи из Lincoln Lab выбрали именно такой тип, потому что он позволит им отделить телескоп от оптического приемопередатчика, что сделает всю систему более модульной. Инженеры также должны убедиться, что ракета-носитель, выводящий Орион в космос, «не растрясет» драгоценное оборудование. Они разработали специальные застежки и крепления, которые, как они надеются, уменьшат вибрации и сохранят все в целости и сохранности во время бурного запуска.
Когда O2O окажется в космосе, она должна быть точно нацелена на приемник на Земле. Трудно пропустить радиосигнал, если он имеет поперечное сечение размером с большую страну. А вот оптический импульс диаметром в 6 км может легко промахнуться мимо Земли при небольшом отклонении космического корабля. «Если вы [используете] лазерную указку, когда нервничаете, а ваша рука дрожит, то пятно от нее будет скакать повсюду», — говорит Корнуэлл.
Бортовое оборудование Ориона также будет генерировать постоянные незначительные вибрации, любой из которых будет достаточно для неточной отправки оптического сигнала. Поэтому инженеры NASA и Lincoln Lab разместят оптическую систему на специальной антивибрационной платформе. Она будет измерять вибрации от корабля и производить противоположные вибрации, чтобы в итоге устранить их — «как наушники с шумоподавлением», говорит Корнуэлл.
Последнее препятствие для работы O2O — это облачный покров на Земле. Инфракрасные волны с длиной 1550 нм, которые использует O2O, легко поглощаются облаками. Лазерный луч может без проблем пройти почти 400 000 км от Луны и быть заблокированным всего в паре километров над поверхностью Земли. На сегодняшний день лучшая защита от потери сигнала из-за облаков состоит в отправке лучей к нескольким приемникам сразу. O2O, например, будет использовать наземные станции на Столовой горе в Калифорния и в Белых Песках, в Нью-Мексико.
Оптическая система Lincoln Lab на антивибрационной платформе.
Шлюз (The Gateway), который планируется построить в 2020-х годах, предоставит гораздо более широкие возможности для высокоскоростной лазерной связи в космосе. НАСА с помощью своих канадских, европейских, японских и российских коллег выведет эту космическую станцию на орбиту вокруг Луны. Она будет служить плацдармом и ретранслятором связи для лунных исследований.
Джим Шир из НАСА предполагает, что Шлюз сможет пересылать данные со скоростью в 5-8 Гбит/c, что сделает его рекордсменом: так, сейчас самая быстрая космическая связь происходит с МКС, и скорости передачи там не превышают 600 Мбит/c. Используя возможности Шлюза по максимуму, можно за считанные секунды скачать двухчасовой фильм в HD-качестве.
Шлюз даст возможность построить постоянную оптическую магистральную линию связи между Землей и Луной. Еще одна вещь, для которой НАСА хотела бы использовать Шлюз — это передача информации о местоположении и времени на транспортные средства на поверхности Луны. «Мобильный телефон в вашем кармане должен видеть четыре спутника GPS для определения вашего местоположения», — говорит Шир. «У нас не будет такого на Луне». Вместо этого, единственный луч от Шлюза может предоставить лунному роверу точное расстояние, азимут и время для определения его точного положения на Луне.
Более того, использование оптической связи может освободить радиоспектр для научных исследований. Робинсон отмечает, что дальняя сторона Луны является оптимальным местом для строительства радиотелескопа, потому что он будет защищен от помех с Земли. Если бы все системы связи вокруг Луны были оптическими, то ничто не будет портить наблюдения.
Кроме того, ученые и инженеры все еще не уверены, что еще они будут делать с высокими скоростями передачи данных в Шлюзе. «Многое из этого мы все еще изучаем», — говорит Корнуэлл.
В ближайшие годы другие миссии будут проверять, хорошо ли работает лазерная связь в глубоком космосе. Например, миссия НАСА к астероиду Психея поможет определить, насколько точно можно нацелить оптическую систему связи и насколько мощными могут быть лазеры, прежде чем они начнут повреждать телескопы, используемые для передачи сигналов. Но ближе к дому связь, необходимая для работы и жизни на Луне, может быть обеспечена только лазерами. К счастью, будущее этих лазеров выглядит вполне оптимистично.
