الاتصالات البصرية في الفضاء السحيق

نظام الاتصالات البصرية في الفضاء السحيق ( DSOC ) هو نظام اتصالات ليزرية فضائية قيد التشغيل، وقد حسّن أداء الاتصالات من 10 إلى 100 ضعف مقارنةً بتقنية الترددات الراديوية، دون زيادة في الكتلة أو الحجم أو الطاقة. ^{[ 1 ]} يتميز نظام DSOC بقدرته على توفير وصلات هابطة عالية النطاق الترددي من خارج الفضاء القريب من القمر .

يقود المشروع مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا في باسادينا، كاليفورنيا . في أبريل 2024، نجح النظام في التواصل مع المركبة الفضائية سايكي على مسافة 140 مليون ميل. ^{[ 2 ]}

قد تتطلب الرحلات الاستكشافية البشرية المستقبلية تدفقًا مستمرًا من الصور عالية الدقة، وبثًا مباشرًا للفيديوهات، ونقلًا فوريًا للبيانات عبر الفضاء السحيق، وذلك لتوفير التوجيه والتحديثات في الوقت المناسب خلال الرحلات الطويلة. ^{[ 1 ]} حتى مع معدل نقل البيانات الأقصى البالغ 5.2 ميغابت في الثانية، يحتاج مسبار استطلاع المريخ المداري (MRO) إلى 7.5 ساعات لنقل جميع بيانات مسجله الداخلي، و1.5 ساعة لإرسال صورة واحدة من كاميرا HiRISE ليتم معالجتها على الأرض. وتفرض أجهزة التصوير الطيفي الفائق عالية الدقة الجديدة متطلبات إضافية على نظام الاتصالات، مما يستلزم معدلات نقل بيانات أعلى. ^{[ 3 ]}

أُطلقت النسخة التجريبية لتكنولوجيا جهاز الإرسال والاستقبال البصري هذا عام 2023 على متن مركبة ناسا الروبوتية " سايكي" لدراسة الكويكب المعدني العملاق المعروف باسم " 16 سايكي" . وستستقبل أشعة الليزر الصادرة من المركبة الفضائية بواسطة تلسكوب "هيل" ذي المرآة البالغ قطرها 5 أمتار (200 بوصة) في مرصد بالومار بكاليفورنيا. ^{[ 4 ]} كما ستُرسل أشعة الليزر إلى المركبة الفضائية من تلسكوب أصغر في مرصد جبل تيبل بكاليفورنيا.

تم تحقيق أول ضوء في 14 نوفمبر 2023. ^{[ 5 ]}

تم بث أول فيديو بنجاح من الفضاء باستخدام هذه التقنية في 11 ديسمبر 2023 من مسافة قياسية بلغت 19 مليون ميل (31 مليون كيلومتر، أو حوالي 80 ضعف المسافة بين الأرض والقمر). ^{[ 6 ]}

ستستخدم هذه التقنية الجديدة ليزرات متطورة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (1.55  ميكرومتر ^{[ 7 ]} ) من الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 1 ]} يعتمد تصميم النظام على إرسال إشارة ليزرية من الأرض للمساعدة في تثبيت خط الرؤية وتوجيه شعاع الليزر الهابط. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم رموز فعّالة لضمان اتصالات خالية من الأخطاء. يجب أن يُصحح النظام التشويش الخلفي (الضوء المتناثر) من الغلاف الجوي للأرض والشمس. ^{[ 8 ]} بالنظر إلى الأجهزة الحالية (  جهاز إرسال أرضي بطول متر واحد، وجهاز  استقبال أرضي بطول 5 أمتار، وتلسكوب فضائي بقطر 22  سم)، من المتوقع أن تصل سرعة الإرسال إلى 292 كيلوبت/ثانية على مسافة 0.4 وحدة فلكية (60,000,000 كيلومتر؛ 37,000,000 ميل) ، بينما تصل سرعة الاستقبال إلى 100 ميجابت/ثانية على نفس المسافة. ^{[ 9 ]} يتناسب عرض الحزمة المرسلة عكسيًا مع التردد المستخدم، لذا كلما كان الطول الموجي المستخدم أقصر، أمكن الحصول على حزمة أضيق وأكثر تركيزًا. ^{[ 3 ]} يعتمد عرض نطاق الوصلة الهابطة على قطر التلسكوب الأرضي، ويكون أقل خلال النهار. ^{[ 9 ]}   

تتضمن ثلاث تقنيات رئيسية لمركز عمليات الأمن العميق (DSOC) تم تطويرها للمشروع ما يلي: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• مجموعة عزل وتوجيه المركبات الفضائية ذات الكتلة المنخفضة للعمل في وجود اضطراب اهتزازي للمركبات الفضائية.
• جهاز إرسال ليزري عالي الكفاءة للطيران؛
• زوج من مصفوفات كاشفات عد الفوتونات عالية الكفاءة لجهاز الإرسال والاستقبال البصري الطائر وجهاز الاستقبال الأرضي (تلسكوب). ^{[ 8 ]}

تتضمن مهمة ناسا "سايكي" ، التي انطلقت في 13 أكتوبر 2023، عرضًا توضيحيًا للاتصالات البصرية في الفضاء السحيق . ستستكشف مركبة "سايكي" الفضائية الكويكب المعدني "16 سايكي" ، وستصل إلى حزام الكويكبات في عام 2029. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

أُجري أول اختبار لضوء القمر الصناعي DSOC في 14 نوفمبر 2023. وفي 11 ديسمبر، نجح الاختبار في بث فيديو فائق الوضوح مدته 15 ثانية من موقع يبعد 19 مليون ميل عن الأرض (31 مليون كيلومتر، أي ما يعادل 80 ضعف المسافة بين الأرض والقمر). تم إرسال الفيديو المُحمّل مسبقًا لقطة تُدعى تاترز بأقصى معدل بت للنظام، وهو 267 ميغابت في الثانية، واستغرق وصوله إلى الأرض 101 ثانية. ^{[ 13 ]} وأظهر اختبار إضافي في يوليو 2024 إمكانية الاتصال عبر مسافة 467 مليون كيلومتر (290 مليون ميل). ^{[ 14 ]}

• عرض توضيحي لترحيل الاتصالات بالليزر – حمولة ناسا التي أُطلقت في عام 2021