A bordo della missione Psyche della NASA si trova l’esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC), la prima dimostrazione tecnologica dell’agenzia spaziale americana di comunicazioni laser nello spazio profondo, in particolare fino a Marte.
DSOC testerà le tecnologie progettate per consentire a future missioni di inviare i dati scientifici più pesanti e di trasmettere video streaming direttamente dal Pianeta Rosso. La durata prevista per le operazioni dell’esperimento è di due anni. Inizierà circa 20 giorni dopo il lancio di Psyche.
Finora la NASA ha utilizzato solo le onde radio per comunicare con le missioni che viaggiano oltre la Luna. Questo è il primo tentativo di comunicazioni ottiche oltre il nostro satellite. Potrebbero consentire una velocità di trasmissione dati da 10 a 100 volte superiore rispetto ai sistemi attuali.
Come funzionerà DSOC?
Collegato alla sonda Psyche c’è un ricetrasmettitore laser nel vicino infrarosso. Trasmette e riceve dati attraverso un telescopio di 22 centimetri di apertura. Il ricetrasmettitore trasmetterà dati ad alta velocità alla Terra utilizzando un laser nel vicino infrarosso da 4 watt. E riceverà dati a bassa velocità dalla Terra usando una fotocamera per il conteggio dei fotoni laser in arrivo.
Ai fini della dimostrazione tecnologica, due telescopi sulla Terra sono stati aggiornati per comunicare con il ricetrasmettitore laser a bordo di Psyche. Un trasmettitore laser nel vicino infrarosso ad alta potenza è stato integrato con l’Optical Communications Telescope Laboratory presso Table Mountain, California, gestito dal JPL. Questo trasmettitore fornirà un segnale laser modulato al ricetrasmettitore di volo. Servirà come una sorta di faro, di riferimento, in modo che il raggio laser restituito a Terra sia puntato con precisione.
I dati inviati dal ricetrasmettitore a bordo di Psyche saranno invece raccolti dal telescopio Hale da 5.1 metri presso l’Osservatorio Palomar del Caltech, in California. A questo fine, il telescopio è stato dotato di uno speciale array di rilevatori superconduttori ad alta efficienza.
Nel video seguente, un recap di come il DSOC verrà utilizzato a Terra e nello spazio. Credits: NASA/JPL-Caltech
Le sfide maggiori
DSOC ha lo scopo di dimostrare la trasmissione ad alta velocità di dati su distanze fino a 390 milioni di chilometri, più del doppio della distanza tra il Sole e la Terra. Più Psyche si allontana dalla Terra, più debole diventerà il segnale laser, rendendo sempre più difficile la decodifica dei dati.
Inoltre, i fotoni impiegheranno sempre più tempo a raggiungere la destinazione, con un ritardo di oltre 20 minuti alla distanza massima della dimostrazione tecnologica. E poiché le posizioni di Psyche rispetto alla Terra cambieranno costantemente, finché i fotoni viaggiano, i sistemi DSOC a Terra e in volo dovranno compensare, indicando l’esatta posizione del ricevitore a Terra a Palomar e del ricetrasmettitore sulla sonda.
Ricetrasmettitore in volo e trasmettitore laser a terra dovranno poi puntare con grande precisione. Perciò il ricetrasmettitore di DSOC su Psyche deve essere isolato dalle vibrazioni del resto del veicolo, che altrimenti spingerebbero il raggio laser fuori dal bersaglio.
Il team DSOC ha implementato l’array sul telescopio Hale per disporre di un’elettronica ad alta velocità per registrare l’istante di arrivo dei singoli fotoni, in modo che il segnale possa essere decodificato. Ha anche sviluppato nuove tecniche di elaborazione del segnale, per estrarre informazioni dai deboli segnali laser che saranno stati trasmessi per decine o centinaia di milioni di chilometri.
La NASA e le comunicazioni nello spazio
Nel 2013, il Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD) della NASA ha testato velocità di trasmissione dati record in uplink e downlink tra la Terra e la Luna. Nel 2021, la Laser Communications Relay Demonstration (LRCD) è stata lanciata per testare le capacità della comunicazione ottica a larghezza di banda elevata dall’orbita geostazionaria, in modo che i veicoli spaziali non richiedano una linea visiva diretta con la Terra per comunicare.
L’anno scorso, il sistema TeraByte InfraRed Delivery della NASA ha effettuato il downlink della velocità di dati più alta mai vista da un satellite in orbita terrestre bassa a un ricevitore a terra.
DSOC, ora, sta portando le comunicazioni ottiche nello spazio profondo, aprendo la strada a comunicazioni a larghezza di banda elevata oltre la Luna e 1000 volte più lontano di qualsiasi test di comunicazione ottica effettuato fino a oggi. Se avrà successo, la tecnologia potrebbe portare a comunicazioni ad alta velocità, che aiuteranno a sostenere il prossimo grande passo dell’umanità: andare su Marte.
