Riassunto:
In passato, il personale di terra doveva attendere dai quattro ai cinque minuti prima che una foto panoramica della luna ad altissima definizione da 8K venisse rispedita dall'orbita lunare. Oggi la stessa foto può essere inviata in circa 12 secondi. Ciò che ha determinato questo cambiamento è stato il test di comunicazione laser bidirezionale ad alta velocità Terra-Luna recentemente completato. Questo test ha stabilito un collegamento laser stabile e ad alta velocità tra la Terra e la Luna a una distanza di 400.000 chilometri, il che equivale a creare una "autostrada dell'informazione" tra la Terra e la Luna.
Diagramma schematico della comunicazione laser bidirezionale sulla scala Terra-Luna. Fonte immagine: Centro di ingegneria e tecnologia delle applicazioni spaziali, Accademia cinese delle scienze
Quali sono i vantaggi delle comunicazioni laser cis-lunari? Quali difficoltà tecniche devono essere superate per realizzare la comunicazione laser bidirezionale tra la Terra e la Luna? Quali cambiamenti seguiranno? Concentrandosi su questi temi, il 1° settembre i giornalisti del Science and Technology Daily hanno intervistato esperti del settore.
Prima domanda: quali sono i vantaggi della comunicazione laser Terra-Luna?
La tradizionale comunicazione in radiofrequenza si basa sulle onde radio, mentre la comunicazione laser utilizza la trasmissione di onde luminose, che in linea di principio è più vicina alla banda larga in fibra ottica. I maggiori vantaggi della comunicazione laser sono l'ampia larghezza di banda e l'elevata velocità. Quando le apparecchiature installate sul satellite sono simili per dimensioni, peso e consumo energetico, la velocità della comunicazione laser può essere da 10 a 100 volte più veloce rispetto alla tradizionale comunicazione a microonde.
"La radiofrequenza è come una normale autostrada con corsie limitate e facile saturazione del traffico; il laser è come un'autostrada a più corsie, che può trasmettere una quantità molto maggiore di dati nello stesso tempo." Yang Lei, ricercatore presso il Centro per l'ingegneria e la tecnologia delle applicazioni spaziali dell'Accademia cinese delle scienze, ha spiegato che alla distanza tra la terra e la luna, la tradizionale comunicazione a radiofrequenza è molto difficile da trasmettere video ad alta definizione o enormi dati scientifici, mentre la comunicazione laser può facilmente svolgere il lavoro.
Un altro vantaggio della comunicazione laser è che non è facile svelare i segreti. Il raggio laser è particolarmente concentrato e non si "diffonde" come le onde radio. L'energia non viaggia ovunque, rendendo difficile per gli altri intercettare il segnale a metà strada. "Il laser è come una torcia elettrica, che brilla ovunque risplenda. Il microonde è più simile a una trasmissione tramite altoparlante, con un'ampia portata, ma tutti possono sentirlo." Yang Lei disse vividamente.
Seconda domanda: quali problemi devono essere superati in 400.000 chilometri di comunicazione laser bidirezionale?
400.000 chilometri equivalgono a 10 volte il giro dell'equatore terrestre e la luce impiega più di 1 secondo per viaggiare dalla Luna alla Terra. Per ottenere una comunicazione laser bidirezionale su una distanza così lunga, dobbiamo superare tre ostacoli: segnale debole, difficoltà di mira e trasmissione lenta.
Sebbene il raggio laser sia concentrato in una direzione, si espanderà comunque molto dopo aver percorso 400.000 chilometri. Quando raggiungerà il telescopio terrestre, potrebbe avere solo una piccola parte di ciò che era al momento del lancio e diventerà molto debole. L'estremità ricevente a terra deve utilizzare un rilevatore altamente sensibile per "riconoscere" i fotoni deboli dal rumore di fondo. "A tal fine, abbiamo costruito un array di rilevatori di fotoni singoli nanofili superconduttori. È come un 'occhio' ultrasensibile in grado di catturare fotoni. Ha pochissimo rumore e risponde molto rapidamente. Insieme a un algoritmo di elaborazione del segnale auto-sviluppato, anche se il segnale è così debole da essere quasi 'annegato' dal rumore, può essere 'ripescato' da molte interferenze." Yang Lei ha detto.
Allo stesso tempo, il raggio laser è molto stretto, la terra e la luna sono in costante movimento e anche la piattaforma satellitare stessa vibra leggermente. Le stazioni terrestri e i satelliti devono essere sempre allineati con precisione; se sono anche leggermente disconnessi, il collegamento potrebbe essere interrotto. Yang Lei ha fatto un'analogia: "Ciò equivale a puntare un raggio laser da Pechino verso un piccolo punto in movimento sulla Luna e tenerlo bloccato."
Fonte immagine: Visual China
Per risolvere questo problema, il gruppo di ricerca ha escogitato diversi modi: in primo luogo, calcolare con precisione l'orbita del satellite e prevedere la posizione in anticipo, in modo che i telescopi su entrambi i lati sappiano dove puntare e non manchino il bersaglio; in secondo luogo, la stazione di terra combina diversi raggi laser in uno solo e li emette. , quindi correggere la direzione in tempo reale in base ai cambiamenti di temperatura e all'angolo di elevazione per garantire un atterraggio stabile sul satellite; in terzo luogo, viene realizzato un forte isolamento ottico su entrambe le estremità di trasmissione e ricezione per impedire che il forte laser emesso accechi il rilevatore, in modo che la ricezione e la ricezione simultanee di segnali luminosi non interferiscano tra loro.
Il segnale è stato ricevuto e la velocità di trasmissione deve essere mantenuta. La difficoltà è che questi fotoni non arrivano in coda regolare, ma sono sparsi e intermittenti. Per metterli insieme in informazioni complete, l'ora deve essere molto precisa, precisa al livello del picosecondo. Qual è il concetto di picosecondo? Un trilionesimo di secondo, che è innumerevoli volte più breve del tempo necessario per battere le palpebre. Il team ha sviluppato appositamente il riconoscimento temporale a livello di picosecondi e una tecnologia di elaborazione delle comunicazioni a larga larghezza di banda, che equivale ad assegnare un "time stamp" estremamente accurato a ciascun fotone, in modo che possano essere messi insieme senza problemi senza alcun caos.
Domanda 3: in che modo questa tecnologia aiuterà le future esplorazioni lunari e le missioni nello spazio profondo?
"In futuro, costruiremo una stazione internazionale di ricerca scientifica lunare e su di essa eseguiremo vari esperimenti scientifici (test). Questi esperimenti scientifici (test) genereranno enormi quantità di dati. Il modo in cui i dati possono essere ritrasmessi alla Terra è sempre stato un collo di bottiglia nella comunicazione che limita il progresso della ricerca scientifica. Questa innovazione tecnologica è di grande importanza per rompere il collo di bottiglia." ha affermato Wang Qiang, vicedirettore del Centro di ingegneria e tecnologia delle applicazioni spaziali dell'Accademia cinese delle scienze.
Ancora più importante, la distanza tra la terra e la luna è solo il punto di partenza. Yang Lei ha affermato che le tecnologie verificate questa volta come il tracciamento ad alta precisione, il rilevamento di segnali deboli e l'elaborazione ad alta velocità del segnale di un singolo fotone possono essere ulteriormente estese a Marte, agli asteroidi e anche ad altre missioni nello spazio profondo, e supporteranno efficacemente l'esplorazione dello spazio profondo del mio paese per ottenere risultati scientifici più originali.
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