چرا «ناسا» برای نسل بعدی ارتباطات فضایی به لیزر رو آورده است؟

«جهان‌صنعت»- ناسا به‌تازگی کاوشگر «سایکی»، معروف به جوینده سیارکی را پرتاب کرده است تا به بررسی جرمی بپردازد که به اعماق زمین خودمان شباهت دارد، اما یکی از ابزارهای این کاوشگر، دانشمندان متخصص در زمینه‌ای متفاوت به نام ارتباطات فضایی را به هیجان آورده است. از آغاز عصر فضا، ارتباطات فضایی به امواج رادیویی وابسته بود که تنها بخشی از طیف گسترده الکترومغناطیس به شمار می‌رود، اما دانشمندان امیدوارند به‌زودی ارتباطات را به بخش دیگری از این طیف توسعه دهند. هدف آنها افزودن لیزر به مجموعه ابزار ارتباطات کیهانی است. ماموریت اصلی «سایکی»، بررسی سیارکی سیب‌زمینی شکل به طول ۲۳۱ کیلومتر بوده که مدار آن سه برابر دورتر از فاصله زمین تا خورشید است. براساس نظریه‌ای پیشگام، سیارک هدف که سایکی نام‌گذاری شده‌‌، در واقع هسته‌ای فلزی است که زمانی سیاره‌ای امیدبخش بود و سطح سنگی آن بر اثر برخوردهای مکرر در کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری از بین رفت. به همین دلیل، بررسی ترکیب منحصر‌به‌فرد آهن، نیکل و سنگ ما را یک قدم به حل معمای هسته فلزی زمین نزدیک خواهد کرد. شش سال طول می‌کشد تا فضاپیمای سایکی به سیارک برسد و به صحت اندازه‌گیری‌های مربوط به سطح فلزی آن پی ببرد. با این ‌حال، پژوهشگران ارتباطات فضایی، به‌زودی و پیش از رسیدن فضاپیما به مقصد، نتایج بررسی خود را خواهند دید. آزمایش ارتباطات نوری اعماق فضا (DSOC)، اولین برقراری ارتباط لیزری یا نوری در آن سوی ماه است. این آزمایش می‌تواند به سهولت بازگشت فضانوردها به ماه و همچنین گام بزرگ بعدی، یعنی سفر به مریخ کمک کند. این آزمایش همچنین گامی مهم در عرصه ارتباطات فضایی به شمار می‌رود.
در صورتی که آزمایش یادشده و دیگر آزمون‌های مرتبط طبق انتظار عمل کنند، لیزرها می‌توانند محدودیت‌های پهنای باند سیستم ارتباطات خارج از سیاره موسوم به شبکه فضای عمیق (DSN) را تا حدی برطرف کنند. به‌گفته‌ کارشناسان، سه سایت آنتن رادیویی DSN، هر کدام با بشقابی به قطر ۷۰ متر و ۱۲۰ درجه فاصله از یکدیگر که در اسپانیا، استرالیا و صحرای کالیفرنیا قرار دارند، با ترافیک ناشی از ساعت‌های شلوغی هیوستون روبه‌رو هستند. در حال حاضر ده‌ها ماموریت فضایی از تلسکوپ فضایی جیمز‌وب تا ماهواره‌های تجاری کوچک، باید برای زمان شبکه رقابت کنند. به گفته «مایک لوسک» مدیر پروژه DSN : «امروز بیست درصد از درخواست‌ها قابلیت سرویس‌دهی ندارند. به‌ مرور زمان وضعیت بدتر می‌شود و تا سال ۲۰۳۰ به ۴۰ درصد خواهد رسید.» ۴۰ ماموریت فضایی دیگر در آینده‌ای نزدیک برخط خواهند شد که بر سر زمان شبکه ارتباطی به رقابت می‌پردازند. حتی مهم‌تر از آن برخی از ماموریت‌ها سرنشین‌دار هستند و دارای ابزارهایی برای انتشار ویدئوی با‌کیفیت و همچنین خوانش لحظه‌به‌لحظه سوخت و ساز فضانوردها در حین کار در ماه، ساخت آزمایشگاه‌ها و پناهگاه‌ها هستند. قطعا نمی‌شود به آنها گفت که باید در انتظار کیوب‌ست‌های تجاری باشند. کیوب‌ست‌ها، ماهواره‌های کوچکی هستند که انواع مختلفی از داده‌های علمی را در مدار نزدیک زمین مخابره و اتصال اینترنتی را فراهم می‌کنند. «جیسون میشل» مدیر برنامه Scan می‌گوید: «شاید تاخیرها برای علم مشکلی به وجود نیاورند، اما برای ماموریت‌های سرنشین‌دار باید تمام تلاش‌مان را بکنیم. با نگاهی به هدف فضانوردها در سفر به ماه و برنامه‌ریزی‌های مریخی، ابزار علمی نیز به مرور پیشرفت می‌کنند و می‌توانیم روزانه چندین ترابایت داده را ارسال کنیم.»در آزمایش اخیر، پژوهشگرها به دنبال بهره‌برداری از ظرفیت انتقال بیشتر نور لیزر نسبت به امواج رادیویی هستند. طول موج‌های نوری در بخش نزدیک به فروسرخ طیف الکترومغناطیس بسیار کوچک هستند و با واحد نانومتر اندازه‌گیری می‌شوندک، همچنین فرکانس‌ها به قدری بالا هستند که می‌توان اطلاعات بیشتری را در فضای یکسان انباشته کرد و به ‌این ‌ترتیب سرعت داده‌ها ۱۰ الی ۱۰۰ برابر بیشتر از سرعت انتقال رادیویی خواهد بود. سیستم‌های لیزری می‌توانند بسیار ظریف‌تر و کوچک‌تر از انواع رادیویی باشند و به انرژی کمتری نیاز دارند که معیار مهم دیگری در سفر چند صد میلیون کیلومتری در فضا محسوب می‌شود. در طول دهه گذشته، ناسا در حال آزمایش فناوری جدید در محیط‌های مختلفی مثل مدار نزدیک زمین تا ماه بوده است. ابزار سایکی می‌تواند برای اولین بار در اعماق فضا آزمایش شود و سنگ محک مهمی برای یافتن معایب ارتباطات نوری به شمار آید. از آنجا که پرتوهای لیزر باریک هستند، باید با دقت بالایی به سمت گیرنده‌های زمینی قرار بگیرند و این مساله در فواصل بالا یک چالش به شمار می‌رود.
«آبیجیت بیواس» متخصص پروژه DSOC در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و سازنده ابزار سایکی، تلاش برای افزایش دقت فناوری لیزری را با شلیک به سکه ۱۰ سنتی از فاصله یک کیلومتری مقایسه می‌کند. حتی یک تکان آهسته هم می‌تواند کار را مختل کند. آزمایشگاه پیشرانش جت برای حفظ ثبات فرستنده و گیرنده سایکی، بست‌های ویژه و محرک‌هایی را برای ایزوله‌سازی آن از نوسان‌های فضاپیمای ۲۴ متری نصب کرده است. مشکلات احتمالی دیگر عبارتند از: ابرهای زمینی که می‌توانند راه پرتوهای نوری را مسدود کنند و همچنین ضعیف ‌شدن سیگنال با افزایش فاصله و پخش شدن پرتوها. این مشکلات باعث می‌شوند حداقل با فناوری فعلی به‌سختی بتوان کاربرد ارتباط فناوری نوری را به آن سوی مریخ گسترش داد. به همین دلیل آزمایش در طول دو سال اول ماموریت و پیش از رسیدن به خود سیارک انجام می‌شود. به دلایل فوق و همچنین به دلیل فقدان شبکه زمینی گیرنده‌های نوری، نمی‌توان زمان دقیقی را برای جایگزینی فناوری رادیویی با فناوری نوری پیش‌بینی کرد، اما می‌توان به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که ماموریت‌های آینده متناسب با انواع فناوری به‌ویژه فناوری جدید طراحی شوند.
در طول آزمایش‌های سایکی، یک فرستنده پنج کیلوواتی روی کوه تیبل در کالیفرنیای جنوبی، بسته ارتباطی کم‌سرعتی را به گیرنده لیزری متصل به تلسکوپ ۲۲ سانتی‌متری فضاپیما ارسال می‌کند. ابزار سایکی پرتو را با استفاده از دوربینی که ذرات نوری یا فوتون‌ها را می‌شمارد، دنبال و پیغام را دانلود می‌کند. سپس پیغام با سرعت بالا به تلسکوپ ۵ متری هیل روی کوه پالامور در نزدیکی سان‌دیگو رله می‌شود که در آنجا می‌توان دقت آن را با پیغام اصلی مقایسه کرد. حتی در فاصله‌های نزدیک‌تر از مریخ، سیگنال لیزری نسبتا شکننده است. بسته‌ای که به تلسکوپ هیل از سایکی می‌رسد تنها شامل تعداد اندکی فوتون است و به همین دلیل رمزگشایی آن به شدت به آشکارساز فوتون‌شمار فوق‌حساس متصل به تلسکوپ وابسته است که با نانوسیستم ابررسانا ساخته شده است. شاید ارتباطات لیزری نتوانند مانند خطوط ویژه بزرگراه‌ها از ترافیک روی شبکه فضای عمیق پیشگیری کنند، اما قادر هستند از راه‌بندان برخی پیغام‌ها در شبکه فضایی جلوگیری کنند.