Котик из космоса: зачем NASA послало лазерный луч в 80 раз дальше Луны

Что необычного в видеоролике на YouTube, где кот 15 секунд гоняется за «зайчиком» лазерной указки? Только то, что он был передан на Землю с дистанции 31 млн км, что примерно в 80 раз превышает расстояние до Луны. Видеоролик был загружен в компьютер межпланетного зонда «Психея» перед стартом. 11 декабря cистема оптической связи в глубоком космосе (Deep Space Optical Communications, или DSOC) передала его на Землю по лучу инфракрасного лазера.

Это абсолютный рекорд по дальности лазерной связи. Он наверняка не последний. Инженеры планируют испытывать систему DSOC в течение двух лет, на все больших расстояниях от Земли.

Голубиная почта в мегаполисе 

Лучу потребовалась 101 секунда, чтобы достичь Земли. Эта задержка неизбежна при любой технологии связи. Инфракрасные волны, как и радиоволны, летят со скоростью света — 300 000 км/с. В космических масштабах это не так уж и быстро, но быстрее невозможно: сверхсветовые сигналы запрещены физическими законами. Трансляции в реальном времени — технология не для дальнего космоса.

Куда важнее другой параметр — пропускная способность. Иначе говоря, количество информации, которое умещается в сигнал продолжительностью в одну секунду. Ролик с котиком транслировался со скоростью 267 Мбит/с. Это в 1,5-2 раза выше типичной пропускной способности домашнего интернета и в 10–100 раз — каналов радиосвязи с межпланетными зондами.

Лазерный луч был принят телескопом Паломарской обсерватории в Калифорнии. Компьютер расшифровал сигнал и отправил его по интернету в Лабораторию реактивного движения (JPL) NASA. Примечательно, что пропускная способность соединения «Психея — Паломар» оказалась выше, чем «Паломар — JPL».

«Психея» стартовала 13 октября. Систему DSOC впервые включили спустя месяц. За несколько сеансов связи она передала на Землю 1,3 терабита. 

Для сравнения: аппарат «Кассини», работавший в системе Сатурна более 13 лет, передал по радио всего несколько сотен гигабайт научных данных. Правда, этот зонд был запущен в 1997 году, а проектировался с 1980-х. Пропускная способность его антенн в общем и целом соответствовала производительности тогдашних камер и других приборов. Сегодня же можно за недельный отпуск нащелкать на дешевый смартфон десятки гигабайт фотографий. Легко поставить похожую камеру на межпланетный зонд, но радиоканал просто не сможет передать все эти данные на Землю.

Ситуация складывается трагикомическая. Каждый астроном знает, как трудно выбить финансирование на межпланетный зонд. Такие аппараты обходятся в сотни миллионов долларов и десятки лет труда самых квалифицированных специалистов. Потом годами летят к цели через космические бездны, где каждую минуту что-то может пойти не так и неоткуда ждать помощи. Все, чтобы собрать ничтожную часть доступных данных — ровно ту, которая пролезет в бутылочное горлышко космической радиосвязи. Как если бы бизнес-аналитикам в эпоху больших данных доставалось не больше информации, чем можно переслать голубиной почтой.

Лазерная связь призвана превратить бутылочное горлышко в скоростную магистраль. И если в межпланетном пространстве она только испытывается, то на околоземной орбите уже вовсю применяется.

Силы света

Первый лазерный канал связи «спутник — Земля» был установлен еще в 1994 году японскими учеными. В 2001 году инженеры Европейского космического агентства (ESA) осуществили первую лазерную связь «спутник — спутник».

От экспериментов европейцы быстро перешли к бизнесу. Корпорация Airbus в сотрудничестве с ESA создала систему связи SpaceDataHighway. Она ориентирована на спутники, наблюдающие за нашей планетой из космоса со всевозможными целями, от метеорологических до военных. У таких спутников короткие сеансы связи с Землей. Облетая планету на высоте 550–700 км, они ненадолго показываются в поле зрения наземных антенн и возвращаются лишь на следующем обороте. Понятно, что это ограничивает продуктивность: нет смысла собирать больше данных, чем успеешь передать.

SpaceDataHighway предоставляет таким аппаратам лазерную связь с геостационарными спутниками в 36 000 км над Землей. Движение по геостационарной орбите синхронизировано с вращением планеты вокруг оси. Поэтому для наземной антенны геостационарный спутник все время висит в одной точке неба и может передавать данные непрерывно. 

Лазер передает данные с низкой орбиты на геостационарную. Это проще, чем «светить» прямо на Землю: в безвоздушном пространстве луч не рассеивается. Огромная пропускная способность лазерной связи (до 1,8 Гбит/с) позволяет обойтись коротким сеансом. С геостационарной орбиты информация отправляется на Землю уже по радио. Можно позволить себе долгую передачу, ведь геостационарный ретранслятор никуда не денется от антенны.

В 2021 году SpaceDataHighway без особого шума отметила юбилей: 50 000 успешных лазерных соединений и более 3 петабайт переданных данных.

От кубсатов до Луны

Американским инженерам тоже есть чем похвастаться. В 2013 году они установили лазерную связь между Землей и аппаратом LADEE на окололунной орбите с пропускной способностью до 622 Мбит/с. 

В 2017 году NASA запустило на низкую околоземную орбиту два спутника оптической связи и демонстрации датчиков (Optical Communications and Sensor Demonstration или OCSD). Они относятся к классу кубсатов — дешевых наноспутников, собранных на основе стандартных блоков 10 x 10 x 10 см. Каждый из двух аппаратов весил всего 2,5 кг. OCSD продемонстрировали лазерную связь с наземным 30-сантиметровым телескопом с пропускной способностью 200 Мбит/с. Интересно, что лазерную связь с Землей удалось установить даже таким миниатюрным и дешевым аппаратам.

В 2021 году NASA отправило на геостационарную орбиту более масштабную миссию — «Демонстрация ретранслятора лазерной связи» (Laser Communications Relay Demonstration или LCRD). Функция LCRD — быть ретранслятором между Землей и космическими аппаратами. В отличие от SpaceDataHighway, здесь лазерным является не только канал «космос — космос», но и канал «космос — Земля». Скорость передачи данных — до 1,2 Гбит/с. В ноябре 2023 года на МКС был доставлен модуль лазерной связи ILLUMA-T. 5 декабря этот прибор впервые передал данные на LCRD. Это был первый в истории сеанс лазерной связи с обитаемым космическим аппаратом. В отличие от модуля на борту «Психеи», ILLUMA-T передает с МКС не котиков, а ценные научные данные.

Широкополосная космическая связь открывает много возможностей, особенно в связке с робототехникой и достижениями искусственного интеллекта. Если медики проводят операции руками роботов-хирургов, почему бы ученым не исследовать Марс с помощью ловких, подвижных многофункциональных роботов? Ими можно управлять почти в реальном времени: даже при максимальном удалении Марса от Земли сигнал между ними идет немногим дольше 20 минут. Легко представить себе оператора, видящего картинку высокой четкости и отдающего роботу команды, куда идти и что сделать, оставляя искусственному интеллекту тонкую координацию движений. Это будет гораздо дешевле и безопаснее, чем отправлять на Красную планету человека. Хотя, конечно, не так амбициозно и увлекательно.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора