سجل اتصالات الليزر في الفضاء السحيق، ما مدى اتساع المجال للخيال؟ الجزء الأول

أكمل مسبار "سبيريت" الأمريكي مؤخراً اختباراً للاتصالات الليزرية في الفضاء السحيق مع منشآت أرضية تبعد 16 مليون كيلومتر، مسجلاً بذلك رقماً قياسياً جديداً في مسافة الاتصالات البصرية الفضائية. فما هي مزايا ذلك؟الاتصالات الليزريةاستنادًا إلى المبادئ التقنية ومتطلبات المهمة، ما هي الصعوبات التي يجب التغلب عليها؟ وما هي احتمالات تطبيقها في مجال استكشاف الفضاء السحيق في المستقبل؟

اختراقات تكنولوجية، لا تخشى التحديات
يُعد استكشاف الفضاء السحيق مهمة بالغة الصعوبة في مسيرة باحثي الفضاء لاستكشاف الكون. إذ يتعين على المركبات الفضائية عبور الفضاء بين النجوم البعيد، والتغلب على البيئات القاسية والظروف الصعبة، وجمع البيانات القيّمة ونقلها، وتلعب تكنولوجيا الاتصالات دورًا حيويًا في ذلك.

مخطط تخطيطي لـالاتصالات الليزرية في الفضاء السحيقتجربة بين مسبار القمر الصناعي سبيريت والمرصد الأرضي

في الثالث عشر من أكتوبر، انطلق مسبار "سبيريت" ليبدأ رحلة استكشافية ستستمر ثماني سنوات على الأقل. في بداية مهمته، عمل المسبار مع تلسكوب "هيل" في مرصد "بالومار" بالولايات المتحدة لاختبار تقنية الاتصالات الليزرية في الفضاء السحيق، مستخدمًا ترميز الليزر بالأشعة تحت الحمراء القريبة لنقل البيانات مع فرق البحث على الأرض. ولتحقيق هذه الغاية، كان على الكاشف ومعدات الاتصالات الليزرية التابعة له التغلب على أربعة أنواع من الصعوبات على الأقل، وهي: بُعد المسافة، وتوهين الإشارة والتداخل، ومحدودية عرض النطاق الترددي والتأخير، ومحدودية الطاقة، ومشاكل تبديد الحرارة. وقد توقع الباحثون هذه الصعوبات واستعدوا لها منذ فترة طويلة، ونجحوا في تطوير سلسلة من التقنيات الأساسية، مما أرسى أساسًا متينًا لمسبار "سبيريت" لإجراء تجارب الاتصالات الليزرية في الفضاء السحيق.
أولاً، يستخدم جهاز كشف الأرواح تقنية نقل البيانات عالية السرعة، ويعتمد على شعاع ليزر مُختار كوسيط نقل، وهو مُجهز بـليزر عالي الطاقةجهاز الإرسال، مستفيدًا من مزايانقل الليزرمعدل عالٍ واستقرار كبير، في محاولة لإنشاء روابط اتصال ليزرية في بيئة الفضاء السحيق.
ثانيًا، ولتحسين موثوقية واستقرار الاتصال، يعتمد جهاز كشف الأرواح تقنية تشفير فعّالة، تُمكّنه من تحقيق معدل نقل بيانات أعلى ضمن النطاق الترددي المحدود من خلال تحسين تشفير البيانات. وفي الوقت نفسه، يُمكنه تقليل معدل خطأ البتات وتحسين دقة نقل البيانات باستخدام تقنية تشفير تصحيح الأخطاء الأمامية.
ثالثًا، بفضل تقنية الجدولة والتحكم الذكية، يحقق المسبار الاستخدام الأمثل لموارد الاتصال. إذ تستطيع هذه التقنية تعديل بروتوكولات الاتصال ومعدلات الإرسال تلقائيًا وفقًا لتغيرات متطلبات المهمة وبيئة الاتصال، مما يضمن أفضل نتائج اتصال في ظل ظروف الطاقة المحدودة.
وأخيرًا، ولتعزيز قدرة استقبال الإشارة، يستخدم مسبار سبيريت تقنية الاستقبال متعدد الحزم. تعتمد هذه التقنية على استخدام هوائيات استقبال متعددة لتشكيل مصفوفة، مما يُحسّن حساسية الاستقبال واستقرار الإشارة، وبالتالي يضمن اتصالًا مستقرًا في بيئة الفضاء السحيق المعقدة.

المزايا واضحة، لكنها مخفية في السر.
ليس من الصعب على العالم الخارجي أن يجد أنليزريُعدّ الليزر عنصرًا أساسيًا في اختبار الاتصالات الفضائية العميقة لمسبار سبيريت، فما هي المزايا المحددة التي يتمتع بها الليزر للمساهمة في تحقيق تقدم كبير في مجال الاتصالات الفضائية العميقة؟ ما السرّ وراء ذلك؟
من جهة، فإن الطلب المتزايد على البيانات الضخمة والصور والفيديوهات عالية الدقة لمهام استكشاف الفضاء السحيق سيستلزم حتماً معدلات نقل بيانات أعلى للاتصالات الفضائية. ونظراً لأن مسافة نقل البيانات غالباً ما تبدأ بعشرات الملايين من الكيلومترات، فإن الموجات الراديوية تفقد قوتها تدريجياً.
بينما تُشفّر الاتصالات الليزرية المعلومات على الفوتونات، تتميز موجات الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء، مقارنةً بالموجات الراديوية، بطول موجي أضيق وتردد أعلى، مما يُتيح إنشاء "طريق سريع" فضائي لنقل البيانات بكفاءة وسلاسة أكبر. وقد تم التحقق من هذه النقطة مبدئيًا في التجارب الفضائية المبكرة في المدار الأرضي المنخفض. بعد اتخاذ التدابير التكيفية اللازمة والتغلب على التداخل الجوي، بلغ معدل نقل البيانات في نظام الاتصالات الليزرية ما يقارب 100 ضعف معدل نقل البيانات في وسائل الاتصال السابقة.