مؤخرًا، أكمل مسبار سبيريت الأمريكي اختبار اتصال ليزري في الفضاء العميق مع منشآت أرضية تبعد 16 مليون كيلومتر، محققًا رقمًا قياسيًا جديدًا في مسافة الاتصال البصري الفضائي. فما هي مزايا...الاتصالات بالليزربناءً على المبادئ التقنية ومتطلبات المهمة، ما هي الصعوبات التي يجب التغلب عليها؟ وما هي آفاق تطبيقها في مجال استكشاف الفضاء العميق مستقبلًا؟
الاختراقات التكنولوجية، لا تخاف من التحديات
يُعد استكشاف الفضاء العميق مهمةً بالغة الصعوبة في سياق استكشاف باحثي الفضاء للكون. إذ يتعين على المسابير عبور الفضاء النجمي البعيد، والتغلب على البيئات القاسية والظروف القاسية، وجمع بيانات قيّمة ونقلها، وتلعب تكنولوجيا الاتصالات دورًا حيويًا.
مخطط تخطيطي لـاتصالات الليزر في الفضاء العميقتجربة بين مسبار القمر الصناعي سبيريت والمرصد الأرضي
في 13 أكتوبر، انطلق مسبار سبيريت، ليبدأ رحلة استكشافية ستستمر ثماني سنوات على الأقل. في بداية المهمة، عمل المسبار مع تلسكوب هيل في مرصد بالومار بالولايات المتحدة لاختبار تقنية الاتصالات بالليزر في الفضاء السحيق، باستخدام ترميز ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة لتوصيل البيانات إلى فرق على الأرض. ولتحقيق هذه الغاية، يتعين على الكاشف ومعدات الاتصالات بالليزر التغلب على أربعة أنواع على الأقل من الصعوبات. وهي على التوالي: بُعد المسافة، وتوهين الإشارة وتداخلها، وحدود النطاق الترددي وتأخيره، وحدود الطاقة، وتبديد الحرارة. وقد توقع الباحثون هذه الصعوبات واستعدوا لها منذ فترة طويلة، وطوروا سلسلة من التقنيات الرئيسية، مما مهد الطريق لمسبار سبيريت لإجراء تجارب الاتصالات بالليزر في الفضاء السحيق.
أولاً وقبل كل شيء، يستخدم كاشف الأرواح تقنية نقل البيانات عالية السرعة، ويتم اختيار شعاع الليزر كوسيلة نقل، وهو مزود بـليزر عالي الطاقةجهاز الإرسال، باستخدام مزايانقل الليزرمعدل واستقرار عالي، في محاولة لإنشاء روابط اتصال بالليزر في بيئة الفضاء العميق.
ثانيًا، لتحسين موثوقية واستقرار الاتصال، يعتمد كاشف الأرواح تقنية ترميز فعّالة، مما يُحسّن ترميز البيانات ويحقق معدل نقل بيانات أعلى ضمن نطاق ترددي محدود. وفي الوقت نفسه، يُقلل من معدل خطأ البت ويحسّن دقة نقل البيانات باستخدام تقنية ترميز تصحيح الخطأ الأمامي.
ثالثًا، بفضل تقنية الجدولة والتحكم الذكي، يُحقق المسبار الاستخدام الأمثل لموارد الاتصال. وتستطيع هذه التقنية ضبط بروتوكولات الاتصال ومعدلات الإرسال تلقائيًا وفقًا لتغيرات متطلبات المهمة وبيئة الاتصال، مما يضمن أفضل نتائج الاتصال في ظل ظروف الطاقة المحدودة.
وأخيرًا، لتعزيز قدرة استقبال الإشارة، يستخدم مسبار سبيريت تقنية الاستقبال متعدد الحزم. تستخدم هذه التقنية هوائيات استقبال متعددة لتشكيل مصفوفة، مما يُحسّن حساسية الاستقبال واستقرار الإشارة، ويحافظ على اتصال مستقر في بيئة الفضاء العميق المعقدة.
المزايا واضحة، مخفية في السر
ليس من الصعب العثور على العالم الخارجيالليزريُعدّ الليزر العنصر الأساسي لاختبار اتصالات الفضاء العميق لمسبار سبيريت، فما هي المزايا المحددة التي يتمتع بها للمساهمة في التقدم الملحوظ في اتصالات الفضاء العميق؟ ما هو اللغز؟
من ناحية أخرى، يتطلب الطلب المتزايد على البيانات الضخمة والصور والفيديوهات عالية الدقة لمهام استكشاف الفضاء العميق معدلات نقل بيانات أعلى لاتصالات الفضاء العميق. ونظرًا لأن مسافة نقل الاتصالات غالبًا ما تبدأ بعشرات الملايين من الكيلومترات، فإن موجات الراديو تصبح تدريجيًا "عاجزة".
بينما تُشفّر الاتصالات بالليزر المعلومات على شكل فوتونات، مقارنةً بالموجات الراديوية، تتميز موجات الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء بطول موجي أضيق وتردد أعلى، مما يُتيح بناء "طريق سريع" للبيانات المكانية يتميز بنقل معلومات أكثر كفاءة وسلاسة. وقد تم التحقق من هذه النقطة مبدئيًا في التجارب الفضائية المبكرة في مدار أرضي منخفض. وبعد اتخاذ التدابير التكيفية اللازمة والتغلب على التداخل الجوي، أصبح معدل نقل البيانات لنظام الاتصالات بالليزر أعلى بنحو 100 مرة من معدل نقل البيانات في وسائل الاتصال السابقة.
وقت النشر: ٢٦ فبراير ٢٠٢٤