سجل الاتصالات بالليزر في الفضاء السحيق، ما مساحة الخيال؟ الجزء الأول

ومؤخرًا، أكمل مسبار سبيريت الأمريكي اختبار اتصال بالليزر في الفضاء السحيق مع منشآت أرضية على بعد 16 مليون كيلومتر، مسجلًا رقمًا قياسيًا جديدًا لمسافة الاتصالات البصرية الفضائية. إذن ما هي مزاياالاتصالات بالليزر؟ بناءً على المبادئ الفنية ومتطلبات المهمة، ما هي الصعوبات التي يجب التغلب عليها؟ وما هو احتمال تطبيقه في مجال استكشاف الفضاء السحيق في المستقبل؟

التقدم التكنولوجي، لا يخاف من التحديات
يعد استكشاف الفضاء السحيق مهمة صعبة للغاية أثناء استكشاف الباحثين في مجال الفضاء للكون. تحتاج المجسات إلى عبور الفضاء البعيد بين النجوم، والتغلب على البيئات القاسية والظروف القاسية، والحصول على البيانات القيمة ونقلها، وتلعب تكنولوجيا الاتصالات دورًا حيويًا.

رسم تخطيطي لالاتصالات بالليزر في الفضاء السحيقتجربة بين مسبار القمر الصناعي سبيريت والمرصد الأرضي

وفي 13 أكتوبر، انطلق المسبار سبيريت، ليبدأ رحلة استكشافية ستستمر ثماني سنوات على الأقل. وعملت في بداية المهمة مع تلسكوب هيل في مرصد بالومار بالولايات المتحدة على اختبار تكنولوجيا الاتصال بالليزر في الفضاء السحيق، وذلك باستخدام تشفير الليزر بالأشعة تحت الحمراء القريبة لتواصل البيانات مع الفرق الموجودة على الأرض. ولتحقيق هذه الغاية، يحتاج الكاشف ومعدات الاتصال الليزرية الخاصة به إلى التغلب على أربعة أنواع من الصعوبات على الأقل. على التوالي، فإن مشاكل المسافة البعيدة، وتوهين الإشارة والتداخل، وتقييد وتأخير عرض النطاق الترددي، والحد من الطاقة، وتبديد الحرارة تستحق الاهتمام. لقد توقع الباحثون هذه الصعوبات منذ فترة طويلة واستعدوا لها، واخترقوا سلسلة من التقنيات الرئيسية، ووضعوا أساسًا جيدًا لمسبار سبيريت لإجراء تجارب الاتصال بالليزر في الفضاء السحيق.
أولا وقبل كل شيء، يستخدم كاشف الروح تكنولوجيا نقل البيانات عالية السرعة، وشعاع الليزر المحدد كوسيلة نقل، ومجهز بليزر عالي الطاقةالارسال، وذلك باستخدام مزاياانتقال الليزرمعدل واستقرار عالي، في محاولة لإنشاء روابط اتصال بالليزر في بيئة الفضاء السحيق.
ثانيًا، من أجل تحسين موثوقية واستقرار الاتصال، يعتمد كاشف Spirit تقنية تشفير فعالة، والتي يمكنها تحقيق معدل نقل بيانات أعلى ضمن عرض النطاق الترددي المحدود عن طريق تحسين تشفير البيانات. وفي الوقت نفسه، يمكن تقليل معدل الخطأ في البتات وتحسين دقة نقل البيانات باستخدام تقنية ترميز تصحيح الأخطاء الأمامي.
ثالثًا، بمساعدة تقنية الجدولة والتحكم الذكية، يحقق المسبار الاستخدام الأمثل لموارد الاتصال. يمكن لهذه التقنية ضبط بروتوكولات الاتصال ومعدلات الإرسال تلقائيًا وفقًا للتغيرات في متطلبات المهمة وبيئة الاتصال، وبالتالي ضمان أفضل نتائج الاتصال في ظل ظروف الطاقة المحدودة.
وأخيرًا، من أجل تعزيز قدرة استقبال الإشارة، يستخدم مسبار سبيريت تقنية الاستقبال متعدد الحزم. تستخدم هذه التقنية هوائيات استقبال متعددة لتشكيل مصفوفة، والتي يمكن أن تعزز حساسية الاستقبال واستقرار الإشارة، ومن ثم الحفاظ على اتصال اتصال مستقر في بيئة الفضاء السحيق المعقدة.

المزايا واضحة، مخفية في السر
العالم الخارجي ليس من الصعب أن تجد أنالليزرهو العنصر الأساسي في اختبار الاتصالات في الفضاء السحيق لمسبار سبيريت، فما هي المزايا المحددة التي يتمتع بها الليزر للمساعدة في تحقيق تقدم كبير في الاتصالات في الفضاء السحيق؟ ما هو اللغز؟
فمن ناحية، فإن الطلب المتزايد على البيانات الضخمة والصور ومقاطع الفيديو عالية الدقة لمهمات استكشاف الفضاء السحيق لا بد أن يتطلب معدلات نقل بيانات أعلى لاتصالات الفضاء السحيق. وأمام مسافة نقل الاتصالات التي غالباً ما «تبدأ» بعشرات الملايين من الكيلومترات، تصبح موجات الراديو «عاجزة» تدريجياً.
في حين أن الاتصالات بالليزر تشفر المعلومات على الفوتونات، مقارنة بموجات الراديو، فإن موجات الضوء القريبة من الأشعة تحت الحمراء لها طول موجي أضيق وتردد أعلى، مما يجعل من الممكن بناء "طريق سريع" للبيانات المكانية مع نقل معلومات أكثر كفاءة وسلاسة. تم التحقق من هذه النقطة بشكل مبدئي في التجارب الفضائية المبكرة في المدار الأرضي المنخفض. وبعد اتخاذ التدابير التكيفية ذات الصلة والتغلب على التداخل الجوي، أصبح معدل نقل البيانات لنظام الاتصالات بالليزر أعلى بحوالي 100 مرة من وسائل الاتصال السابقة.