Nach Hause telefonieren 28.11.2023, 14:50 Uhr

Laserstrahl sendet Nachricht aus 16 Millionen Kilometern Entfernung

Mitte Oktober ist die Raumsonde Psyche auf eine sechsjährige Reise zu gleichnamigen Asteroiden gestartet. Nun hat die Sonde eine Nachricht mit einem Laserstrahl gesendet – aus fast 16 Millionen Kilometern Entfernung. Das ist für optische Kommunikation ein neuer Rekord.

Palomar Observatorium

Am Palomar Observatorium in Kalifornien wurde die Lasernachricht aus 16 Millionen Kilometern Entfernung empfangen.

Foto: Panthermedia.net/Feverpitched (YAYMicro)

Als ET vor über 40 Jahren nach Hause telefonieren wollte, hatte er noch keine Lasertechnologie zu Verfügung, traditionell werden auch heute noch Radiowellen verwendet, um mit weit entfernten Raumfahrzeugen zu kommunizieren. Allerdings bieten höhere Lichtfrequenzen, wie etwa nahe Infrarot, eine höhere Bandbreite und sie sind wesentlich schneller unterwegs. Das braucht es, will die Menschheit einst den Weltraum erobern und zum Beispiel auf dem Mars sesshaft werden. Nun sind erste Tests mit einem Laserstrahl in etwa 16 Millionen Kilometern Entfernung gelungen. Die Raumsonde Psyche der NASA nahm Kontakt mit dem Hale-Teleskop des Palomar-Observatoriums in Kalifornien auf.

Entfernung: 40-mal Erde zum Mond

Im Rahmen des NASA-Experiments Deep Space Optical Communications (DSOC) wurde ein optisches Signal erfolgreich über eine Entfernung von 16 Millionen Kilometern gesendet – das ist mehr als 40-mal so weit wie die Entfernung zwischen Erde und Mond. Dies ist das erste Mal, dass ein optisches Signal zur Kommunikation über eine so große Entfernung verwendet wurde. Normalerweise verwenden wir Radiowellen, um mit weit entfernten Raumfahrzeugen zu kommunizieren.

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Höhere Lichtfrequenzen, wie das nahe Infrarot, bieten jedoch eine größere Bandbreite und ermöglichen so eine erhebliche Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit. Diese technologische Entwicklung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Fähigkeit, hochauflösende Videobotschaften nahezu ohne Zeitverzögerung zum Mars und zurückzusenden – ein wesentlicher Fortschritt für die zukünftige interplanetare Kommunikation.

„Erstes Licht“ erfolgreich empfangen

In Fachkreisen wird die erste Kontaktaufnahme, die im Zuge des DSCOC-Experiments gelungen ist, als „erstes Licht“ bezeichnet. Entsprechend groß war bei der NASA die Spannung im Vorfeld, ob die Kommunikationsverbindung erfolgreich aufgebaut werden kann.

„Das Erreichen des ersten Lichts ist einer von vielen kritischen DSOC-Meilensteinen in den kommenden Monaten, die den Weg zu einer Kommunikation mit höherer Datenrate ebnen, die wissenschaftliche Informationen, hochauflösende Bilder und Videostreams zur Unterstützung des nächsten großen Sprungs der Menschheit senden kann“, so Trudy Kortes, Direktorin für Technologiedemonstrationen in der NASA-Zentrale.

Technik wurde für Einsatz im Weltall angepasst

Der Laserstrahl, der jetzt aus dem Weltall die Erde erreicht, ist keine absolute neue Technik. Ähnliche Technologien kommen für die Hochgeschwindigkeitskommunikation auch auf dem Boden zum Einsatz – zum Beispiel bei Glasfaserkabeln. Für den Einsatz im Weltall wurde die Lasertechnik jedoch angepasst, um die bestehenden Methoden der Informationsübermittlung zur Erde zu verbessern.

Da es sich um infrarotes Licht handelt, können Ingenieure seine Wellen problemlos in Laserform übertragen. Diese Technik beschleunigt zwar nicht die Lichtgeschwindigkeit selbst, ermöglicht aber die Fokussierung des Lichtstrahls auf einen schmalen Kanal. Dies ist nicht nur energieeffizienter als die breitere Streuung von Radiowellen (die langsamer als Licht sind), sondern hat auch den Vorteil, dass das Signal schwerer abzufangen ist.

Psyche Nase

Die Raumsonde Psyche, genauer gesagt das DSOC, war Ausgangspunkt der Lasernachricht.

Foto: NASA/JPL-Caltech/ASU

Herausforderungen der Lasertechnik

Die Infrarotwellen lassen sich zwar einfach in einen Laserstrahl packen, es ist dennoch keine einfache Aufgabe, den Strahl von der Raumsonde zur Erde zu bringen. So erfolgt die Übertragung von Daten mittels Lasertechnologie durch die Kodierung von Datenbits in den vom Laser ausgesandten Photonen. Dieser Prozess erfordert den Einsatz von Hochleistungsinstrumenten, einschließlich einer supraleitenden und hocheffizienten Detektoranordnung. Diese Instrumente sind entscheidend, um die Informationen für die Übertragung vorzubereiten und sie am Zielort zu dekodieren.

Zusätzlich stellt die Notwendigkeit einer präzisen Positionierung des Systems in Echtzeit eine weitere Herausforderung dar. Bei dem jetzt erfolgreich durchgeführten Test benötigten die Laserphotonen etwa 50 Sekunden, um die Strecke von der Raumsonde zum Teleskop zurückzulegen. Während dieser Zeit bewegen sich sowohl die Raumsonde als auch das Teleskop mit hoher Geschwindigkeit durch das All, was die Genauigkeit der Positionierung und die Stabilität des Systems zusätzlich fordert.

Erfolgreiche Kontaktaufnahme mit dem Hale-Teleskop

Der für diese Verbindung zwischen Sonde und Erde verantwortliche Lasertransceiver befindet sich an Bord der Raumsonde Psyche. Psyche ist derzeit auf einer zweijährigen technischen Demonstrationsmission und auf dem Weg in den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Dort soll die Sonde den gleichnamigen Metallasteroiden Psyche erkunden. Es ist dann das erste Mal, dass solch eine Art Asteroid erforscht wird.

Auf seiner insgesamt sechs Jahre dauernden Reise wird die Raumsonde auch am Mars vorbeikommen. Während dieser Zeit werden kontinuierlich Tests durchgeführt, um die neuartige Nahinfrarot-Laserkommunikationstechnologie weiter zu verfeinern und zu verbessern. Das Hauptziel dieser Tests ist es, die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikationsmethode zu gewährleisten und sicherzustellen, dass sie den hohen Anforderungen interplanetarer Missionen entspricht.

Erst einmal ist die Freude über die gelungene Kontaktaufnahme groß: „Es war eine gewaltige Herausforderung, und wir haben noch viel Arbeit vor uns, aber für kurze Zeit konnten wir einige Daten senden, empfangen und dekodieren“, sagt Meera Srinivasan, Leiterin des DSOC-Betriebs am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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