nauki ścisłe
Autor: Joanna Thompson | dodano: 2021-04-06
Podróżujące fotony

Ilustracja Thomas Fuchs

Systemy laserowe przyspieszyłyby transmisję danych przez sondy międzyplanetarne.

Nowa technika laserowa ma szansę usprawnić komunikację kosmiczną, umożliwiając oddalanie od Ziemi granic poznania.

Współczesne systemy łączności kosmicznej są oparte na falach radiowych. Przemierzając olbrzymie odległości, ulegają one dyfrakcji i rozpraszaniu, podobnie zresztą jak światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Wysłana z Księżyca wiązka fal radiowych na Ziemi „zwiększa średnicę do rozmiarów kontynentu”, wyjaśnia Peter Andrekson, specjalista w dziedzinie fotoniki ze szwedzkiego Uniwersytetu Technicznego Chalmers i współautor pracy opublikowanej niedawno w Light: Science and Applications. Dla porównania na tym samym dystansie "wiązka laserowa ulega poszerzeniu do około 2 km".

Przechwycenie dostatecznie dużej części fal radiowych docierających na przykład z Marsa wymaga potężnej anteny parabolicznej. Bryan Robinson, inżynier systemów komunikacji optycznej z MIT Lincoln Laboratory, który nie uczestniczył w badaniach, wyjaśnia, że największe anteny, jakimi dysponuje NASA mają średnicę 70 m: "To tak, jakby całe boisko piłkarskie zamocować na przegubie Cardana, a następnie ustawić je w kierunku Marsa".

Używając lasera, można by zredukować średnicę odbiornika do około 20 cm, czyli mniej więcej rozmiaru małej pizzy, a jednocześnie znacznie zwiększyć w porównaniu z falami radiowymi szybkość przesyłania informacji. Niestety, wysyłane sygnały laserowe mają mniejszą moc i ich odbiór wymaga niezwykle silnego wzmacniania.

W odbiorniku nowego typu, który zaprojektowali badacze, wykorzystano technikę wzmacniana fazoczułego (PSA – phase sensitive amplification) zrealizowaną dzięki oddziaływaniom między fotonami. Robinson przyznaje, że rozwiązanie to jest niezmiernie interesujące, ponieważ standardowe współczesne wzmacniacze wprowadzają „szum”, który zniekształca sygnał. Doświadczalny system PSA okazał się wystarczająco czuły, aby w zasymulowanych w laboratorium warunkach przestrzeni międzyplanetarnej uwzględniających dyfrakcję wiązki odpowiadającą przebywanej odległości odbierać dane z prędkością 10,5 gigabita na sekundę. Następnym wyzwaniem będzie rozwiązanie problemu zniekształceń wprowadzanych przez atmosferę.

W 2013 roku badacze z Lincoln Laboratory i NASA z powodzeniem przetestowali inny system transmisji laserowej pomiędzy statkiem kosmicznym a Ziemią. Zastosowano w nim odbiornik zliczający fotony, który reaguje na każdą docierającą cząstkę światła. Rozwiązanie jest bardzo efektywne w przypadku przesyłania danych, które mogą być kodowane numerycznie, ale do pracy wymaga oziębienia do temperatury −269°C. Odbiorniki PSA działają w temperaturze pokojowej.

Tanya Harrison, która specjalizuje się w badaniach planet i nie uczestniczyła w żadnym ze wspomnianych projektów, przyznaje, że wobec istniejących potrzeb udoskonalenie systemów komunikacji optycznej byłoby ogromnym osiągnięciem. Harrison tworzy mapy Marsa na podstawie danych przekazywanych przez satelity i odczuwa ogromną frustrację z powodu ograniczeń wynikających z szybkości transmisji radiowej. Parametry łączności między Marsem a Ziemią przypominają szybkość i niezawodność modemów z początku lat 90. Satelita okrążający Czerwoną Planetę, wyjaśnia Harrison, "zbiera nawet 10 razy więcej danych, niż może przesłać na Ziemię. Systemy komunikacji optycznej pozwoliłyby wyraźnie zintensyfikować prowadzone przez nas badania."

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 04/2021 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
04/2021
10/2020 - specjalny
Kalendarium
Kwiecień
20
W 1862 r. Ludwik Pasteur i Claude Bernard przeprowadzili pierwszy udany test pasteryzacji.
Warto przeczytać
Fizyka kwantowa jest dziwna. Reguły świata kwantowego, według których działa świat na poziomie atomów i cząstek subatomowych, nie są tymi samymi regułami, które obowiązują w dobrze znanym nam świecie codziennych doświadczeń - regułami, które kojarzymy ze zdrowym rozsądkiem.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Joanna Thompson | dodano: 2021-04-06
Podróżujące fotony

Ilustracja Thomas Fuchs

Systemy laserowe przyspieszyłyby transmisję danych przez sondy międzyplanetarne.

Nowa technika laserowa ma szansę usprawnić komunikację kosmiczną, umożliwiając oddalanie od Ziemi granic poznania.

Współczesne systemy łączności kosmicznej są oparte na falach radiowych. Przemierzając olbrzymie odległości, ulegają one dyfrakcji i rozpraszaniu, podobnie zresztą jak światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Wysłana z Księżyca wiązka fal radiowych na Ziemi „zwiększa średnicę do rozmiarów kontynentu”, wyjaśnia Peter Andrekson, specjalista w dziedzinie fotoniki ze szwedzkiego Uniwersytetu Technicznego Chalmers i współautor pracy opublikowanej niedawno w Light: Science and Applications. Dla porównania na tym samym dystansie "wiązka laserowa ulega poszerzeniu do około 2 km".

Przechwycenie dostatecznie dużej części fal radiowych docierających na przykład z Marsa wymaga potężnej anteny parabolicznej. Bryan Robinson, inżynier systemów komunikacji optycznej z MIT Lincoln Laboratory, który nie uczestniczył w badaniach, wyjaśnia, że największe anteny, jakimi dysponuje NASA mają średnicę 70 m: "To tak, jakby całe boisko piłkarskie zamocować na przegubie Cardana, a następnie ustawić je w kierunku Marsa".

Używając lasera, można by zredukować średnicę odbiornika do około 20 cm, czyli mniej więcej rozmiaru małej pizzy, a jednocześnie znacznie zwiększyć w porównaniu z falami radiowymi szybkość przesyłania informacji. Niestety, wysyłane sygnały laserowe mają mniejszą moc i ich odbiór wymaga niezwykle silnego wzmacniania.

W odbiorniku nowego typu, który zaprojektowali badacze, wykorzystano technikę wzmacniana fazoczułego (PSA – phase sensitive amplification) zrealizowaną dzięki oddziaływaniom między fotonami. Robinson przyznaje, że rozwiązanie to jest niezmiernie interesujące, ponieważ standardowe współczesne wzmacniacze wprowadzają „szum”, który zniekształca sygnał. Doświadczalny system PSA okazał się wystarczająco czuły, aby w zasymulowanych w laboratorium warunkach przestrzeni międzyplanetarnej uwzględniających dyfrakcję wiązki odpowiadającą przebywanej odległości odbierać dane z prędkością 10,5 gigabita na sekundę. Następnym wyzwaniem będzie rozwiązanie problemu zniekształceń wprowadzanych przez atmosferę.

W 2013 roku badacze z Lincoln Laboratory i NASA z powodzeniem przetestowali inny system transmisji laserowej pomiędzy statkiem kosmicznym a Ziemią. Zastosowano w nim odbiornik zliczający fotony, który reaguje na każdą docierającą cząstkę światła. Rozwiązanie jest bardzo efektywne w przypadku przesyłania danych, które mogą być kodowane numerycznie, ale do pracy wymaga oziębienia do temperatury −269°C. Odbiorniki PSA działają w temperaturze pokojowej.

Tanya Harrison, która specjalizuje się w badaniach planet i nie uczestniczyła w żadnym ze wspomnianych projektów, przyznaje, że wobec istniejących potrzeb udoskonalenie systemów komunikacji optycznej byłoby ogromnym osiągnięciem. Harrison tworzy mapy Marsa na podstawie danych przekazywanych przez satelity i odczuwa ogromną frustrację z powodu ograniczeń wynikających z szybkości transmisji radiowej. Parametry łączności między Marsem a Ziemią przypominają szybkość i niezawodność modemów z początku lat 90. Satelita okrążający Czerwoną Planetę, wyjaśnia Harrison, "zbiera nawet 10 razy więcej danych, niż może przesłać na Ziemię. Systemy komunikacji optycznej pozwoliłyby wyraźnie zintensyfikować prowadzone przez nas badania."