Aralık 2023’te, minik, altın kaplamalı bir uydu, Taters adlı turuncu bir tekir kedinin kanepede bir aşağı bir yukarı lazer işaretleyiciyi kovaladığını gösteren bir video yayınladı. Evcil hayvanlarınızla sürekli hava attığınızı düşünüyorsanız Taters’ın 15 saniyelik macerası Dünya’dan 30 milyon kilometre uzaktan aktarıldı. Birkaç ay sonra, NASA çalışanlarının evcil hayvanlarının fotoğrafları ve videoları, ışık hızıyla Dünya’ya ulaşması 101 saniye süren lazer ışınlarının içinde özenle paketlenmiş olarak uzayda uçuyordu.
NASA’nın gösterisi, Dünya’daki her evcil hayvan sahibini bir adım öne çıkarmanın yanı sıra, verileri uzak uzay araçlarına radyo dalgalarından çok daha hızlı aktarmanın bir yolu olarak optik iletişim sistemlerini test etmek için tasarlandı. NASA’nın Jet Propulsion Laboratuvarı’ndaki (JPL) Derin Uzay Optik İletişimi’nin (DSOC) operasyon lideri Meera Srinivasan, Gizmodo’ya “Bu onlarca yıldır üzerinde çalışılan bir şeydi” dedi. “Bu teknolojiyi geliştirmemiz ve özellikle uzay ortamındaki operasyonlara uygun hale getirmemiz gerekiyordu.”
Uzay iletişiminde yeni bir dönem
DSOC’un uçmaya hazır hale gelmesi, yıllar süren araştırmalar ve Dünya’dan Ay’a kadar daha kısa mesafelere veri ışınlayan daha küçük teknoloji gösterileri gerektirdi. DSOC uçuş lazer alıcı-vericisi, Ekim 2023’te Psyche uzay aracına (aynı adı taşıyan bir asteroidi keşfetme görevinde olan) bağlı olarak fırlatıldı.
Psyche geleneksel radyo iletişimine dayanırken, DSOC lazer alıcı-vericisi Mars kadar uzak mesafelerden optik iletişimin ilk gösterimidir. Kasım ayında cihaz, Dünya’dan yaklaşık 10 milyon mil uzakta, yakın kızılötesi bir lazerle kodlanan ilk ışık ve ışın verilerini gördü.
Evet, ışık hızında hareket eden, uzayın derinliklerinden Dünya’ya yüksek çözünürlüklü veri taşıyan görünmez ışınlardan bahsediyoruz. Şöyle çalışır: Optik iletişim sistemleri, verileri lazerlerdeki ışık dalgalarının salınımlarına paketler ve bir mesajı, insan gözünün göremediği kızılötesi ışınlar aracılığıyla bir alıcıya taşınan optik bir sinyale kodlar.
Optik iletişim nasıl çalışır?
1950’lerde ilk uydunun fırlatılmasından bu yana NASA ve diğer uzay ajansları, uzaya veri göndermek ve uzaydan veri göndermek için radyo frekansı iletişimini kullanıyor. Hem radyo sinyalleri hem de lazer sinyalleri elektromanyetik spektrumun bir parçasıdır ve aynı hızda hareket ederler, ancak her birinin farklı dalga boyları vardır. Lazerler, verileri elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi kısmında iletir, dolayısıyla daha kısa bir dalga boyuna ve daha yüksek bir frekansa sahiptirler. Bu, belirli bir mesafede radyo dalga boylarından daha fazla kızılötesi olduğu anlamına gelir ve kızılötesi dalgaların içinde daha fazla verinin paketlenmesine olanak tanır.
Srinivasan, “Bu, sığdırabileceğiniz veri miktarını etkiliyor” dedi. “Ve açıkçası bunun yaptığı şey, daha yüksek çözünürlüklü verilere olanak sağlamasıdır çünkü aynı zaman aralığında çok daha fazla bit gönderebilirsiniz.” NASA’ya göre DSOC deneyi, bugün uzay aracı tarafından kullanılan mevcut radyo frekans sistemlerinden 10 ila 100 kat daha yüksek veri iletim hızlarını göstermeyi amaçlıyor.
Tekir kedi videosunu dikkate alırsanız, Psyche’nin saniyede 360 kilobit veri hızına sahip geleneksel radyo vericisinin videoyu iletmesi 426 saniye sürecektir. Bu arada, DSOC lazer alıcı-vericisinin videoyu saniyede 267 megabit veri hızında iletmesi yalnızca 0,58 saniye sürdü. Ancak hem radyonun hem de lazerin Dünya’ya ışık hızında ulaşması aynı süreyi alırdı.
Srinivasan, “Optik iletişimde, iletişim kurmak için esas olarak teleskopları ve lazerleri kullanıyorsunuz ve bu lazer ışınlarını gönderiyorsunuz” dedi. DSOC deneyinde bir uçuş lazer alıcı-vericisi ve iki yer istasyonu bulunmaktadır: Caltech’in San Diego’daki Palomar Gözlemevi’nde bulunan ve aşağı bağlantı istasyonu görevi gören 200 inç (5 metre) açıklıklı Hale Teleskobu ve JPL’nin Masa Dağı’ndaki Optik İletişim Teleskobu Laboratuvarı. Kaliforniya’daki tesis, uplink istasyonu.
Uplink istasyonu, bireysel fotonları sayma yeteneğine sahip bir kamerayla donatılmış uçuş terminaline atımlı bir lazer sinyali gönderir. Uçuş terminali, yer vericisini bir işaret ışığı olarak kullanır ve lazer ışınını işaret ettiği yere nişan almak için ona kilitlenir. Uçuş terminali yerdeki vericiyi kullanarak verilerini lazer darbeleri şeklinde Dünya’ya aşağı bağlantı olarak gönderir.
Uzay lazerlerinin zorlukları ve geleceği
Kulağa oldukça kolay geliyor, peki NASA neden bunca zamandır bu serin uzay lazerlerine güvenmedi? Optik iletişimin de zorlukları var. Lazer ışını Dünya’ya ulaştığında, radyo emsallerinden çok daha dardır ve yaklaşık 1,5 milyon mil genişliğindeki (2,5 milyon kilometre genişliğinde) radyo sinyaliyle karşılaştırıldığında yalnızca birkaç yüz mil genişliğindedir. Dar genişliği, Dünya’daki alıcı istasyona ulaşmak için daha fazla doğruluk gerektirir; lazer ışınını, sinyal ona ulaştığında yer tabanlı teleskopun gezegenin yörüngesinde olacağı bir noktaya yönlendirir.
Optik iletişim, Dünya yörüngesinden ve Ay’dan veri iletmek için kullanıldı, ancak son test, lazer ışınlarının kat ettiği en uzak mesafeyi işaret ediyor; NASA, derin uzaya yapılacak yaklaşan misyonlar öncesinde iletişim becerilerini geliştirmeye çalışıyor. Ancak daha uzun mesafeler, uzay lazerlerinin Dünya’daki bir hedefi tam olarak vurmasını zorlaştırıyor; NASA’nın, derin uzaydan veri indirmek için tamamen lazerlere güvenme konusundaki en büyük zorluğu.
Psyche uzay aracı asteroit kuşağına doğru 2,2 milyar mil (3,6 milyar kilometre) yolculuğuna devam ederken, DSOC’un arkasındaki mühendislik ekibi iletişim sistemi testlerini yürütmeye ve lazer alıcı-vericiyi haftalık olarak kontrol etmeye devam edecek. Psyche asteroit hedefine doğru ne kadar uzağa giderse, lazer foton sinyali o kadar sönükleşecektir.
Şu ana kadar deney, Dünya’dan uzaklaştıkça rekorları kırıyor. Temmuz ayında DSOC, Dünya’dan Psyche uzay aracına yaklaşık 290 milyon mil (460 milyon kilometre) mesafeden bir lazer sinyali gönderdi; bu, iki gezegenin birbirinden en uzak olduğu zaman Dünya ile Mars arasındaki mesafeyle aynı mesafedir.
NASA’dan Srinivasan, misyonların önümüzdeki 10 yıl içinde lazerlere dayanmaya başlayacağını öngörüyor ve verileri alabilecek yer sahaları için bir dizi seçeneğe sahip olmak amacıyla optik iletişime adanmış teleskoplar inşa etme ihtiyacının altını çiziyor.
“Bunun her ikisinin de çözümü olacağını düşünüyorum [radio and laser communication]dedi Srinivasan. “Lazer iletişiminde, yüksek çözünürlüklü videolar, çok daha zengin bilimsel veriler vb. iletmek için kullanılan yüksek veri hızlı bir kanaldır, ancak radyo frekansı iletişimi için her zaman bir yer olacaktır.”