Die interplanetare Laserkommunikation
Technisch gesehen ist es ja relativ einfach: Laserkommunikation ist enormen Faktor effektiver als die Kommunikation mit Radiowellen. Hervorgehoben werden zwei Dinge. Das eine ist das die Bandbreite viel höher ist. Kommunikationssatelliten haben typischerweise einen 30 MHz Bereich pro Transponder. Bei 2 GHz die man pro Frequenzband frei hat, sind das dann nicht mal 70 Transponder und diesen Bereich darf meistens ein Satellit nicht alleine nutzen. Laserkommunikation erfolgt dagegen im nahen Infrarot bei 1000-1500 nm Wellenlänge, was einer Frequenz von 200 bis 300 Teraherz entspricht. Ein genutzter Bereich von 1 nm entspricht dann 132 GHz, also rund das 4000-fache des 30 MHz Bandes.
Das zweite ist das ein Laser viel stärker fokussiert werden kann, dass beim Empfänger mehr Photonen pro Flächeneinheit ankommen. Für die Satelliten im geostationären Orbit würde dies z.B. heißen dass man sie näher zusammenrücken kann ohne das sie sich stören. Entsprechend braucht man auch einen kleineren Empfänger (hier Teleskop, anstatt Radioantenne) Erstaunlicherweise gibt es kaum Informationen über die Eignung dieser Technologie für interplanetare Kommunikation.
Der Test der Laserkommunikation fing an mit Artemis und Spot 4. Hier wurden zwei Teleskope von je 250 mm Durchmesser genutzt. Die Laserleistung betrug nur 37 bzw. 60 mW. Damit wurden 50 MBit vom LEO in den GEO Orbit transferiert, wobei man eine erheblich niedrigere Fehlerrate bei den Bits maß als vorgegeben (1 pro 1 Million, gemessen 1.2 pro 1 Milliarde.
Weitere Test der Kommunikation mit erdnahen Satelliten nun auch vom Erdboden aus (wo die Atmosphäre dann doch etwas mehr stört) folgten. Das neueste ist die Laserkommunikation an Bord des Mondorbiters LADEEE. Er soll nun schon 622 Mbit/s aus Monddistanz mit einem 10 cm großen Teleskop und 0,5 Watt Sendeleistung senden. Der Empfänger auf der Erde sind vier 40 cm Teleskope. Von der Erde zum Mond sind es übrigens auch schon 20 MBit/s.
Das ist eine Menge, aber wenn die Abnahme des Signals nach Distanz wie bei Radiowellenkommunikation gilt, dann sind das noch 163 Bit/s aus Jupiterentfernung. Erstaunlicherweise hat man dies noch nicht experimentell bei Raumsonden erprobt. Das einzige was ich fand, als ich für einen neuen Aufsatz für „Mini-Raumsonden“ nach einer Möglichkeit suchte, Daten optisch über interplantare Distanzen zu übertragen war die geplante Übertragung beim Mars Communication Orbiter. Dieser sollte ein 30,5 cm Teleskop mit einem 5 Watt Laser einsetzen.
Als Empfänger waren mehrere Möglichkeiten angedacht. Der Einsatz des ausgemusterten 5 m Mt Palomar Teleskops, das selbst in größter Entfernung einige Megabit/s erlaubt (bis zu „einigen Dutzend Megabit“ bei geringer Entfernung). Dann könnte man ein neues Teleskop in der 5-10 m Klasse konstruieren. Da dieses keine astronomischen Objekte beobachten sollte, reicht ein einfacher Spiegel, ohne Sekundärspiegel und mit einem kleinen Blickfeld. Durch die einfache Konstruktion wäre es 3-5 mal preiswerter als ein astronomisches Teleskop. So wäre ein 8,5 m Teleskop nicht teurer als ein astromisch genutztes 5 m Teleskop. Die letzte Möglichkeit wäre ein Array von kleinen Teleskopen. Hier würde man die Daten zusammenführen. Ihr Vorteil wäre, dass man einen Sonnenschutz einbauen kann, sodass es arbeiten kann bis der Sender nur noch wenige Grad von der Sonne entfernt ist
Immerhin: Verglichen mit der Sendeanlage des MRO ist der Aufwand gering und ein 3 m Teleskop kostet auch nicht mehr als eine 30 m Antenne. Der Beitrag kommt auch zu dem Schluss, das die Laserkommunikation um den Faktor 10 bis 1000 der Kommunikation mit Radiowellen überlegen ist. Was mich interessieren würde, ist ob auch die Missionskosten entsprechend sinken. Cassini kostet derzeit in der erweiterten (billigen) Mission 60 Millionen Dollar pro Jahr, 45 Millionen braucht man alleine damit die Raumsonde betriebsbereit bleibt. Selbst New Horizons, die ja den größten teil der Reise schlummert kostet 221 Millionen Dollar für knapp 10 Jahre. Der Betrieb von astronomischen Teleskopen ist dagegen recht preiswert. sollte das auch für die Laserkommunikation gelten, so wäre schon alleine dies ein Grund diese Technologie einzuführen.
Link:
http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/38024/1/04-0216.pdf
http://lib.semi.ac.cn:8080/tsh/dzzy/wsqk/SPIE/vol4635/4635-1.pdf
Ich könnte mir vorstellen, dass gerade weil Laser stärker fokussiert sind es möglicherweise Probleme mit dem Ausrichten geben könnte. Gerade wenn in der Sonde ein Fehler auftritt verliert sie ja kurzfristig den Fokus und dann könnte es Probleme beim Wiederausrichten geben.
Das ist eigentlich nicht so kritisch. Die Empfänger auf der Erde haben bei LADEE z.B. zusätzlich kleine 10 cm Teleskope nur für die Ausrichtung. Beim Sender ist es so, dass es ab etwa einigen Millionen km Entfernung reicht die Erde anzupeilen. Die ist dann schon kleiner als das vom Laserstrahl ausgeleuchtete Feld, dessen Größe mit wenigen mrad angegeben wird. Und als punkförmige Lichtquelle ist die leicht im Fokus zu halten.
Die Ausrichtung ist nicht das Problem, das ist bewährte Technologie. Das Hubble Weltraumteleskop kann man z.B. über längere Zeit etwa 5000 mal genauer ausrichten.