В космических программах России, США, Индии, Китая и Евросоюза освоение Луны указано как одно из приоритетных направлений развития. Помимо таких очевидных вещей, как кислород, вода и пища, космонавтам на обитаемых лунных станциях понадобится надёжная связь с Землёй. Сегодняшний объём проводимых в космосе исследований требует передавать на большие расстояния не только голос и управляющие команды, но и гигабайты научных данных, что практически невозможно сделать имеющимися способами за приемлемое время. Оригинальным образом решить эту задачу удалось команде Lunar Laser Communication, в которую вошли специалисты из NASA и лаборатории имени Линкольна при Массачусетском технологическом институте.

Марк Стивенс, один из авторов эксперимента, так описывает суть проблемы: “Скоростная передача данных между Землёй и Луной считается сложной задачей из-за расстояния между ними около четырёхсот тысяч километров. Световому лучу вдвойне трудно пройти сквозь земную атмосферу, потому что движение воздушных масс вызывает его отклонения и прерывание связи”.

LLOT - одна из наземных установок для космической лазерной связи (фото: esc.gsfc.nasa.gov).
LLOT – одна из наземных установок для космической лазерной связи (фото: esc.gsfc.nasa.gov).

Чтобы обойти проблемы с нестабильностью оптического сигнала на большом расстоянии, команда использовала целый ряд технических приёмов и моделировала атмосферные условия в широком диапазоне – от яркого солнечного дня до сильной облачности и урагана. Связь оставалась возможной при умеренной облачности, но полностью прерывалась при близкой к сплошной.

LLOT не используется при сильной облачности (фото: NASA/JPL).
LLOT не используется при сильной облачности (фото: NASA/JPL).

В новом эксперименте компоненты передатчика объединённой лазерной системы были установлены в прошлом году на четыре отдельных телескопа, расположенных на территории заповедника «Белые пески» в штате Нью-Мексико. Диаметр каждого излучателя составил около пятнадцати сантиметров. Передатчики генерировали импульсы в инфракрасной области спектра, которые меньше рассеиваются атмосферой.

Сравнение радиоволновой и лазерной космической связи (изображение: esc.gsfc.nasa.gov).
Сравнение радиоволновой и лазерной космической связи (изображение: esc.gsfc.nasa.gov).

“Мы продемонстрировали устойчивость [лазерной системы] к влиянию облаков средней плотности и даже сильной турбулентности”, – поясняет Стивенс.

В каждую секунду оборудование на всех четырёх телескопах передавало отдельный лазерный луч через свой воздушный столб, вносящий помехи разного типа и уровня. За счёт этого их влияние можно было уменьшить методами математической фильтрации.

Кроме того, использование четырех источников увеличивает вероятность точного попадания хотя бы одного из лучей на приёмник. Конструкция последнего подобна тем, что используются при прокладке наземных волоконно-оптических сетей.

Принятый сигнал собирается на большой площади и фокусируется на меньшую, усиливаясь примерно в тридцать тысяч раз. Это необходимо потому, что с каждым километром лазерный луч немного рассеивается и теряет мощность, в результате чего приёмник на лунной орбите получает с Земли в десятки миллиардов раз меньше.

Модуль лазерной связи на спутнике LADEE (фото: lunarscience.nasa.gov).
Модуль лазерной связи на спутнике LADEE (фото: lunarscience.nasa.gov).

Суммарная мощность исходящего сигнала установки составила 40 Вт. В ходе эксперимента LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) он был успешно принят аппаратом LADEE, находившемся на лунной орбите на удалении в 384 633 км от Земли.

“Полученные результаты оказались очень близки к расчётным значениям, что свидетельствует об использовании правильных моделей и хорошем понимании всех деталей используемых в эксперименте физических процессов”, – комментирует Марк Стивенс.

Максимальная скорость передачи данных с Земли в режиме широкополосного подключения (с учётом компрессии) составила 622 Мбит/с. Достигнутая устойчивая скорость потока данных в обратном направлении – 19,44 Мбит/с.

Это почти в пять тысяч раз быстрее традиционной космической радиосвязи и сравнимо с подключением устройств по протоколу Bluetooth 3.0 на расстоянии в пару метров. Подробные результаты будут представлены 8–13 июня в Сан-Хосе, на конференции CLEO 2014.