Der Laser Link der NASA weist einen Rekord auf

Einer Gruppe von Forschern der NASA, des MIT und anderer Institutionen ist es gelungen, die bislang schnellste Laserkommunikationsverbindung zwischen Weltraum und Boden herzustellen und damit den Rekord vom letzten Jahr zu verdoppeln. Mit Datenraten von 200 Gigabit pro Sekunde könnte ein Satellit in einem einzigen 5-minütigen Durchgang über eine Bodenstation mehr als 2 Terabyte an Daten übertragen – etwa so viel wie 1.000 hochauflösende Filme.

„Die Auswirkungen sind weitreichend, denn einfach gesagt bedeuten mehr Daten mehr Entdeckungen“, sagt Jason Mitchell, Luft- und Raumfahrtingenieur beim NASA-Programm für Weltraumkommunikation und -navigation.

Die neue Kommunikationsverbindung wurde durch das TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD)-System ermöglicht, das etwa 530 Kilometer über der Erdoberfläche kreist. TBIRD wurde letzten Mai ins All gestartet und erreichte im vergangenen Juni mit einem bodengestützten Empfänger in Kalifornien Downlink-Raten von bis zu 100 Gbit/s. Das war 100-mal so schnell wie die schnellsten Internetgeschwindigkeiten in den meisten Städten und mehr als 1.000-mal so schnell wie Funkverbindungen, die traditionell für die Kommunikation mit Satelliten genutzt werden.

Die schnellsten Datennetze der Erde basieren typischerweise auf Laserkommunikation über Glasfaser. Allerdings gibt es für Satelliten noch kein laserbasiertes Hochgeschwindigkeitsinternet. Stattdessen nutzen Raumfahrtbehörden und kommerzielle Satellitenbetreiber am häufigsten Funk, um mit Objekten im Weltraum zu kommunizieren. Das Infrarotlicht, das bei der Laserkommunikation eingesetzt werden kann, hat eine viel höhere Frequenz als Radiowellen und ermöglicht so viel höhere Datenraten.

„Es gibt derzeit Satelliten im Orbit, die durch die Datenmenge, die sie downlinken können, begrenzt sind, und dieser Trend wird nur zunehmen, wenn leistungsfähigere Satelliten gestartet werden“, sagt Kat Riesing, Luft- und Raumfahrtingenieurin und Mitarbeiterin am MIT Lincoln Laboratory TBIRD-Team. „Selbst ein hyperspektraler Bildgeber – HISUI auf der Internationalen Raumstation – muss aufgrund der begrenzten Downlink-Raten Daten über Speicherlaufwerke auf Frachtschiffen zur Erde zurücksenden. TBIRD ist ein wichtiger Wegbereiter für Missionen, die wichtige Daten über das Klima und die Ressourcen der Erde sammeln. sowie astrophysikalische Anwendungen wie die Bildgebung von Schwarzen Löchern.“

Das MIT Lincoln Laboratory konzipierte TBIRD im Jahr 2014 als kostengünstige und schnelle Möglichkeit, auf Daten von Raumfahrzeugen zuzugreifen. Eine wichtige Möglichkeit, die Kosten zu senken, war die Verwendung kommerzieller, serienmäßiger Komponenten, die ursprünglich für den terrestrischen Einsatz entwickelt wurden. Dazu gehören optische Hochgeschwindigkeitsmodems, die für die Glasfaser-Telekommunikation entwickelt wurden, und Hochgeschwindigkeitsspeicher für große Datenmengen, sagt Riesing.

TBIRD befindet sich an Bord des NASA-Satelliten Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) und wurde am 25. Mai 2022 im Rahmen der Mitfahrmission Transporter-5 von SpaceX von der Cape Canaveral Space Force Station in Florida in die Umlaufbahn gebracht. Der PTD-3-Satellit wiegt etwa 12 Kilogramm CubeSat hat etwa die Größe von zwei gestapelten Müslischachteln und seine TBIRD-Nutzlast ist nicht größer als die einer durchschnittlichen Taschentuchschachtel. „Der Trend der Industrie zu kleinen optischen Transceivern mit geringem Stromverbrauch und hoher Datenrate ermöglichte es uns, einen kompakten Formfaktor zu erreichen, der sogar für kleine Satelliten geeignet ist“, sagt Mitchell.

„Derzeit gibt es Satelliten im Orbit, die durch die Datenmenge, die sie downlinken können, begrenzt sind, und dieser Trend wird sich nur verstärken, wenn leistungsfähigere Satelliten gestartet werden.“ —Kat Riesing, Luft- und Raumfahrtingenieurin, MIT Lincoln Laboratory

Die Entwicklung von TBIRD stand vor einer Reihe von Herausforderungen. Erstens sind terrestrische Komponenten nicht darauf ausgelegt, die Strapazen des Starts und Betriebs im Weltraum zu überstehen. Während eines thermischen Tests, bei dem die extremen Temperaturen simuliert wurden, denen die Geräte im Weltraum ausgesetzt sein könnten, schmolzen beispielsweise die Fasern im optischen Signalverstärker.

Das Problem bestand darin, dass die Atmosphäre bei bestimmungsgemäßer Verwendung zur Kühlung des Verstärkers durch Konvektion beitragen konnte. Beim Test im Vakuum, das einen Raum simulierte, wurde die vom Verstärker erzeugte Wärme eingeschlossen. Um das Problem zu lösen, arbeiteten die Forscher mit dem Hersteller des Verstärkers zusammen, um ihn so zu modifizieren, dass er Wärme stattdessen durch Leitung abgibt.

Darüber hinaus können Laserstrahlen vom Weltraum zur Erde durch atmosphärische Einflüsse und Wetterbedingungen verzerrt werden. Dies kann zu einem Leistungsverlust und damit zu einem Datenverlust der Strahlen führen.

Um dies zu kompensieren, entwickelten die Wissenschaftler eine eigene Version von Automatic Repeat Request (ARQ), einem Protokoll zur Kontrolle von Fehlern bei der Datenübertragung über eine Kommunikationsverbindung. Bei dieser Anordnung nutzt das Bodenterminal ein Uplink-Signal mit niedriger Rate, um den Satelliten darüber zu informieren, dass er verlorene oder beschädigte Datenblöcke oder Frames erneut übertragen muss. Mit dem neuen Protokoll kann die Bodenstation dem Satelliten mitteilen, welche Frames sie korrekt empfangen hat, sodass der Satellit weiß, welche er erneut übertragen muss, und keine Zeit mit dem Senden unnötiger Daten verschwenden muss.

Eine weitere Herausforderung für die Wissenschaftler bestand darin, dass Laser viel schmalere Strahlen erzeugen als Funkübertragungen. Für eine erfolgreiche Datenübertragung müssen diese Strahlen genau auf ihre Empfänger gerichtet sein. Dies wird häufig durch die Montage des Lasers auf einem Kardanrahmen erreicht. Aufgrund der geringen Größe von TBIRD manövriert es jedoch stattdessen den CubeSat, der es trägt, um es auf den Boden auszurichten, und nutzt dabei alle empfangenen Fehlersignale, um die Ausrichtung des Satelliten zu korrigieren. Diese Strategie ohne Gimbal trug auch dazu bei, TBIRD weiter zu verkleinern und den Start kostengünstiger zu machen.

Die Architektur von TBIRD kann durch Wellenlängentrennung mehrere Kanäle unterstützen, um höhere Datenraten zu ermöglichen, sagt Riesing. Auf diese Weise hat TBIRD am 28. April einen 200-Gbit/s-Downlink realisiert – unter Verwendung von zwei 100-Gbit/s-Kanälen, erklärt sie. „Dies kann bei einer zukünftigen Mission weiter skaliert werden, wenn die Verbindung so ausgelegt ist, dass sie dies unterstützt“, bemerkt Riesing.

„Einfach ausgedrückt: Mehr Daten bedeuten mehr Entdeckungen.“ –Jason Mitchell, Luft- und Raumfahrtingenieur, NASA

Der nächste Schritt des Forschungsteams besteht darin, herauszufinden, wo diese Technologie in kommenden Missionen eingesetzt werden kann. „Diese Technologie ist besonders nützlich für wissenschaftliche Missionen, bei denen das Sammeln vieler Daten erhebliche Vorteile bringen kann“, sagt Riesing. „Ein Missionskonzept, das dadurch ermöglicht wird, ist die Event Horizon Explorer-Mission, die die spannende Arbeit des Event Horizon Telescope bei der Abbildung Schwarzer Löcher mit noch höherer Auflösung erweitern wird.“

Die Wissenschaftler wollen auch untersuchen, wie sich diese Technologie auf verschiedene Szenarien ausweiten lässt, beispielsweise auf die geostationäre Umlaufbahn, sagt Riesing. Darüber hinaus, sagt Mitchell, suchen sie nach Möglichkeiten, die Fähigkeiten von TBIRD bis zum Mond zu erweitern, um zukünftige Missionen dort zu unterstützen. Die betrachteten Raten liegen im Bereich von 1 bis 5 Gbit/s, was „vielleicht keine große Verbesserung zu sein scheint, aber denken Sie daran, dass der Mond etwa 400.000 km von der Erde entfernt ist, was eine ziemlich lange Strecke ist, die zurückgelegt werden muss.“ Mitchell sagt.

Die neue Technologie könnte auch in Hochgeschwindigkeits-Atmosphärendatenverbindungen am Boden zum Einsatz kommen. „Zum Beispiel von Gebäude zu Gebäude oder über unwirtliches Gelände, etwa von Berggipfel zu Berggipfel, wo die Kosten für die Verlegung von Glasfasersystemen exorbitant sein könnten“, sagt Riesing.