Damit ist es möglich, die Mondlandung live in 4K ultraklar zu verfolgen

Haben Sie sich beim Blick in das weite Universum schon einmal gefragt, wie Astronauten und Raumfahrzeuge, die im Weltraum Missionen durchführen, mit der Erde kommunizieren? Kommt es aufgrund der großen Entfernung zu Schwierigkeiten bei der Datenübertragung?

Traditionelle Weltraumkommunikation: Für ein gutes Signal darf die Antenne nicht zu kurz sein

Bevor wir die Kommunikation im Weltraum vorstellen, müssen wir zunächst das „drahtlose Hochfrequenzübertragungssystem“ verstehen, das bei der Kommunikation im Weltraum verwendet wird. Das sogenannte Hochfrequenzübertragungssystem bezieht sich auf ein Gerät, das Hochfrequenzkommunikation durchführen kann. Das für die Weltraumkommunikation genutzte Funkspektrum konzentriert sich hauptsächlich auf den Bereich von 30 MHz bis 30 GHz. Dieser Teil des Spektrums deckt einen Teil der Mikrowellen- und Kurzwellenkommunikation ab und wird hauptsächlich für die Übertragung von Satellitensignalen und Fernsehsignalen usw. verwendet.

Raumfahrzeuge, die Missionen in den Weltraum durchführen, verwenden für die Kommunikation im Allgemeinen das Frequenzband zwischen 2,02 und 2,30 GHz. Über ein drahtloses Hochfrequenzübertragungssystem können Weltraumsonden mit der Erde kommunizieren und auch Daten übertragen.

Das Problem dieser Kommunikationsmethode liegt auf der Hand: Der Datenempfang ist langsam. Am Beispiel der Pluto-Sonde New Horizons wird für die aus einer Entfernung von 7,3 Milliarden Kilometern zur Erde übertragenen Daten eine Downlink-Geschwindigkeit von nur 1–4 KB pro Sekunde erreicht, und die Übertragung aller Daten dauert etwa 20 Monate.

Nachdem wir nun das „drahtlose HF-Übertragungssystem“ verstanden haben, kehren wir zur Weltraumkommunikation selbst zurück. Im Prinzip besteht die Kommunikation im Weltraum aus zwei Kernelementen: einem Sender und einem Empfänger.

Der Sender kodiert die modulierten Informationen auf die elektromagnetische Welle, verändert die Eigenschaften der Welle und „bettet“ die relevanten Daten ein. Die elektromagnetischen Wellen breiten sich durch den Raum aus und erreichen den Empfänger, der die elektromagnetischen Wellen demoduliert und dekodiert, um die Informationen des Senders zu erhalten.

Bei Verwendung eines drahtlosen Hochfrequenzübertragungssystems ist zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses eine Antenne mit größerem Durchmesser erforderlich. Eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bedeutet allerdings auch eine Komprimierung der Bandbreite und die Übertragungsrate pro Sekunde wird begrenzt.

ILLUMA-T-Laserabfragegerät auf der Internationalen Raumstation installiert

(Bildnachweis: NASA)

Eine einfache Vergrößerung des Antennendurchmessers ist für uns nicht möglich. Das Deep Space Network der NASA verwendet eine 70 Meter lange Antenne, die mehr als 7.000 Tonnen wiegt und über einen sehr großen Servomechanismus verfügt. Um die Bandbreite zu erhöhen, sodass mehr Daten pro Sekunde übertragen werden können, ist es daher notwendig, die Art der Kommunikation zu ändern.

Die Radioantenne des Canberra Deep Space Communications Centre in Canberra, Australien. Durch die Veränderung unserer Kommunikationsweise können mehr Daten übertragen werden.

(Bildnachweis: NASA)

Möchten Sie ein hochauflösendes 4K-Video der Mondlandung ansehen? Die Laserkommunikation kommt Ihnen zu Hilfe

Die NASA hat eine revolutionäre Methode zur Datenübertragung vom Weltraum zur Erde eingeführt – das Laser Communications Relay Demonstration-Projekt (LCRD). Am 7. Dezember 2021 trat das Projekt in die technische Verifizierungsphase ein.

Das Experiment wurde in einer geosynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 35.000 Kilometern durchgeführt. Der konkrete Umsetzungsplan sieht vor, den STPSat-6-Detektor in die Umlaufbahn zu bringen, zwei Bodenstationen auf Hawaii und Kalifornien mithilfe eines Luft-Boden-Lasers zu verbinden, das optische Terminal auf der Internationalen Raumstation zum Empfangen und Senden von Daten zu verwenden und die verbesserte Laserkommunikationstechnologie zu überprüfen.

Das optische Modul des LCRD-Demonstrationsprojekts, das zur Emission von Infrarotlasern verwendet wird

(Bildnachweis: NASA)

Wenn die Laserkommunikation in hohen Umlaufbahnen erfolgreich sein kann, kann die Laserkommunikation auch an Orten unterhalb der synchronen Umlaufbahn durchgeführt werden.

Das LCRD-Demonstrationsprojekt ist der erste optische Zweiwege-Kommunikationsrelaissatellit der NASA. Sein Vorgänger war die Lunar Laser Communications Demonstration (LLD), die 2013 gestartet wurde. Letztere verifizierte die Machbarkeit der Weltraumlaserübertragung, während erstere die Übertragungsgeschwindigkeit von Weltraumlasern von Hunderten Millionen Bits auf eine Milliarde Bits erhöhte und so die Bandbreite verbesserte.

Das 2013 gestartete Lunar Laser Communications Demonstration Project bestätigte die Machbarkeit der Laserkommunikation zwischen Erde und Mond.

(Bildnachweis: NASA)

Man kann sagen, dass die Demonstration des Laserkommunikationsrelais durch die NASA die Tür zur zukünftigen Weltraumkommunikation geöffnet hat, was bedeutet, dass die Technologie der Weltraumkommunikation drastische Veränderungen erfahren wird.

Bei der Apollo-Mondlandung beispielsweise nutzte das Mondraumschiff ein Radiofrequenzsystem, um den Status der Mondlandung in Echtzeit zu übermitteln, während am Boden nur körniges Schwarzweißvideo empfangen werden konnte. Bei Verwendung einer Laserübertragung können hochauflösende 4K-Videos von der Mondlandung aus der Mondumlaufbahn hochgeladen werden. Was die Übertragungsrate betrifft, werden die Daten über unsichtbare Infrarotlaser gesendet und empfangen und die Datenübertragungsrate ist 10- bis 100-mal höher als die herkömmlicher Funkfrequenzkommunikationssysteme von Raumfahrzeugen.

Bei der Demonstration der Mondlaserkommunikation im Jahr 2013 wurde die Fähigkeit bewiesen, Daten mit einer Geschwindigkeit von Hunderten Millionen Bits pro Sekunde vom Mond zur Erde zu übertragen, was mehr als 100 hochauflösenden Fernsehkanälen gleichzeitig entspricht.

Das Demonstrationsprojekt für ein Laserkommunikationsrelais soll eine Geschwindigkeit von 1,2 Gigabit pro Sekunde erreichen. Bei dieser Geschwindigkeit können wir einen Film in einer Minute aus der geostationären Umlaufbahn hochladen.

Im Vergleich zu Hochfrequenzsystemen sind Laserkommunikationssysteme kleiner, leichter und verbrauchen weniger Strom. Diese Vorteile können in Kombination mit einer höheren Bandbreite unbemannten Sonden und Astronauten bei der Erforschung verschiedener Himmelskörper im Sonnensystem enorm helfen.

Es besteht Hoffnung auf eine Live-Übertragung der Mondlandung, aber es ist noch ein langer Weg

Die praktischste Bedeutung der Laserkommunikation besteht darin, dass wir die Möglichkeit haben, den Prozess der Rückkehr zum Mond zu beobachten. Der Mond ist etwa 380.000 Kilometer von uns entfernt. Angesichts der Lichtgeschwindigkeit von knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde kann man sagen, dass keine merkliche Verzögerung auftritt. Auf diese Weise wird die Live-Übertragung der Mondlandung klarer, was dem Ansehen einer hochauflösenden Live-Übertragung entspricht.

Natürlich hat die Weltraumlaserkommunikation auch Nachteile. Im Gegensatz zur herkömmlichen Funkfrequenzkommunikation von Raumfahrzeugen können optische Signale keine Wolken durchdringen. Dies bedeutet, dass für die weltraumgestützte Laserkommunikation mehrere Relaisstationen eingerichtet werden müssen, um wetterbedingte Kommunikationsunterbrechungen zu vermeiden. Die NASA entschied sich für zwei Bodenstationen, Mesa in Kalifornien und Akala auf Hawaii, da es in diesen Gebieten keine Wolken gibt.

Bodenempfangsgerät für Laserkommunikation auf Hawaii

(Bildnachweis: NASA)

Darüber hinaus befindet sich die Entwicklung der Laserkommunikation noch in einem frühen Stadium, sodass kein Grund zur Sorge besteht, dass die Funkfrequenzkommunikation ersetzt wird. Die Laserkommunikation kann die Mängel der Funkkommunikation ausgleichen und die Kommunikationsfähigkeiten bei Weltraummissionen verbessern. Genau genommen erfordert die Kommunikation im Weltraum eine Entfernung von mehr als 2 Millionen Kilometern. Die von der NASA im Synchronorbit und im Mondorbit durchgeführten Tests stellen lediglich die ersten Stadien der Laserkommunikation dar. Nur durch die Schaffung eines vollständigen Verbindungsmechanismus innerhalb des Erde-Mond-Systems kann es auf andere Weltraummissionen ausgeweitet werden.

NASA-Demonstrationssatellit für Laserkommunikation

(Bildnachweis: NASA)

Bei der Erweiterung der Kommunikationsdistanz lässt sich das Problem der Verzögerung kaum vermeiden. Wenn beispielsweise Astronauten zur Landung auf dem Mars geschickt werden, beträgt die Signalverzögerung etwa 4 Minuten, wenn der Mars der Erde am nächsten ist, und etwa 24 Minuten, wenn er am weitesten von der Erde entfernt ist. Natürlich müssen wir zunächst die Stabilität der Laserkommunikationsübertragung sicherstellen, bevor wir uns mit anderen Auswirkungen durch Verzögerungen befassen können.

Die Laserkommunikation hat eine glänzende Zukunft, und Echtzeitsteuerung ist kein Traum mehr

Im Hinblick auf spätere Anwendungen kann die Laserkommunikation auch auf Erkundungsmissionen von Asteroiden und Himmelskörpern in größerer Entfernung im Sonnensystem ausgeweitet werden. Neben der grundlegenden Datenübertragung können auch hochauflösende 3D-Videosignale zur Erde übertragen werden, sodass Wissenschaftler am Boden das Landegerät auf dem entfernten Himmelskörper in Echtzeit steuern und so im Wesentlichen eine Fernüberwachung und -steuerung realisieren können. Dieses Anwendungsszenario eignet sich für die Erkundung der Oberfläche außerirdischer Körper mit unbemannten Landegeräten und kann sogar eine Kombination aus Radiofrequenz und Laser nutzen, um unterirdische Höhlen auf dem Mars in Echtzeit zu erkunden.

Mit dem Trend hin zu integrierten Informationsnetzwerken im All sind herkömmliche Methoden der Mikrowellenkommunikation hinsichtlich Bandbreite und Geschwindigkeit eingeschränkt und es wird zunehmend schwieriger, den aktuellen Multimedia-Geschäftsanforderungen gerecht zu werden. Die Laserkommunikation entwickelt sich zudem zu einer der besten Lösungen, um die Mikrowellenkommunikation zu ersetzen. Insbesondere bei großen Luft- und Raumfahrtprojekten wie Lufttransport, Weltraumstarts und anderen wichtigen Anwendungen kann die Laserkommunikationstechnologie auch zum Aufbau hochdynamischer Satellitenlasernetzwerke und zur Erweiterung des Umfangs weltraumgestützter Informationsdienste beitragen.

Mithilfe der Laserkommunikationstechnologie können außerdem hochdynamische Satellitenlasernetzwerke aufgebaut werden, um den Umfang weltraumgestützter Informationsdienste zu erweitern.

(Bildnachweis: NASA)

Erwähnenswert ist, dass die Lasersignalübertragung auch zwischen Chinas Beidou-Satelliten und Bodenstationen verwendet wird. Entsprechende Experimente zur Hochgeschwindigkeitskommunikation wurden abgeschlossen und die Geschwindigkeit ist höher als bei 5G-Netzwerken.

In naher Zukunft wird mein Land über das weltweit erste globale Laserkommunikationsnetz verfügen und auch die großflächige Nutzung des Satelliteninternets steht bevor. Kürzlich wurde über CCTV und andere Medien die Nachricht verbreitet, dass eine neue Generation schwerer Raketen in der Entwicklung sei. Das bedeutet, dass meinem Land in naher Zukunft möglicherweise eine bemannte Mondlandung gelingen könnte. Da die Laserkommunikationstechnologie immer ausgereifter wird, bin ich davon überzeugt, dass sie auch im Bereich der bemannten Mondlandung Anwendung finden wird, sodass eine Live-Übertragung der Mondlandung Chinas in Echtzeit möglich wird.

Quellen:

[1] Homepage des Laser Communication Relay Demonstration Project:

https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html

[2] NASAs nächster Schritt in der optischen Kommunikation

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf

[3] Zheng Yunqiang, Liu Huan, Meng Jiacheng, Wang Yufei, Nie Wenchao, Wu Junxia, ​​​​Wei Tingting, Wei Sentao, Yuan Zhanchao, Wang Wei, Xie Xiaoping. Forschungsfortschritte und Trends der luftgestützten Laserkommunikation und Schlüsseltechnologien [J/OL]. Infrarot- und Lasertechnik: 1-15 [2021-12-17].