Nội dung bài viết
“Bạn chỉ cần nhấn nút này và trong ba giờ, bạn sẽ đếm được số photon.” Trong phần lớn nhiệm vụ của Artemis II, phi hành đoàn gồm bốn phi hành gia đã truyền lại đoạn video có độ phân giải thấp, cả từ bên trong tàu vũ trụ và từ góc nhìn bên ngoài của Mặt trăng.
Đó là một điều thú vị, nhưng trong một thế giới mà tất cả chúng ta đều đang xem HDTV, điều đó cũng có vẻ hơi phẳng lặng. Điều này là do Orion chủ yếu liên lạc với Trái đất qua sóng vô tuyến, được thu thập bởi các đĩa lớn rải rác khắp thế giới.
Điều này khá giống với cách tàu vũ trụ Apollo nói chuyện với Trái đất hơn nửa thế kỷ trước.
Tuy nhiên, không giống như Apollo, các phi hành gia trên Orion sẽ định kỳ gửi các lô dữ liệu có độ phân giải cao hơn nhiều, bao gồm những bức ảnh tuyệt đẹp về phía xa của Mặt trăng và nhật thực được quan sát từ đó.
Điều này có thể thực hiện được nhờ thông tin liên lạc bằng laser quang học chứ không chỉ nhờ các thông tin liên lạc do NASA chế tạo. Sứ mệnh bao gồm một thành phần thương mại có thể mở đường cho lượng lớn dữ liệu quay trở lại Trái đất từ không gian hơn bao giờ hết.
Apollo trả lại dữ liệu về Trái đất với tốc độ khoảng 50KB mỗi giây bằng tần số vô tuyến. Tương tự, Orion sử dụng băng tần S để có tốc độ liên lạc cao hơn một chút trong hầu hết thời gian, ở mức 3MB đến 5M.
B mỗi giây. Nhưng khi tàu vũ trụ bật thiết bị đầu cuối liên lạc quang học và kết nối với các trạm mặt đất, tốc độ dữ liệu tăng lên 260 Mbps.
Với tốc độ đó, phi hành đoàn có thể truyền một bộ phim có độ phân giải cao đầy đủ về Trái đất trong vài giây. Nhưng điều đó đã không xảy ra vì một vài lý do.
Đầu tiên là hệ thống liên lạc quang học đang ở giai đoạn thử nghiệm, và thứ hai là NASA chỉ có ba trạm mặt đất có khả năng nhận và xử lý các tín hiệu laser này trên Trái đất: hai ở Hoa Kỳ và một ở Úc.
NASA trước đây đã thử nghiệm liên lạc bằng laser từ Mặt trăng với sứ mệnh thám hiểm môi trường bụi khí quyển mặt trăng cách đây hơn một thập kỷ và sau đó là cuộc trình diễn từ Trạm vũ trụ quốc tế cũng như tàu vũ trụ Psyche từ không gian sâu. Tuy nhiên, đây chỉ là những nỗ lực thăm dò.
Việc lắp đặt hệ thống liên lạc quang học lên Orion là một thử nghiệm quan trọng cuối cùng đối với công nghệ này, hiện có khả năng trở thành nền tảng cho các sứ mệnh Artemis tới Mặt trăng trong tương lai.
Việc sử dụng thành công nó sẽ cho phép tàu Artemis IV của NASA hạ cánh trên bề mặt mặt trăng và các sứ mệnh trong tương lai được phát sóng trực tiếp ở độ phân giải cao và có khả năng thậm chí có thể là 4K. Có một nhược điểm lớn với truyền thông laser quang học.
Các photon trong tia laser, ở bước sóng 1550 nm, dễ dàng bị phân tán bởi các đám mây. Một trạm mặt đất duy nhất phải có bầu trời quang đãng để nhận được tín hiệu ổn định.
Đó là lý do chính tại sao, mặc dù chòm sao Starlink của SpaceX đã triển khai các liên kết laser từ không gian đến không gian, nhưng các liên kết laser từ không gian đến mặt đất vẫn còn thử nghiệm cho đến nay.
Nhưng truyền thông laser rõ ràng là tương lai khi lượng dữ liệu được tạo ra và lưu trữ trong không gian tăng theo cấp số nhân. Không chỉ băng thông lớn hơn khoảng 100 lần mà các máy phát cần thiết cũng nhỏ hơn và cần ít năng lượng hơn.
Ví dụ, trên Orion, bộ phát băng tần S cần công suất từ 5 đến 20 watt, so với bộ phát liên lạc laser chỉ sử dụng một watt. Làm thế nào để bạn giải quyết vấn đề bầu trời nhiều mây?
Để liên lạc liên tục bằng tia laser với các sứ mệnh của Artemis trong tương lai, nhằm bảo vệ khỏi các địa điểm có mây che phủ, người ta ước tính rằng sẽ cần có khoảng 40 trạm mặt đất trên khắp thế giới. May mắn thay, có một thí nghiệm trong thí nghiệm về Artemis II có thể giúp giải quyết vấn đề này.
Các trạm mặt đất chính của NASA dành cho truyền thông quang học n Artemis II là kính thiên văn tại Khu liên hợp White Sands ở Las Cruces, New Mexico, và Cơ sở Table Mountain ở California.
Tuy nhiên, cơ quan vũ trụ cũng quyết định kiểm tra xem liệu có khả thi khi triển khai thiết bị đầu cuối quang học chi phí thấp hơn trên mặt đất để nhận tia laser từ không gian hay không.
Các kỹ sư từ các trung tâm thực địa của NASA ở Ohio và Maryland đã mua một kính viễn vọng 70 cm có sẵn từ Observable Space và một thiết bị phụ trợ để xử lý tia laser từ Quantum Opus.
Trong vòng vài tháng, kính viễn vọng và máy dò đã được triển khai tại Núi Stromlo ở phía đông nam Australia, gần Canberra.
Trong thời gian Artemis II, thiết bị đầu cuối quang học có sẵn đã đạt tốc độ tối đa do hệ thống thiết kế là 260MB mỗi giây, tải xuống phần lớn dữ liệu mà NASA nhận được trong sứ mệnh.
Dan Roelker, đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của Observable Space, cho biết trong một tuyên bố: “Nâng cao vai trò lãnh đạo của Hoa Kỳ trong lĩnh vực quang học trên không gian và trên mặt đất là cốt lõi trong sứ mệnh của chúng tôi và các trạm mặt đất liên lạc bằng laser chìa khóa trao tay là một thành phần quan trọng của tương lai đó”.
Công nghệ thu và xử lý tín hiệu laser từ Mặt Trăng, Sao Hỏa hay xa hơn nữa không hề đơn giản. Ví dụ, hệ thống phát hiện “Opus One” sử dụng photon đơn dây nano siêu dẫn máy dò.
Đó là lý do tại sao việc giảm chi phí xây dựng và triển khai các hệ thống này là rất quan trọng để áp dụng rộng rãi thông tin liên lạc bằng laser từ không gian đến mặt đất.
Quantum Opus được đồng sáng lập bởi nhà vật lý Josh Cassada, người đã trở thành phi hành gia NASA vào năm 2013 và nghỉ hưu hơn một thập kỷ sau đó để gia nhập lại Quantum Opus. Ông lãnh đạo việc chế tạo các sản phẩm phát hiện photon của công ty.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.