السباق لنقل البيانات باستخدام الليزر.

تُعتبر تقنية الاتصالات الليزرية اتجاهاً جديداً للاتصال في الجيل القادم من استكشاف الفضاء.

يؤدي التزايد السريع في عدد الأقمار الصناعية إلى ازدحام متزايد في المدار الأرضي المنخفض، مما يزيد من خطر الاصطدامات ويضغط على بنية نقل البيانات مع ازدياد الضغط على طيف الترددات الراديوية. في هذا السياق، تُعتبر تقنية الاتصالات الليزرية اتجاهاً جديداً للاتصال في الجيل القادم من استكشاف الفضاء.

مسار التحميل الزائد

شهدت السنوات الأخيرة زيادةً هائلةً في عدد الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. ومع إطلاق نظام ستارلينك عام ٢٠١٩، بات لدى شركة سبيس إكس أكثر من ١٠٢٠٠ قمر صناعي عامل في المدار. وتتوقع وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) أن يصل عدد الأقمار الصناعية العاملة حول الأرض في وقت واحد إلى حوالي ١٠٠ ألف قمر بحلول نهاية العقد القادم. وتستخدم معظم الأقمار الصناعية الحالية موجات الراديو لنقل البيانات إلى الأرض، وهي التقنية نفسها المستخدمة في الهواتف المحمولة، وشبكات الواي فاي، والبلوتوث، والتلفزيون.

مع ذلك، لا تشغل الموجات الراديوية سوى جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي (نطاق الموجات والإشعاعات الموجودة في الطبيعة). ويُعدّ الجزء من طيف الترددات الراديوية الذي يمكن استغلاله للاتصالات محدودًا، ولذا يجب إدارته وتخصيصه من قِبل الاتحاد الدولي للاتصالات.

قال باري إيفانز، أستاذ اتصالات الأقمار الصناعية في جامعة ساري (المملكة المتحدة)، إن التحميل الزائد للطيف يبدأ في الحدوث عندما تعمل المزيد والمزيد من أنظمة الأقمار الصناعية على نفس نطاقات التردد.

على سبيل المثال، تستخدم كل من ستارلينك ويوتلسات ون ويب نطاق التردد Ku (حوالي 11-14 جيجاهرتز) لنقل البيانات إلى الأرض، مما يزيد من خطر التداخل وتداخل الإشارات. ويتعين على الشركات الآن تنسيق مشاركة الطيف الترددي أو تعديل أوقات إرسال الإشارات، لكن الخبراء يعتقدون أن هذا حل مؤقت فقط.

صورة توضيحية للاتصالات البصرية. الصورة: فرونتلينك

قد تتسبب الأقمار الصناعية العاملة على ارتفاعات مختلفة في تداخل الإشارات. فعلى سبيل المثال، عندما تستقبل محطة أرضية إشارة من OneWeb على ارتفاع حوالي 1200 كيلومتر، قد يتسبب قمر صناعي تابع لشبكة Starlink، يدور على ارتفاع أقل، حوالي 500 كيلومتر، في تداخل مؤقت إذا مر عبر منطقة التغطية. تُعرف هذه الظاهرة باسم "الأحداث المتداخلة". في ظل التزايد السريع للبيانات القادمة من الفضاء، يُستبعد أن تكون الموجات الراديوية كافية لتلبية الطلب طويل الأجل على نقل الفيديو عالي الدقة، وبيانات أجهزة الاستشعار، وشبكة الإنترنت الفضائية العالمية.

التحدي التقني

في مواجهة هذا الضغط، يتجه قطاع الفضاء نحو تسخير أشعة الليزر لنقل البيانات. وعلى عكس الموجات الراديوية التي تنتشر على نطاق واسع في الفضاء، تنتقل أشعة الليزر في حزم ضيقة للغاية، مما يجعلها محصنة عمليًا ضد التداخل من الأنظمة الأخرى، وبالتالي زيادة سرعات نقل البيانات وتحسين الأمان.

صرح داليوس بتروليونيس، المؤسس المشارك والمدير التقني لشركة أسترولايت (ليتوانيا)، بأن العديد من أقمار الجيل القادم تُدمج الآن وصلات ليزرية. وفي شبكة ستارلينك، تُنقل البيانات بين الأقمار الصناعية عبر الليزر في بعض الاتصالات الفضائية. ومع ذلك، لا يزال الاتصال الليزري بين الأقمار الصناعية والأرض يُمثل تحديًا تقنيًا كبيرًا نظرًا لحساسية الليزر الشديدة للظروف الجوية. فالسحب والضباب وبخار الماء وتقلبات درجات الحرارة في الهواء، كلها عوامل قد تُشوه الإشارة.

للتغلب على هذا القيد، تعمل الشركات على تطوير أنظمة تعويض التداخل البصري، والتي تسمح لشعاع الليزر بالتكيف الذاتي مع تقلبات الغلاف الجوي في الوقت الفعلي. تتضمن هذه الأنظمة عادةً مستشعرات جبهة الموجة لقياس تشوه الإشارة، ومرايا تصحيح التشوه لتصحيح شعاع الليزر، وحاسوب تحكم عالي السرعة.

بحسب وكالة ناسا، تستخدم بعض الأنظمة نوعين من مرايا قياس الإجهاد تعملان بالتوازي، حيث تتولى إحداهما معالجة التشوهات الكبيرة والبطيئة، بينما تتولى الأخرى معالجة التذبذبات الصغيرة والسريعة. ويتعين على أجهزة التحكم إجراء ما يقارب 100 إلى 1000 تعديل في الثانية الواحدة.

في اختبار نقل بيانات الليزر بسرعة 5 جيجابت في الثانية، قام نظام AO، الذي يتكون من 137 عنصر تحكم، بتقليل معدل خطأ البيانات إلى أقل من 10⁻⁶، أي ما يعادل أقل من خطأ واحد لكل مليون بت من البيانات، مما أدى فعليًا إلى القضاء على أي اختلافات كبيرة.

إضافةً إلى تشوّه الإشارة، يجب على أنظمة نقل الليزر التعامل مع تذبذب شدة الضوء الناتج عن اضطراب الغلاف الجوي. تستخدم بعض شبكات نقل الليزر نجومًا ليزرية اصطناعية لإنشاء نقاط مرجعية، مما يساعد على قياس مستوى اضطراب الغلاف الجوي بدقة. إلى جانب الأجهزة البصرية، تُطبّق الشركات أيضًا تقنيات الذكاء الاصطناعي وخوارزميات التعلّم الآلي لخفض التكاليف وتسريع معالجة الإشارات.

أجرت وكالة ناسا مؤخرًا اختبارًا ناجحًا لنظام اتصالات ليزرية على متن مركبة أوريون الفضائية، ضمن برنامج أرتميس 2، حيث نقلت أكثر من 100 جيجابايت من البيانات من قرب القمر إلى الأرض. وفي الوقت نفسه، تقوم شركة أسترولايت، وهي شركة ليتوانية متخصصة في تكنولوجيا الفضاء، ببناء أول محطة أرضية بصرية لها في جرينلاند بدعم من وكالة الفضاء الأوروبية، وقد أطلقت ثلاثة أجهزة إرسال ليزرية تجريبية إلى المدار.

تستخدم الاتصالات الضوئية، المعروفة أيضاً بالاتصالات الليزرية، الأشعة تحت الحمراء بدلاً من موجات الراديو التقليدية لنقل البيانات بين الأقمار الصناعية أو من الأقمار الصناعية إلى الأرض. وتتيح هذه التقنية سرعات نقل بيانات أعلى، واستهلاكاً أقل للطاقة، وانعداماً شبه تام لتداخل الإشارات.

مجموعة فيتنامية عن الأنثروبولوجيا

المصدر: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html