La corsa alla trasmissione di dati tramite laser.

La tecnologia di comunicazione laser è considerata una nuova direzione per la connettività nella prossima generazione di esplorazione spaziale.

Il rapido aumento del numero di satelliti sta rendendo l'orbita terrestre bassa sempre più affollata, accrescendo il rischio di collisioni e mettendo sotto pressione le infrastrutture di trasmissione dati a causa del sovraccarico dello spettro radio. In questo contesto, la tecnologia di comunicazione laser si profila come una nuova direzione per la connettività nella prossima generazione di esplorazione spaziale.

Traiettoria di sovraccarico

Negli ultimi anni, il numero di satelliti in orbita attorno alla Terra è aumentato a un ritmo molto rapido. Con il lancio del sistema Starlink nel 2019, SpaceX ha ora oltre 10.200 satelliti operativi in ​​orbita. L'Agenzia Spaziale Europea (ESA) prevede che entro la fine del prossimo decennio, circa 100.000 satelliti potrebbero essere operativi simultaneamente attorno alla Terra. La maggior parte dei satelliti attuali utilizza onde radio per trasmettere dati a terra. Questa è anche la tecnologia utilizzata per telefoni cellulari, Wi-Fi, Bluetooth e televisione.

Tuttavia, le onde radio occupano solo una piccola frazione dello spettro elettromagnetico (l'insieme di onde e radiazioni presenti in natura). La porzione dello spettro di radiofrequenza utilizzabile per le comunicazioni è limitata e pertanto deve essere gestita e assegnata dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU).

Barry Evans, professore di comunicazioni satellitari all'Università del Surrey (Regno Unito), ha affermato che il sovraccarico dello spettro inizia a verificarsi quando un numero sempre maggiore di sistemi satellitari opera sulle stesse bande di frequenza.

Ad esempio, Starlink ed Eutelsat OneWeb utilizzano entrambi la banda Ku (circa 11-14 Gigahertz) per trasmettere dati a terra, aumentando il rischio di interferenze e sovrapposizione di segnali. Le aziende ora devono coordinare la condivisione dello spettro o regolare i tempi di trasmissione del segnale, ma gli esperti ritengono che questa sia solo una soluzione temporanea.

Immagine illustrativa della comunicazione ottica. Foto: Frontllynk

Anche i satelliti che operano a diverse altitudini possono causare interferenze di segnale. Ad esempio, quando una stazione di terra riceve un segnale da OneWeb a un'altitudine di circa 1.200 km, un satellite Starlink che vola a un'altitudine inferiore, intorno ai 500 km, potrebbe causare interferenze temporanee se attraversa l'area di copertura. Questo fenomeno è chiamato "Eventi in linea". Nel contesto del rapido aumento dei dati provenienti dallo spazio, si ritiene improbabile che le onde radio siano in grado di soddisfare adeguatamente le esigenze a lungo termine di trasmissione video ad alta risoluzione, dati provenienti da sensori e internet satellitare globale.

Sfida tecnica

Di fronte a questa pressione, l'industria spaziale si sta orientando verso l'utilizzo dei laser per la trasmissione dei dati. A differenza delle onde radio, che si propagano ampiamente nello spazio, i laser viaggiano in fasci molto stretti, il che li rende praticamente immuni alle interferenze di altri sistemi, aumentando così la velocità di trasmissione dei dati e migliorando la sicurezza.

Dalius Petrolionis, co-fondatore e CTO di Astrolight (Lituania), ha affermato che molti satelliti di nuova generazione integrano ormai collegamenti laser. Nella rete Starlink, i dati tra satelliti vengono già trasmessi tramite laser in alcune connessioni spaziali. Tuttavia, la comunicazione laser dai satelliti a terra rimane una sfida tecnica importante, poiché i laser sono molto sensibili alle condizioni atmosferiche. Nuvole, nebbia, vapore acqueo o fluttuazioni di temperatura nell'aria possono distorcere il segnale.

Per superare questa limitazione, le aziende stanno sviluppando sistemi di compensazione delle interferenze ottiche (AO), che consentono al raggio laser di autoregolarsi in tempo reale in base alle fluttuazioni atmosferiche. Questi sistemi includono in genere sensori di fronte d'onda per misurare la distorsione del segnale, specchi di distorsione per correggere il raggio laser e un computer di controllo ad alta velocità.

Secondo la NASA, alcuni sistemi utilizzano addirittura due tipi di specchi estensimetrici che operano in parallelo, dove uno specchio gestisce le deformazioni ampie e lente e l'altro le oscillazioni piccole e rapide. I sistemi di controllo devono effettuare circa 100-1000 regolazioni al secondo.

In un test di trasmissione dati laser a 5 Gbps, il sistema AO, composto da 137 elementi di controllo, ha ridotto il tasso di errore dei dati a meno di 10⁻⁶, equivalente a meno di 1 errore per milione di bit di dati, eliminando virtualmente qualsiasi discrepanza significativa.

Oltre alla distorsione del segnale, i sistemi di trasmissione laser devono gestire anche le fluttuazioni dell'intensità luminosa dovute alla turbolenza atmosferica. Alcune reti di trasmissione laser utilizzano stelle laser artificiali per creare punti di riferimento, contribuendo a misurare con precisione il livello di turbolenza atmosferica. Oltre all'hardware ottico, le aziende applicano anche algoritmi di intelligenza artificiale e apprendimento automatico per ridurre i costi e velocizzare l'elaborazione del segnale.

La NASA ha recentemente testato con successo un sistema di comunicazione laser a bordo della navicella spaziale Orion, parte del programma Artemis II, trasmettendo oltre 100 GB di dati dalla zona vicina alla Luna verso la Terra. Nel frattempo, Astrolight, un'azienda lituana di tecnologia spaziale, sta costruendo la sua prima stazione di terra ottica in Groenlandia con il supporto dell'ESA e ha lanciato in orbita tre trasmettitori laser sperimentali.

La comunicazione ottica, nota anche come comunicazione laser, utilizza raggi infrarossi anziché le tradizionali onde radio per inviare dati tra satelliti o dai satelliti a terra. Questa tecnologia consente velocità di trasmissione dati più elevate, un minore consumo energetico e praticamente nessuna interferenza di segnale.

Compilazione VIET ANH

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