Resumo:
No passado, o pessoal de terra tinha que esperar de quatro a cinco minutos para que uma foto panorâmica da Lua em ultra-alta definição de 8K fosse enviada de volta da órbita lunar. Hoje, a mesma foto pode ser enviada em cerca de 12 segundos. O que provocou essa mudança foi o teste de comunicação a laser bidirecional de alta velocidade recentemente concluído entre a Terra e a Lua. Este teste estabeleceu uma ligação laser estável e de alta velocidade entre a Terra e a Lua a uma distância de 400.000 quilómetros, o que equivale a estabelecer uma "rodovia da informação" entre a Terra e a Lua.
Diagrama esquemático da comunicação laser bidirecional na escala Terra-Lua. Fonte da imagem: Centro de Engenharia e Tecnologia de Aplicação Espacial, Academia Chinesa de Ciências
Quais são as vantagens das comunicações a laser cis-lunar? Que dificuldades técnicas devem ser superadas para conseguir uma comunicação laser bidirecional entre a Terra e a Lua? Que mudanças se seguirão? Centrando-se nestas questões, no dia 1 de Setembro, repórteres do Science and Technology Daily entrevistaram especialistas relevantes.
Primeira pergunta: Quais são as vantagens da comunicação a laser Terra-Lua?
A comunicação tradicional por radiofrequência depende de ondas de rádio, enquanto a comunicação a laser usa transmissão por ondas de luz, que em princípio está mais próxima da banda larga de fibra óptica. As maiores vantagens da comunicação a laser são grande largura de banda e velocidade rápida. Quando o equipamento instalado no satélite é semelhante em tamanho, peso e consumo de energia, a taxa de comunicação a laser pode ser de 10 a 100 vezes mais rápida do que a comunicação tradicional por microondas.
"A radiofrequência é como uma rodovia comum com faixas limitadas e fácil saturação do tráfego; o laser é como uma rodovia com várias faixas, que pode transmitir uma quantidade muito maior de dados ao mesmo tempo." Yang Lei, pesquisador do Centro de Engenharia e Tecnologia de Aplicação Espacial da Academia Chinesa de Ciências, explicou que na distância entre a Terra e a Lua, a comunicação tradicional de radiofrequência é muito difícil de transmitir vídeo de alta definição ou dados científicos massivos, enquanto a comunicação a laser pode facilmente fazer o trabalho.
Outro benefício da comunicação a laser é que não é fácil vazar segredos. O feixe de laser é particularmente concentrado e não "transmite" como as ondas de rádio. A energia não viaja para todos os lugares, tornando difícil para outros interceptarem o sinal no meio do caminho. "O laser é como uma lanterna, brilhando onde quer que brilhe. O micro-ondas é mais como uma transmissão de alto-falante, com grande alcance, mas todos podem ouvi-lo." Yang Lei disse vividamente.
Segunda pergunta: Que problemas precisam ser superados em 400.000 quilômetros de comunicação a laser bidirecional?
400.000 quilômetros equivalem a 10 voltas ao equador da Terra, e leva mais de 1 segundo para a luz viajar da Lua até a Terra. Para conseguir uma comunicação laser bidirecional a uma distância tão longa, temos que superar três obstáculos: sinal fraco, dificuldade de mira e transmissão lenta.
Embora o feixe de laser esteja concentrado em uma direção, ele ainda se espalhará bastante depois de viajar 400 mil quilômetros. Quando chegar ao telescópio terrestre, poderá ter apenas um pouco do que era quando foi lançado e ficará muito fraco. A extremidade receptora do solo deve usar um detector altamente sensível para “reconhecer” os fótons fracos do ruído de fundo. "Para esse fim, construímos um conjunto de detectores de fóton único de nanofios supercondutores. É como um 'olho' ultrassensível que pode capturar fótons. Tem muito pouco ruído e responde muito rapidamente. Juntamente com um algoritmo de processamento de sinal autodesenvolvido, mesmo que o sinal seja tão fraco que seja quase 'afogado' pelo ruído, ele pode ser 'pescado' de muita interferência. " Yang Lei disse.
Ao mesmo tempo, o feixe de laser é muito estreito, a Terra e a Lua estão em constante movimento e a própria plataforma do satélite também vibra ligeiramente. As estações terrestres e os satélites devem estar sempre alinhados com precisão; se estiverem um pouco errados, o link pode ser quebrado. Yang Lei fez uma analogia: "Isso equivale a apontar um raio laser de Pequim para um pequeno ponto móvel na Lua e mantê-lo travado."
Fonte da imagem: Visual China
Para resolver este problema, a equipa de investigação descobriu várias formas: primeiro, calcular com precisão a órbita do satélite e prever a posição com antecedência, para que os telescópios de ambos os lados saibam para onde apontar e não erram o alvo; segundo, a estação terrestre combina vários feixes de laser em um e os envia. , e então corrija a direção em tempo real de acordo com as mudanças na temperatura e no ângulo de elevação para garantir um pouso estável no satélite; terceiro, um forte isolamento óptico é feito nas extremidades de transmissão e recepção para evitar que o forte laser emitido ofusque o detector, de modo que a recepção e recepção simultânea de sinais de luz não interfiram entre si.
O sinal foi recebido e a velocidade de transmissão deve ser mantida. A dificuldade é que esses fótons não vêm em fila regular, mas são esparsos e intermitentes. Para reuni-los em informações completas, o tempo deve ser muito preciso, com precisão de picossegundos. Qual é o conceito de picossegundo? Um trilionésimo de segundo, que é inúmeras vezes menor que o tempo que você leva para piscar os olhos. A equipe desenvolveu especialmente reconhecimento de tempo em nível de picossegundo e tecnologia de processamento de comunicação de grande largura de banda, o que equivale a atribuir um "carimbo de hora" superpreciso a cada fóton, para que eles possam ser reunidos perfeitamente, sem qualquer caos.
Pergunta 3: Como esta tecnologia ajudará a futura exploração lunar e missões no espaço profundo?
"No futuro, construiremos uma estação internacional de pesquisa científica lunar e realizaremos vários experimentos científicos (testes) nela. Esses experimentos científicos (testes) gerarão enormes quantidades de dados. A forma como os dados podem ser transmitidos de volta à Terra sempre foi um gargalo de comunicação que restringe o progresso da pesquisa científica. Este avanço tecnológico é de grande importância para quebrar o gargalo." disse Wang Qiang, vice-diretor do Centro de Engenharia e Tecnologia de Aplicação Espacial da Academia Chinesa de Ciências.
Mais importante ainda, a distância entre a Terra e a Lua é apenas o ponto de partida. Yang Lei disse que tecnologias como rastreamento de alta precisão, detecção de sinal fraco e processamento de sinal de fóton único de alta velocidade verificados desta vez podem ser estendidas a Marte, asteróides e até mesmo a outras missões no espaço profundo, e apoiarão efetivamente a exploração do espaço profundo do meu país para alcançar resultados científicos mais originais.
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