La tecnologia TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) della NASA nel maggio 2022 a bordo di un piccolo satellite CubeSat lanciato in orbita a 482 chilometri dalla superficie terrestre, da allora attraverso un collegamento ottico di comunicazione a un ricevitore a terra in California, fornisce terabyte di dati a velocità record, fino a 100 gigabit il secondo (100 volte più veloce della velocità di Internet nella maggior parte delle città). È questa una velocità di trasmissione dei dati più di 1.000 volte superiore a quella dei collegamenti a radiofrequenza tradizionalmente utilizzati per le comunicazioni satellitari, ed è la più alta mai raggiunta da un collegamento laser dallo spazio alla terra.
Il MIT Lincoln Laboratory ha concepito la missione TBIRD nel 2014 come un mezzo per fornire capacità senza precedenti alle missioni scientifiche a basso costo. Oggi gli strumenti scientifici nello spazio generano abitualmente più dati di quelli che possono essere restituiti alla Terra attraverso i tipici collegamenti di comunicazione spazio-terra. TBIRD con terminali spaziali e terrestri di piccole dimensioni e a basso costo, può consentire agli scienziati di tutto il mondo di sfruttare appieno le comunicazioni laser per il downlink di tutti i dati che possono sognare.
Progettato e costruito al MIT Lincoln Laboratory, il carico utile per le comunicazioni TBIRD è stato integrato in un CubeSat prodotto da Terran Orbital nell’ambito del programma Pathfinder Technology Demonstrator della NASA. Il Centro di ricerca Ames della NASA ha istituito questo programma per sviluppare un bus CubeSat (il “veicolo” che alimenta e guida il carico utile) per portare in orbita in modo più rapido ed economico, dimostratori scientifici e tecnologici.
Il CubeSat con un peso di circa 11 chilogrammi e le dimensioni di due scatole di cereali impilate, nel maggio 2022 dalla stazione spaziale di Cape Canaveral, in Florida è stato lanciato in orbita terrestre bassa (LEO) a bordo della missione Transporter-5 di Space X. La stazione ottica di terra si trova a Table Mountain, in California, sotto la cima della montagna, rendendo questa parte del cielo relativamente chiara per le comunicazioni laser, sfrutta il telescopio di un metro e le ottiche adattive (per correggere le distorsioni causate dalla turbolenza atmosferica) dello Jet Propulsion Laboratory Optical Communications Telescope Laboratory della NASA, mentre il Lincoln Laboratory fornisce l’hardware di comunicazione a terra specifico per il TBIRD.
Jade Wang, responsabile del programma del laboratorio per il carico utile TBIRD e le comunicazioni a terra, assistente del gruppo di tecnologia delle comunicazioni ottiche e quantistiche ha affermato:
«Abbiamo dimostrato una velocità di trasmissione dei dati più elevata in un pacchetto più piccolo che mai. Sebbene l’invio di dati dallo spazio tramite laser possa sembrare futuristico, lo stesso concetto tecnico è alla base dell’Internet in fibra ottica che usiamo tutti i giorni. La differenza è che le trasmissioni laser avvengono nell’atmosfera aperta, anziché in fibre racchiuse».
Dalle onde radio alla luce laser
Che si tratti di videoconferenze, giochi o film in streaming ad alta definizione, si utilizzano collegamenti ad alta velocità di trasmissione dei dati su fibre ottiche di vetro (o talvolta di plastica) del diametro di un capello umano, queste fibre sono raggruppate in cavi che trasmettono i dati attraverso impulsi di luce che viaggiano velocemente da un laser o da un’altra fonte. Le comunicazioni in fibra ottica sono fondamentali nell’era di Internet, in cui grandi quantità di dati ogni giorno devono essere distribuite in modo rapido e affidabile in tutto il mondo, per i satelliti, tuttavia, non esiste ancora un Internet ad alta velocità basato sulle comunicazioni laser.
Le missioni fin dall’inizio dei voli spaziali, negli anni ’50, si sono affidate alle frequenze radio per inviare dati da e verso lo spazio. Rispetto alle onde radio, la luce infrarossa impiegata nelle comunicazioni laser ha una frequenza molto più alta (o una lunghezza d’onda più corta), che consente di contenere più dati in ogni trasmissione. Le comunicazioni laser permetteranno agli scienziati di inviare una quantità di dati da 100 a 1.000 volte superiore rispetto agli attuali sistemi a radiofrequenza, come nel caso del passaggio dalla connessione dial-up a Internet ad alta velocità.
I ricercatori hanno detto che dall’osservazione della Terra all’esplorazione dello spazio, molte missioni scientifiche trarranno vantaggio da questa accelerazione, soprattutto quando le capacità degli strumenti progrediranno per acquisire grandi quantità di dati ad alta risoluzione, gli esperimenti comporteranno un maggior numero di controlli a distanza e le navicelle spaziali si allontaneranno sempre più dalla Terra verso Marte è lo spazio profondo.
La comunicazione spaziale basata sul laser tuttavia comporta diverse sfide ingegneristiche, a differenza delle onde radio, la luce laser forma un fascio stretto, per una trasmissione dati efficace, questo fascio stretto deve essere puntato con precisione verso un ricevitore (ad esempio, un telescopio) situato a terra. Inoltre, sebbene la luce laser possa percorrere lunghe distanze nello spazio, i raggi laser possono essere distorti a causa degli effetti atmosferici e delle condizioni meteorologiche, questa distorsione provoca una perdita di potenza del raggio, con conseguente perdita di dati.
Il MIT Lincoln Laboratory negli ultimi 40 anni ha affrontato queste e altre sfide attraverso vari programmi. Attualmente queste sfide sono state risolte in modo affidabile, le comunicazioni laser stanno rapidamente diventando di uso comune. L’industria ha avviato una proliferazione di collegamenti incrociati LEO che utilizzano le comunicazioni laser, con l’intento di potenziare la dorsale terrestre esistente e di fornire una potenziale dorsale Internet per servire gli utenti nelle zone rurali.
L’anno scorso la NASA ha lanciato il Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), un sistema di comunicazione ottica bidirezionale basato su un progetto di laboratorio, nelle prossime missioni, un terminale di comunicazione laser sviluppato in laboratorio sarà lanciato verso la Stazione Spaziale Internazionale, dove il terminale “parlerà” con il LCRD, e supporterà Artemis II, un programma con equipaggio che volerà sulla Luna in vista di un futuro sbarco lunare con equipaggio.
Jade Wang ha affermato:
«Il MIT Lincoln Laboratory con l’aumento dell’interesse e dello sviluppo delle comunicazioni laser spaziale, continua a spingersi oltre i limiti del possibile. TBIRD ha annunciato un nuovo metodo che ha il potenziale di aumentare ulteriormente la velocità di trasmissione dei dati, di ridurre le dimensioni, il peso e la potenza e di abbattere i costi delle missioni laser».
Il metodo in cui TBIRD mira a ridurre questi costi è l’utilizzo di componenti commerciali pronti all’uso originariamente sviluppati per le reti terrestri in fibra ottica. Tuttavia, i componenti terrestri non sono progettati per sopravvivere ai rigori dello spazio e il loro funzionamento può essere influenzato dagli effetti atmosferici. Il MIT Lincoln Laboratory con TBIRD, ha sviluppato soluzioni per entrambe le sfide.
Componenti commerciali adattati allo Spazio
Il carico utile di TBIRD integra tre componenti chiavi commerciali pronti all’uso: un modem ottico ad alta velocità, un’unità di memorizzazione ad alta velocità di grandi dimensioni e un amplificatore di segnale ottico. Tutti questi componenti hardware sono stati sottoposti a test per urti e vibrazioni, vuoto termico e radiazioni per capire come l’hardware potrebbe comportarsi nello Spazio, dove sarebbe soggetto a forze potenti, temperature estreme e alti livelli di radiazioni.
Jade Wang ha spiegato:
«Il team di ricercatori quando ha sottoposto l’amplificatore a un test termico che simulava l’ambiente spaziale, le fibre si sono fuse, nel vuoto non c’è atmosfera, quindi il calore rimane intrappolato e non può essere rilasciato per convezione. Il team di ricercatori ha collaborato con il fornitore per modificare l’amplificatore in modo da rilasciare il calore per conduzione».
Il MIT Lincoln Laboratory per far fronte alla perdita di dati dovuta agli effetti atmosferici, ha sviluppato una propria versione dell’Automatic Repeat Request (ARQ), un protocollo per controllare gli errori nella trasmissione dei dati su un collegamento di comunicazione: con l’ARQ, il ricevitore (in questo caso, il terminale di terra) avverte il mittente (il satellite) attraverso un segnale di uplink a bassa velocità per ritrasmettere qualsiasi blocco di dati (frame) che è stato perso o danneggiato.
Curt Schieler, ingegnere di sistema del TBIRD e membro dello staff tecnico del gruppo di Jade Wang ha detto:
«Se il segnale cade, i dati possono essere ritrasmessi, ma se lo si fa in modo inefficiente, cioè passando tutto il tempo a inviare dati ripetuti anziché nuovi, si può perdere molto rendimento. Il ricevitore con il nostro protocollo ARQ, comunica al carico utile quali frame ha ricevuto correttamente, in modo che sappia quali ritrasmettere».
I ricercatori hanno detto che un altro aspetto nuovo di TBIRD è l’assenza di un gimbal, un meccanismo per il puntamento dello stretto raggio laser. Invece, TBIRD si affida a un concetto di segnalazione degli errori sviluppato in laboratorio per il puntamento di precisione del corpo del veicolo spaziale. I segnali di errore vengono forniti al bus del CubeSat in modo che sappia esattamente come puntare il corpo dell’intero satellite verso la stazione di terra. Il carico utile senza un giunto cardanico, può essere ulteriormente miniaturizzato.
Jade Wang in conclusione ha detto:
«Intendevamo dimostrare una tecnologia a basso costo in grado di trasmettere rapidamente un grande volume di dati dalla LEO alla Terra, a sostegno delle missioni scientifiche, in poche settimane di attività, abbiamo già raggiunto questo obiettivo, raggiungendo velocità di trasmissione senza precedenti, fino a 100 gigabit il secondo. In seguito, abbiamo in programma di esercitare ulteriori caratteristiche del sistema TBIRD, tra cui l’aumento della velocità a 200 gigabit il secondo, consentendo il downlink di oltre 2 terabyte di dati – equivalenti a 1.000 film ad alta definizione – in un singolo passaggio di cinque minuti su una stazione a Terra».