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È stata lanciata con successo venerdì 7 settembre la navicella LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) destinata ad effettuare osservazioni sull’atmosfera e sulle polveri lunari. La missione di LADEE prevede anche la sperimentazione di un nuovo sistema di comunicazione spaziale denominato LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration) che sfrutta un fascio laser anziché onde radio.
Fin dalla sua nascita, la NASA ha creato una efficiente rete per le comunicazioni a distanza e la navigazione formata da stazioni a terra e satelliti in orbita in grado di gestire e controllare tutte le missioni spaziali che si sono susseguite nel corso degli anni. Questa rete utilizza sistemi a radiofrequenza operanti su differenti bande di frequenza ma, tutte, all’interno dello spettro radio, da qualche decina di MHz fino a qualche centinaia di GHz.
Negli ultimi anni, tuttavia, con l’accrescersi della complessità delle missioni è aumentata anche l’esigenza di disporre di sistemi con una velocità di trasmissione maggiore nonché in grado di trasmettere un maggior numero di dati. I sofisticati sensori montati a bordo delle recenti sonde spaziali sono in grado di raccogliere un numero incredibilmente grande di dati, creando difficoltà all’attuale rete di comunicazione della NASA e degli enti spaziali partner quali l’ESA, nonostante i continui aggiornamenti ai sistemi ed il moltiplicarsi delle stazioni.
Per questo motivo da alcuni anni la NASA sta cercando soluzioni alternative alle microonde guardando con sempre più attenzione ai vicini infrarossi e più in generale al regno dei fotoni. I fotoni sono pacchetti elementari di onde elettromagnetiche che, se emessi in maniera coerente, danno vita a quello che viene definito raggio laser. Proprio su questa tecnologia la NASA sta puntando per aumentare la capacità dei propri sistemi di comunicazione a distanza del futuro e l’esperimento del Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD) è un primo passo in questa direzione.
Lo scopo di LLCD è quello di verificare la possibilità del raggio laser di trasferire un elevato flusso di dati nonché verificare tutte le altre problematiche di questa nuova forma di “comunicazione ottica” spaziale.
Il termine “comunicazione ottica” si riferisce all’uso della luce come mezzo per la trasmissione dati, anche se in questo caso vengono utilizzate emissioni all’infrarosso, le stesse impiegati nei cavi a fibra ottica per telecomunicazioni che sempre più spesso portano i dati direttamente nelle case garantendo un’elevata larghezza di banda. Il sistema LLCD è in grado di trasferire dati in modalità bidirezionale fino ad un massimo di 622 megabit al secondo (Mbps) collegando il Lunar Atmosfera Dust Environment Explorer (LADEE) con le stazioni a terra.
Perché il Laser?
Durante gli ultimi decenni il volume dei dati da trasferire è aumentato esponenzialmente e sicuramente tale tendenza continuerà in futuro. Anche se le comunicazioni basate sulla radiofrequenza rappresentano il mezzo più affidabile per le comunicazioni spaziali, la capacità dello spettro radio e delle microonde si sta rapidamente esaurendo.
L’impiego della tecnologia laser consentirà alla NASA di operare in una zona meno affollata dello spettro elettromagnetico. Un’altra motivazione che ha spinto in questa direzione è la possibilità offerta da questa tecnologia di realizzare apparecchiature più efficienti e meno costose. Poiché le onde radio utilizzate attualmente presentano una lunghezza d’onda relativamente bassa, è necessario ricorrere ad antenne di dimensioni notevoli: tutti noi abbiamo in mente le immagini delle grandi parabole utilizzate per le comunicazioni radio satellitari.
Nel caso della luce, la lunghezza d’onda è circa 10.000 volte inferiore, consentono ai dati di essere trasmessi attraverso fasci molto più stretti. Tutto ciò rende la comunicazione più sicura e più efficiente essendo necessarie, a parità di potenza, antenne di dimensioni molto più piccole.
Questa riduzione delle dimensioni dell’antenna valgono sia per gli impianti a terra che per quelli a bordo dei satelliti con conseguente significativa riduzione di peso e dimensioni. Inoltre le apparecchiature richiedono, a parità di velocità di trasferimento dati, potenze inferiori che si traducono in un risparmio notevole dal punto di vista delle riserve energetiche di bordo e quindi, in ultima analisi, sul costo delle future missioni.
Affinché le comunicazioni laser diventino uno standard, la NASA deve prima dimostrare la validità di questa scelta. L’esperimento Lunar Laser Communications Demonstration ha proprio questo scopo.
Flight Terminal
I dati trasmessi dal terminale Lunar Lasercomm Spazio Terminal (LLST) presente a bordo della navicella LADEE saranno inviati sotto forma di milioni di lampi di luce ogni secondo; il fascio luminoso così modulato sarà ricevuto dalle stazioni di terra situate nel New Messico, in California e in Spagna.
L’LLST – sviluppato nel Lincoln Laboratory del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Lexington, Mass. – è composto da tre moduli: il modulo ottico, il modem e il sistema elettronico di controllo. Il peso complessivo è di circa 30 chili.
Il modulo ottico è montato all’esterno della navicella e consiste in un piccolo telescopio del diametro di 4 pollici; il modulo può muoversi su due assi consentendo di puntare il raggio laser verso una precisa posizione a terra oppure verso altri veicoli spaziali. Il modulo ottico funziona, in pratica, come un’antenna parabolica, inviando e ricevendo la portante utilizzata per trasferire i dati.
Il modem comprende un generatore laser all’infrarosso da 0,5 watt in grado di essere modulato ad una velocità massima di 622 Mbps per inviare i dati alle stazioni terrestri. Il modem comprende anche un sensibilissimo ricevitore in grado di ricevere i dati provenienti da Terra fino a 20 Mbps.
Il modulo di controllo elettronico, posta all’interno dei veicolo spaziale LADEE, è il cervello dell’LLST, garantendo un puntamento particolarmente preciso del fascio laser ed un tracking altrettanto preciso dell’emissione proveniente dalla Terra. Esso inoltre funge da interfaccia per i segnali di controllo e la telemetria tra l’LLST e il veicolo spaziale LADEE.
Ground Terminal
La sezione terrestre del progetto LLCD (Lunar Lasercomm Ground Terminal, LLGT), anch’essa sviluppata dal MIT/Lincoln Laboratory, è formata da una matrice di otto ricetrasmettitori e ricevitori telescopi montati sullo stesso sistema di puntamento controllato da una centrale dove sono presenti i generatori laser, i ricevitori e tutta l’elettronica necessaria al controllo del sistema. Quattro telescopi da 6 pollici ciascuno vengono utilizzati sia per inviare i dati verso la navicella spaziale che per generare un fascio laser utilizzato per l’allineamento; altri quattro telescopici più grandi , da 17 pollici, vengono utilizzati invece per raccogliere e concentrare il debole fascio luminoso captato che, tramite fibre ottiche, giunge alla centrale di controllo dove viene demodulato. Per garantire un perfetto e costante allineamento di tutti gli otto ricetrasmettitori, gli stessi sono racchiusi all’interno di un contenitore realizzato in fibra ottica.
La stazione terrestre è facilmente trasportabile: ciò consente sia di posizionare rapidamente e facilmente la stazione ovunque, sia di ricalibrare e riprogrammare il sistema presso i laboratori del MIT nel Massachusetts.
Il segmento terrestre di trasmissione e controllo è composto dalla stazione principale situata a White Sands (New Mexico) e da due stazioni secondarie realizzate in collaborazione con l’agenzia spaziale giapponese e con quella europea. Le due stazioni si trovano Table Mountain Facility in California e a Tenerife, nelle Canarie.
Questo video illustra il funzionamento del nuovo sistema di comunicazione:
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