Uma antena experimental recebeu sinais de radiofrequência e laser infravermelho próximo da espaçonave Psyche da NASA enquanto ela viaja pelo espaço profundo. Isto mostra que é possível que as gigantescas antenas parabólicas da Deep Space Network (DSN) da NASA, que comunicam com naves espaciais através de ondas de rádio, sejam adaptadas para comunicações ópticas ou laser.



Ao agrupar mais dados nas transmissões, a comunicação óptica permitirá novas capacidades de exploração espacial, ao mesmo tempo que apoia o DSN à medida que a procura na rede cresce.

A antena híbrida óptica de radiofrequência de 34 metros (112 pés), chamada Deep Space Station 13, rastreou o laser downlink da demonstração da tecnologia Deep Space Optical Communications (DSOC) da NASA desde novembro de 2023. O transceptor de laser de voo da demonstração técnica está viajando com a espaçonave Psyche da agência, lançada em 13 de outubro de 2023.

A antena híbrida está localizada no Goldstone Deep Space Communications Complex da DSN, perto de Barstow, Califórnia, e não faz parte do experimento DSOC. O DSN, DSOC e Psyche são gerenciados pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia.

“Nossa antena híbrida foi capaz de travar e rastrear com sucesso e confiabilidade o downlink DSOC logo após o lançamento da demonstração tecnológica”, disse Amy Smith, vice-gerente de DSN no JPL. "Ele também recebeu o sinal de radiofrequência de Psyche, então demonstramos comunicações síncronas de rádio e frequência óptica no espaço profundo pela primeira vez."

No final de 2023, a antena híbrida transferiu dados de 20 milhões de milhas (32 milhões de quilómetros) de distância a uma taxa de 15,63 megabits por segundo – cerca de 40 vezes mais rápido do que as comunicações de radiofrequência a essa distância. Em 1º de janeiro de 2024, a antena fez downlink de uma fotografia da equipe que havia sido carregada no DSOC antes do lançamento do Psyche.

Dois por um

Para detectar os fótons do laser (partículas quânticas de luz), sete espelhos segmentados ultraprecisos foram fixados no interior da superfície curva da antena híbrida. Assemelhando-se aos espelhos hexagonais do Telescópio Espacial James Webb da NASA, estes segmentos imitam a abertura de recolha de luz de um telescópio com abertura de 1 metro. À medida que os fótons do laser chegam à antena, cada espelho reflete os fótons e os redireciona com precisão para uma câmera de alta exposição anexada ao sub-refletor da antena suspensa acima do centro da antena.

O sinal do laser coletado pela câmera é então transmitido através de uma fibra óptica que alimenta um detector de fóton único de nanofio semicondutor resfriado criogenicamente. Projetado e construído pelo Laboratório de Microdispositivos do JPL, o detector é idêntico ao usado no Observatório Palomar da Caltech, no condado de San Diego, Califórnia, que atua como estação terrestre de downlink do DSOC.

“É um sistema óptico de alta tolerância construído em uma estrutura flexível de 34 metros”, disse Barzia Tehrani, vice-gerente de sistemas terrestres de comunicações e gerente de entrega da antena híbrida no JPL. "Usamos um sistema de espelhos, sensores precisos e câmeras para alinhar ativamente e direcionar o laser do espaço profundo para uma fibra que chega ao detector."

Tehrani espera que a antena seja sensível o suficiente para detectar o sinal laser enviado de Marte no seu ponto mais distante da Terra (2 ½ vezes a distância do Sol à Terra). Psyche estará a essa distância em junho, a caminho do principal cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter, para investigar o asteroide rico em metal Psyche.

O refletor de sete segmentos na antena é uma prova de conceito para uma versão ampliada e mais poderosa com 64 segmentos – o equivalente a um telescópio de abertura de 8 metros – que poderá ser usada no futuro.

Uma solução de infraestrutura

O DSOC está abrindo caminho para comunicações com taxas de dados mais altas, capazes de transmitir informações científicas complexas, vídeos e imagens de alta definição em apoio ao próximo salto gigante da humanidade:enviar humanos a Marte. A demonstração técnica transmitiu recentemente o primeiro vídeo de ultra-alta definição do espaço profundo com taxas de bits recordes.

A modernização de antenas de radiofrequência com terminais ópticos e a construção de antenas híbridas especialmente construídas poderia ser uma solução para a atual falta de uma infraestrutura terrestre óptica dedicada. O DSN possui 14 antenas distribuídas em instalações na Califórnia, Madrid e Canberra, Austrália. As antenas híbridas poderiam contar com comunicações ópticas para receber grandes volumes de dados e usar frequências de rádio para dados com menor consumo de largura de banda, como telemetria (informações de saúde e de posição).

“Durante décadas, temos adicionado novas frequências de rádio às antenas gigantes do DSN localizadas ao redor do globo, então o próximo passo mais viável é incluir frequências ópticas”, disse Tehrani. "Podemos ter um ativo fazendo duas coisas ao mesmo tempo:converter nossas vias de comunicação em rodovias e economizar tempo, dinheiro e recursos."

Fornecido pela NASA