Thí nghiệm Truyền thông quang học không gian sâu (DSOC) của NASA đã truyền ánh sáng laser cận hồng ngoại được mã hóa cùng với dữ liệu thử nghiệm từ khoảng cách gần 10 triệu dặm (16 triệu km)—xa hơn 40 lần so với khoảng cách từ Mặt trăng đến Trái đất—đến Kính thiên văn Hale tại Đài quan sát Palomar của Caltech ở Quận San Diego, California. Đây là cuộc trình diễn xa nhất về truyền thông quang học từng được thực hiện. DSOC là một thí nghiệm có thể thay đổi cách giao tiếp của tàu vũ trụ, lần đầu tiên đạt được "ánh sáng đầu tiên" bằng cách gửi dữ liệu qua tia laser từ bên ngoài mặt trăng.

Thí nghiệm DSOC của NASA trên tàu vũ trụ Psyche đã thể hiện thành công khả năng liên lạc quang học xa nhất có thể bằng cách sử dụng tia laser cận hồng ngoại ở khoảng cách 10 triệu dặm. Cột mốc quan trọng này do Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA quản lý, đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ truyền thông không gian, dự kiến ​​sẽ mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn cho các sứ mệnh không gian sâu trong tương lai. Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech

DSOC đã ở trên tàu vũ trụ Psyche mới phóng gần đây và được định cấu hình để gửi dữ liệu thử nghiệm băng thông cao tới Trái đất khi Psyche bay tới vành đai tiểu hành tinh chính giữa Sao Hỏa và Sao Mộc trong cuộc trình diễn công nghệ kéo dài hai năm. Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL_) ở Nam California quản lý DSOC và Psyche.

Tàu vũ trụ Psyche của NASA được trình diễn trong phòng sạch tại cơ sở Điều hành Không gian Astrotech của cơ quan gần Trung tâm Vũ trụ Kennedy ở Florida vào ngày 8 tháng 12 năm 2022. Gần trung tâm, có thể nhìn thấy bộ thu phát laser chuyến bay vàng của DSOC được gắn vào tàu vũ trụ. Nguồn hình ảnh: NASA/Ben Smegelsky

Cuộc trình diễn công nghệ đã ra mắt "ánh sáng đầu tiên" vào sáng sớm ngày 14 tháng 11 khi thiết bị tiên tiến của Psyche có khả năng truyền và nhận tín hiệu cận hồng ngoại - Bộ thu phát Laser Bay (ảnh bên dưới) - khóa vào đèn hiệu laser đường lên mạnh mẽ phát ra từ Phòng thí nghiệm Kính viễn vọng Truyền thông Quang học tại cơ sở Table Mountain của JPL gần Wrightwood, California. Đèn hiệu đường lên giúp bộ thu phát nhắm tia laser đường xuống của nó vào Palomar, cách 100 dặm hoặc 130 km về phía nam của Table Mountain, trong khi các hệ thống tự động trên bộ thu phát và trạm mặt đất tinh chỉnh hướng của nó.

Vào tháng 4 năm 2021, máy thu phát laser bay dùng cho trình diễn công nghệ Truyền thông Quang học Không gian Sâu (DSOC) đã xuất hiện tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California và sau đó được lắp đặt trong một vỏ hình hộp và tích hợp với tàu vũ trụ Psyche của NASA. Bộ thu phát bao gồm một máy phát laser cận hồng ngoại gửi dữ liệu tốc độ cao đến Trái đất và một camera đếm photon nhạy sẽ nhận dữ liệu tốc độ thấp hơn từ mặt đất. Bộ thu phát được gắn trên một cụm thanh chống và bộ truyền động - được hiển thị ở đây - nhằm mục đích ổn định quang học chống lại các rung động của tàu vũ trụ. Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech

Trudy Kortes, giám đốc Bộ phận Trình diễn Công nghệ tại Trụ sở NASA ở Washington, cho biết: "Đạt được ánh sáng đầu tiên là một trong nhiều cột mốc quan trọng đối với DSOC trong những tháng tới. Truyền thông tốc độ dữ liệu mở đường cho việc gửi thông tin khoa học, hình ảnh độ phân giải cao và video phát trực tuyến, hỗ trợ bước nhảy vọt tiếp theo của nhân loại: đưa con người lên sao Hỏa. "

Dữ liệu thử nghiệm cũng được gửi đồng thời thông qua tia laser đường lên và đường xuống, một quá trình được gọi là "đóng liên kết" và là mục tiêu chính của thử nghiệm. Mặc dù cuộc trình diễn công nghệ không truyền dữ liệu sứ mệnh Psyche nhưng nó đã hợp tác chặt chẽ với nhóm hỗ trợ sứ mệnh Psyche để đảm bảo rằng hoạt động của DSOC không ảnh hưởng đến hoạt động của tàu vũ trụ.

Tìm hiểu thêm về cách DSOC sẽ được sử dụng để kiểm tra việc truyền dữ liệu băng thông cao ngoài mặt trăng lần đầu tiên và cách nó sẽ biến đổi hoạt động khám phá không gian sâu. Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech/ASU

Giám đốc điều hành JPLDSOC Meera Srinivasan cho biết: “Thử nghiệm sáng thứ Ba là cuộc thử nghiệm đầu tiên tích hợp đầy đủ tài sản mặt đất và máy thu phát chuyến bay, yêu cầu các nhóm vận hành DSOC và Psyche phải làm việc cùng nhau”. “Đó là một thử thách khó khăn và chúng tôi vẫn còn nhiều việc phải làm, nhưng trong một khoảng thời gian ngắn, chúng tôi đã có thể gửi, nhận và giải mã một số dữ liệu.”

Trước khi đạt được thành tựu này, dự án vẫn cần phải vượt qua một số cột mốc quan trọng khác, từ việc tháo vỏ bảo vệ của bộ thu phát laser bay cho đến cấp nguồn cho thiết bị. Đồng thời, tàu vũ trụ Psyche cũng đang tiến hành các cuộc kiểm tra riêng, bao gồm khởi động hệ thống đẩy và thử nghiệm các thiết bị sẽ dùng để nghiên cứu tiểu hành tinh "Psyche" khi nó đến vào năm 2028.

Vào sáng sớm ngày 14 tháng 11, nhóm vận hành máy thu phát laser bay thuộc công nghệ Truyền thông Quang học Không gian Sâu (DSOC) của NASA cuộc trình diễn đã hoạt động trong khu vực hỗ trợ sứ mệnh Psyche của JPL và dự án đã đạt được "ánh sáng đầu tiên". Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech

Ánh sáng đầu tiên và bit đầu tiên

Với "đèn đầu tiên" sáng thành công, nhóm DSOC giờ đây sẽ nỗ lực hoàn thiện hệ thống trên bộ thu phát điều khiển hướng của tia laser đường xuống. Sau khi thành công, dự án có thể bắt đầu chứng minh cách duy trì việc truyền dữ liệu băng thông cao từ bộ thu phát đến Palomar ở các khoảng cách khác nhau từ Trái đất. Dữ liệu này được mã hóa bằng các photon (hạt lượng tử ánh sáng) của tia laser dưới dạng bit, đơn vị dữ liệu nhỏ nhất mà máy tính có thể xử lý. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu mới đã được sử dụng để trích xuất dữ liệu từ các photon đơn lẻ tới kính thiên văn Hale sau khi một dãy máy dò đặc biệt hiệu suất cao siêu dẫn (hình bên dưới) phát hiện ra các photon này.

Trên đây là bản sao của máy dò photon dây nano siêu dẫn Truyền thông Quang học Không gian Sâu (DSOC) được gắn vào Kính viễn vọng Hale 200 inch (5,1 mét) tại Đài quan sát Palomar của Caltech ở Quận San Diego, California. Máy dò này do Phòng thí nghiệm Thiết bị Vi mô tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California chế tạo, được thiết kế để nhận tín hiệu laser cận hồng ngoại từ máy thu phát chuyến bay DSOC bay trong không gian sâu với sứ mệnh Psyche của NASA như một phần của cuộc trình diễn công nghệ. Nguồn: NASA/JPL-Caltech

Thí nghiệm DSOC được thiết kế để chứng minh tốc độ truyền dữ liệu cao hơn từ 10 đến 100 lần so với hệ thống tần số vô tuyến tiên tiến nhất hiện đang được sử dụng trên tàu vũ trụ. Cả liên lạc bằng laser vô tuyến và cận hồng ngoại đều sử dụng sóng điện từ để truyền dữ liệu, nhưng ánh sáng cận hồng ngoại gói dữ liệu thành các sóng chặt hơn đáng kể, cho phép các trạm mặt đất nhận được nhiều dữ liệu hơn. Điều này sẽ hỗ trợ các sứ mệnh khám phá robot và con người trong tương lai cũng như hỗ trợ các công cụ khoa học có độ phân giải cao hơn.

Tiến sĩ Jason Mitchell, giám đốc Bộ phận Công nghệ Điều hướng và Truyền thông Tiên tiến của chương trình Điều hướng và Truyền thông Không gian (SCaN) của NASA, cho biết: "Đối với các nhà khoa học luôn muốn thu thập thêm thông tin từ các sứ mệnh không gian. Và đối với các nhà nghiên cứu, liên lạc quang học là một lợi ích cho phép con người khám phá không gian sâu". trên mặt trăng, DSOC là cuộc thử nghiệm đầu tiên trong không gian sâu. Giống như việc sử dụng con trỏ laser để theo dõi một đồng xu đang chuyển động từ cách xa một dặm, việc nhắm một chùm tia laser cách xa hàng triệu dặm đòi hỏi phải có sự "chỉ điểm" cực kỳ chính xác.

Người vận hành máy phát laser trên mặt đất DSOC chụp ảnh tại Phòng thí nghiệm Kính viễn vọng Truyền thông Quang học tại cơ sở Taishan của JPL gần Wrightwood, California, vào ngày 14 tháng 11, ngay sau khi cuộc trình diễn công nghệ đạt được "phát súng đầu tiên". Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech

Cuộc trình diễn cũng cần bù lại thời gian để ánh sáng truyền từ tàu vũ trụ đến Trái đất: Tại điểm xa nhất của Psyche so với hành tinh của chúng ta, các photon cận hồng ngoại của DSOC mất khoảng 20 phút để quay trở lại (trong thử nghiệm ngày 14 tháng 11, các photon mất khoảng 50 giây để di chuyển từ Psyche đến Trái đất). Trong thời gian này, cả tàu vũ trụ và hành tinh đều chuyển động nên các tia laser lên xuống cần điều chỉnh để phù hợp với những thay đổi về vị trí.

"Đạt được ánh sáng đầu tiên là một thành tựu to lớn. Hệ thống mặt đất đã phát hiện thành công các photon laser không gian sâu từ máy thu phát chuyến bay DSOC trên tàu Psyche," Abi Biswas, chuyên gia kỹ thuật dự án JPLDSOC cho biết. “Chúng tôi cũng có thể gửi một số dữ liệu, điều đó có nghĩa là chúng tôi có thể trao đổi ‘các bit ánh sáng’ với không gian sâu thẳm.”

Thông tin thêm về sứ mệnh

DSOC là sứ mệnh do Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Vũ trụ của NASA điều hành. Đây là sứ mệnh mới nhất trong một loạt các cuộc trình diễn truyền thông quang học được tài trợ bởi chương trình Điều hướng và Truyền thông Không gian (SCaN) của Ban Giám đốc Sứ mệnh Hoạt động Không gian của NASA và Ban Giám đốc sứ mệnh hoạt động không gian của NASA.