Viena iš naujovių yra ir pirmąkart iš tokio tolimo atstumo išbandomas optinis ryšys – infraraudonųjų spindulių lazeris, kuriuo iš astronautų erdvėlaivio į Žemę siunčiamas garsas ir aukštos raiškos vaizdas.
Kuo ši technologija ypatinga ir svarbi ateities misijoms? Kokie jos privalumai ir trūkumai? Apie tai pasakoja Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyriaus mokslininkas, fizikas dr. Sergejus Orlovas.
– Kas yra optinis ryšys? Kaip tai įsivaizduoti?
– Paprasčiausia analogija būtų žaidimas iš vaikystės, kai dviejų popierinių indelių dugne praduriame skyles ir tuos puodelius sujungiame virve ar siūlu. Tuomet šiuo „telefonu“ galime kalbėtis su draugu, esančiu už kampo ar kitame kambaryje. Taip įvyksta dėl to, kad garso bangos keliauja virvute, kuri pradeda virpėti (arba, kaip sakytų mokslininkai, yra moduliuojama).
Susiję straipsniai
Optinis ryšys veikia panašiu principu, tik vietoj akustinių ar mechaninių virpesių mes moduliuojame elektromagnetines bangas. Jos turi labai svarbų parametrą – bangos ilgį arba dažnį. Bangos ilgis – tai atstumas tarp bangos keterų ir įdubų. Kuo bangos ilgis trumpesnis, tuo daugiau informacijos galima perduoti.
Tai gerai matyti iš ryšio technologijų raidos. Iš pradžių naudotos ilgosios radijo bangos, kurios išspinduliuotos galėjo iš Vilniaus pasiekti net Australiją, tačiau signalo (taigi ir garso) kokybė buvo prasta. Trumpėjant bangoms, ryšio kokybė gerėjo. Tas pats matoma mobiliuosiuose tinkluose: bangos ilgis tampa vis trumpesnis, ir jeigu 2G ryšis leido tik aiškiai perduoti balsą, tai 5G suteikia galimybę realiu laiku žiūrėti aukštos kokybės filmus.
Tuo metu optinis ryšys naudoja regimosios arba lazerinės infraraudonosios šviesų dažnius. Pastaroji yra populiariausia, jos bangos ilgis siekia apie 1,5 mikrometro. Palyginimui, dabar naudojamo mobiliojo ryšio bangos milimetrinės – tūkstantį kartų ilgesnės. Todėl jomis sutalpinsi kur kas mažiau informacijos negu per optinį ryšį.
Geriausias to pavyzdys – tai minėtą vaikystės žaidimą primenantis šviesolaidinis internetas, tik šįkart „virvutė“ pagaminta iš lydyto kvarco stiklo, ir joje pernešamas infraraudonasis signalas. Šviesolaidis leidžia „sulankstyti“ šviesos kelią ir jį atvesti į mūsų namą ar butą. Kadangi bangos ilgis mažas, galima perduoti daugiau bitų, greičiau moduliuoti signalą ir pasiekti labai didelius greičius – gigabitus per sekundę. Pavyzdžiui, filmas, kurį, naudojant 5G ryšį, reikėtų siųstis valandą, šviesolaidiniu kabeliu atkeliauja per dešimt minučių.
– Tačiau kosmose šiuo metu išbandomas kiek kitoks optinis ryšys?
– Taip, ką tik kalbėjome apie šviesolaidinį-skaidulinį (uždarąjį) optinį ryšį. Tuo metu laisvosios erdvės optinis ryšys keliauja laisvai atmosferoje arba kosmose, kaip „Artemis II“ misijos atveju.
Pagrindinė tokio ryšio sąlyga – tiesioginė matymo linija. Laisvai keliaujančios šviesos jau negalime „sulenkti“ kaip šviesolaidyje, tad taškas, iš kurio siunčiame informaciją, turi tiesiogiai „matyti“ tašką, kur toji informacija galiausiai turi patekti.
– Pakeliui negali būti jokių kliūčių?
– Taip. Štai kodėl, kai erdvėlaivis „Orion“ skriejo kitoje Mėnulio pusėje, trumpam buvo nutrūkęs bet koks ryšys su Žeme – nes Mėnulis tiesiog viską užstojo.
Tiesą sakant, turime kliūčių ir Žemėje. Didžiausia jų yra ta pati atmosfera. Pavyzdžiui, lazeriniu ryšiu nenusiųsi signalo iš Vilniaus į Klaipėdą, nes Žemė apvali, ir Klaipėda bus mums už horizonto. Nėra tiesioginio matymo linijos. Bet ir miesto ribose gali iškilti problemų: jeigu pradės lyti, ore atsiras daug vandens lašelių, kurie išsklaidys lazerio šviesą visur, tik ne ten, kur ją norime išsiųsti, ir signalas nepasieks tikslo. Taigi, didžiausias pavojus čia bus lietus, sniegas ir kitos prastesnės oro sąlygos.
Antrasis pavojus yra vadinamoji atmosferos turbulencija. Tai vyksta ir mūsų virtuvėse: kai įjungiame dujinę viryklę, šylantis oras pakyla į viršų, ir tai galime nesunkiai pajusti. Taigi, šiltas oras pasižymi tuo, kad turi kitokį lūžio rodiklį, tankį negu šaltesnis oras. O mieste visur bus kaminų, įmonių, įvairūs šilumos šaltinių, nuo kurių šiltas oras kils į viršų ir maišysis su šaltu. Toks maišymasis gadina optinio ryšio kokybę, nes signalas vėlgi išsisklaido, tampa silpnesnis – tuomet jį reikia papildomai „valyti“ nuo triukšmo.
Vis dėlto pagrindinis optinio ryšio privalumas išlieka – labai trumpas bangos ilgis, o tai leidžia sutalpinti daugiau bitų ir perduoti informaciją itin dideliais greičiais.
– Kokie tie greičiai?
– Pavyzdžiui, NASA iš aplink Žemę skriejančių palydovų į mūsų planetą optiniu ryšiu yra perdavusi duomenis šimtais gigabitų per sekundę. Lyg būtų nutiesta apie šimtas šviesolaidinių kabelių, kuriais vienu metu keliautų „Netflix“ kokybės vaizdo duomenys.
Tačiau toliau esančiame kosmose atvirosios erdvės optinis ryšys susiduria su kita problema – vadinamąja difrakcija. Lazerio spindulys, keliaudamas didelį atstumą, plečiasi. Kad tai suprastume, prisiminkime paprastą žibintuvėlį: pašvietus ant sienos, jo apskritimas bus didesnis negu ant šalia esančios mūsų rankos. Panašiai ir lazerio spindulys: jei iš Žemės yra išspinduliuojamas dešimčių centimetrų skersmens, pasiekęs Mėnulį jis gali „išsipūsti“ iki dešimčių, jei ne šimtų metrų pločio. Dėl to sumažėja signalo galia ir perduodama mažiau informacijos.
Todėl jei iš palydovų Žemės orbitoje galima pasiekti šimtus gigabitų per sekundę, tai iš Mėnulio – jau šimtus megabitų per sekundę. Tūkstantį kartų mažesnis greitis. Bet vis tiek neblogai, nes 260 Mb/s, yra tai, ką siūlo mūsų mobiliojo ryšio operatoriai už 8–9 eurus per mėnesį (juokiasi).
– Kodėl apskritai optinis ryšys yra testuojamas „Artemis II“ misijos metu?
– Svarstoma galimybė kurti savotišką Mėnulio internetą. Ateityje, kai Mėnulyje bus įkurtos bazės ir ten nuolat gyvens bei dirbs astronautai, jiems reikės greito ir patikimo ryšio su Žeme. Tai būtina sąlyga. Informacija būtų perduodama į Mėnulio stotį, o iš jos per palydovą – lazeriniu ryšiu į Žemę. Tai astronautams leistų užtikrinti nuolatinę pagalbą ir duomenų mainus su mūsų planeta.
– Ar signalas iš Žemės į Mėnulį keliauja realiu laiku, ar jaučiamas vėlavimas?
– Yra nedidelis vėlavimas. Atstumas iki Mėnulio – apie 380 tūkstančių kilometrų, o šviesa sklinda maždaug 300 tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu. Todėl vėlavimas siekia maždaug vieną ar dvi sekundes.
– Tai ne taip, kaip bendraujant su Marsu, kur atsakymo iš kitos pusės reikėtų laukti kelias minutes?
– Mėnulis yra palyginti arti, todėl ryšys su Žeme – beveik realaus laiko.
FTMC nuotr.
– „Artemis II“ optinį ryšį naudoja kartu su radijo ryšiu. Ar pastarasis čia yra mažiau pažangus?
– Jis nėra toks greitas. Esant blogesnėms sąlygoms radijo ryšys siekia vos 128 kilobitus per sekundę – tūkstantį kartų lėtesnis negu optinis ryšys. Todėl radijo ryšys realiu laiku leisdavo tik perduoti balso pranešimus (kaip telefonas su 2G ryšiu) ar telemetrijos komandas erdvėlaivyje esančiai įrangai. O norint perduoti vaizdo medžiagą, ją iš pradžių reikėdavo įrašyti ir tuomet siųsti kone visą dieną.
Tad „Orion“ įgula, naudodama optinį ryšį, mums greit atsiuntė jau 4K raiškos naujausių Mėnulio ir Žemės nuotraukų ir vaizdo įrašų, taip pat tiesiogiai transliavo Mėnulio vaizdą. Ši infraraudonojo lazerio technologija pavadinta „Orion Artemis II Optical Communications System (O2O)“.
– Paminėjote optinio ryšio privalumus kosmose. O kokie būtų trūkumai, jei jų yra?
– Didžiausias tokio kosminio optinio ryšio apribojimas yra jo jautrumas Saulės šviesai. Nors lazerinis ryšys teoriškai gali veikti ir dieną, Saulės spinduliuojamas foninis šviesos triukšmas stipriai apsunkina silpno signalo iš kosmoso priėmimą. Dėl to ryšys naktį yra daug patikimesnis. Būtent todėl lazerinio ryšio technologijų bandymai dažnai planuojami tada, kai Žemėje tamsu, o Saulės poveikis minimalus.
Žemės atmosferoje skriejantiems optinio ryšio palydovams Saulė problemų nesukelia, tačiau, kalbant apie atstumą iki Mėnulio ir dar toliau, kokybiškas signalas dienos metu tampa sunkiai įmanomas.
– Kaip pats vertinate tuos O2O optinio ryšio ir kitus bandymus? Kas nors nustebino, ar tiesiog viskas suveikė „tvarkingai“, taip, kaip ir reikėjo?
– „Artemis II“ misija mane labiausiai nustebino tuo, kaip skrupulingai jai buvo ruošiamasi ir kaip sklandžiai viskas vyksta dabar. 10 balų iš 10. Jeigu didžiausia aptariama problema yra užšąlantis erdvėlaivio tualetas, reiškia, viskas yra tikrai gerai (juokiasi).
Dėl optinio ryšio – matome, kad astronautai visą sukauptą informaciją puikiai spėja į Žemę perduoti per atsiveriančius tamsos „langus“.
– Jei gerai suprantu, dabartinis optinis ryšys (bent kol kas) yra technologija, labiau pritaikyta artimajam kosmosui. Dėl Jūsų paminėtos difrakcijos, skrendant į Marsą lazerio jau nepanaudosi?
– Tikrai taip. Siųsdami zondus bei robotus į Marsą, taip pat ir kitoms tolimoms misijoms NASA išbandė kitą technologiją, specialų radijo ryšį – vadinamąjį giliojo kosmoso tinklą (Deep Space Network, DSN).
Galima trumpai paminėti, kad iš viso NASA taiko tris komunikacijos sistemas. Viena iš jų – mūsų apkalbėtas optinis ryšys tarp Mėnulio ir Žemės, kuris, kaip pamatėme, gali veikti kokybiškai. Kitas būdas, naudojamas nuo senų laikų, yra artimojo kosmoso tinklas (Near Space Network, NSN), veikiantis 2 milijonų kilometrų atstumu nuo Žemės. Mūsų planetoje yra daugybė šio tinklo observatorijų, būna net tam pritaikytų laivų, plaukiojančių jūrose. Šį ryšį taip pat aptarnauja kosminiai palydovai.
O DSN aptarnauja tik kelios radijo antenos Žemėje, pasižyminčios didžiulėmis, kelių dešimčių metrų skersmens, „lėkštėmis“. Kaip minėjau, DSN buvo išbandyta su kai kuriais į tolimesnį kosmosą skriejusiais zondais, bet jų istorijoje dar nebuvo labai daug. Eksperimentai vyks ir toliau.
Bet DSN turėtų užimti svarbų vaidmenį, nes į Marsą keliausiantiems astronautams palaikyti nuolatinį ryšį su Žeme bus gyvybiškai reikalinga.
Įspūdingi kadrai: NASA pasidalino vaizdais iš „Artemis 2“ skrydžio aplink Mėnulį
