NASA và ESA sẽ liên lạc với các vệ tinh không gian bằng tia laser
Kể từ khi tàu Sputnik được phóng vào năm 1957, hoạt động truyền thông liên lạc từ Trái Đất đến các vệ tinh trên quỹ đạo vẫn dựa vào sóng radio. Công nghệ này qua thời gian đã được cải tiến và trưởng thành, đạt độ tin cậy cao nhưng nó cũng đã dần đi đến giới hạn. Theo ước tính của NASA, lượng dữ liệu gởi đi đã tăng theo cấp số nhân trong nhiều thập kỷ qua. Các hệ thống truyền thông hiện tại bắt đầu cho thấy những điểm yếu và vì vậy NASA cùng Cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA) đang phát triển một giải pháp nhằm thay thế cho sóng radio. Cụ thể, vào tháng 10 tới, cả 2 cơ quan hàng không vũ trụ sẽ trình diễn hệ thống liên lạc mới với khả năng gởi nhận dữ liệu từ một vệ tinh thăm dò Mặt Trăng của NASA bằng tia laser.
Laser từ lâu đã được chứng minh khả năng truyền dẫn một lượng dữ liệu rất lớn trong sợi cáp quang. Các kỹ sư tin rằng nếu chúng có thể được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông vũ trụ, tia laser sẽ mang lại tốc độ truyền dẫn 622 Mb dữ liệu mỗi giây (622 Mbps). Một ưu điểm nữa của laser là nó sử dụng bước sóng nhỏ hơn rất nhiều so với sóng radio. Điều này có nghĩa tia laser có thể được phát dưới dạng một chùm tia hẹp và ăng-ten phát cũng nhỏ hơn so với ăng-ten radio với cùng cường độ tín hiệu. Đầu phát và đầu thu tia laser nhỏ hơn sẽ tiết kiệm nhiều chi phí chế tạo hơn. Thêm vào đó, độ hẹp của chùm tia laser cũng mang lại tính bảo mật cho giao tiếp.
Vào tháng 10, hệ thống truyền tin bằng tia laser sẽ được trình diễn với vệ tinh thăm dò khí quyển và môi trường bụi Mặt Trăng (LADEE) của NASA. Như tên gọi, nhiệm vụ của LADEE là nghiên cứu về bầu khí quyển gần như không tồn tại của Mặt Trăng và lớp bụi "bay" trên bề mặt Mặt Trăng bởi các điện tích tĩnh. LADEE được phát triển theo chương trình Modular Common Spacecraft Bus, theo đó NASA đã sử dụng một thiết kế tàu phổ biến để đẩy nhanh quá trình chế tạo và giảm giá thành. Một trong 4 thử nghiệm lớn đi kèm với LADEE là chương trình trình diễn khả năng liên lạc bằng laser với vệ tinh Mặt Trăng gọi tắt là LLCD.
Chương trình LLCD của NASA khá giống với dự án OPALS của ESA. Tuy nhiên, thay vì thử nghiệm khả năng truyền dẫn dữ liệu bằng laser lên trạm ISS trong khoảng cách vài trăm dặm thì LLCD sẽ thử nghiệm công nghệ trong cự ly 250 nghìn dặm. Các thí nghiệm bao gồm việc truyền dẫn hàng trăm triệu chùm tia laser từ hệ thống Lunar Lasercomm Space Terminal (LLST) lắp trên tàu LADEE. Hệ thống có trọng lượng 29,5 kg được phát triển bởi Viện công nghệ Massachusetts (MIT), bao gồm 3 mô-đun: một mô-đun quang học với kính thiên văn đường kính 10,1 cm lắp trên khớp các đăng bên ngoài tàu, một modem và một mô-đun điều khiển điện tử. Hệ thống sẽ bắn các tia laser hồng ngoại công suất 0,5 W về Trái Đất đồng thời nhận dữ liệu từ các trạm thiên văn mặt đất nhưng ở tốc độ chỉ 20 Mbps.
Các tín hiệu truyền dẫn sẽ được ghi nhận bởi 3 trạm mắt đất tại New Mexico, Califronia và Tây Ban Nha. Các trạm này sẽ sử dụng hệ thống Lunar Lasercomm Ground Terminal (LLGT) tương thích với LLST. Hệ thống bao gồm một loạt 8 kính thiên văn với đường kính từ 15,2 đến 43,1 cm.
Về phần ESA, cơ quan vũ trụ châu Âu sẽ sử dụng trạm quan sát mặt đất Optical Ground Station tại Tenerife, Tây Ban Nha. Để chuẩn bị cho lần thử nghiệm vào tháng 10, ESA đang tiến hành nâng cấp hệ thống LLGT của mình. LLGT của ESA bao gồm một hệ thống dò và giải mã mới, một thiết bị đo cự ly và truyền dẫn, tất cả đều đã được thử nghiệm thành công hồi tháng 7 vừa qua tại Zurich, Thụy Sĩ. Trong khi đó, NASA và MIT đã cung cấp một công cụ mô phỏng laser cho ESA nhằm giúp các kỹ sư tại đây thử nghiệm tính tương thích với hệ thống của Mỹ.
Zoran Sodnik, quản lý dự án Lunar Optical Communication Link của ESA cho biết: "Công tác kiểm tra đang được tiến hành theo kế hoạch và mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề nhưng chúng tôi sẽ sẵn sàng liên lạc với LADEE khi tàu được phóng vào giữa tháng 9 tới. Trạm thiên văn mặt đất của chúng tôi sẽ kết hợp với 2 trạm khác của NASA để liên lạc với LADEE theo sứ mạng thăm dò Mặt Trăng của tàu. Chúng tôi đang hướng đến mục tiêu trình diễn khả năng đáp ứng của công nghệ truyền tin quang học cho các sứ mạng trong tương lai đối với sao Hỏa hay mọi nơi khác trong hệ Mặt Trời."
Tàu thăm dò Mặt Trăng LADEE sẽ được phóng vào cuối năm nay bằng tên lửa đẩy NASA Minotaur V tại bệ phóng Wallops thuộc trung tâm không gian vũ trụ Goddard ở bang Virginia. Hoạt động thử nghiệm liên lạc bằng tia laser dự kiến sẽ được thực hiện vào giữa tháng 10, 4 tuần sau khi phóng tàu.
Theo NASA, việc sử dụng tia laser sẽ mang lại hiệu quả truyền dẫn dữ liệu tốt hơn, cho phép giao tiếp với tàu theo thời gian thực và thậm chí truyền tải video 3D phân giải cao. NASA đã đưa ra một so sánh rằng nếu sử dụng sóng radio băng tần S thì phải mất đến 639 giờ để truyền một bộ phim HD có độ dài tương đối trong khi công nghệ LLCD chỉ mất 8 phút.
