يقوم نظام اتصالات الليزر Artemis II التابع لناسا ببث فيديو بدقة 4K من القمر

كيف أرتميس الثاني يبث فيديو مذهل من القمر

بواسطة آدم بلوستين حرره اريك سوليفان

بينما تتجه مهمة Artemis II للتحليق بالقرب من القمر، تختبر وحدة طاقم أوريون واحدة من أكثر ترقيات ناسا طموحًا للاتصالات الفضائية حتى الآن: نظام يعتمد على الليزر يسمى O2O. اختصارًا لنظام الاتصالات الضوئية Orion Artemis II، يتوج O2O أكثر من عقدين من العمل الذي قامت به وكالة ناسا ومختبر لينكولن لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لبناء روابط أفضل ذات نطاق ترددي عالٍ للفضاء السحيق. تم تصميم النظام لإرسال البيانات إلى الأرض بسرعة تصل إلى 260 ميجابت في الثانية، وهو أعلى بكثير من الروابط اللاسلكية التي اعتمدت عليها المهام السابقة. العلمية الأمريكية تحدثت مع بعض مطوري النظام حول كيفية عمله.

فليكن هناك نور

يقول جريج هيكلر، نائب مدير برنامج SCaN (الاتصالات الفضائية والملاحة) التابع لناسا، والذي قام بتمويل نظام O2O: “منذ بداية وكالة ناسا، استخدمنا ما يسمى باتصالات الموجات الدقيقة، وهي ترددات في منطقة جيجاهيرتز عادة”. في الواقع، ستستخدم كبسولة طاقم أوريون هذه التكنولوجيا القديمة كنظام اتصالات أساسي، وتتصل مرة أخرى بشبكة الفضاء القريبة التابعة لناسا وشبكة الفضاء العميق للهوائيات الراديوية العملاقة المنتشرة في جميع أنحاء العالم.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

أمضت ناسا العقدين الماضيين في تطوير أنظمة الاتصالات البصرية. وباستخدام دفعات من ضوء الأشعة تحت الحمراء – بدلاً من الموجات الدقيقة – من الليزر لتشفير البيانات، يمكن لهذه الأنظمة نقل معلومات أكثر بكثير من الأنظمة التقليدية، ويمكنها في كثير من الأحيان القيام بذلك باستخدام جهاز أصغر حجمًا وأخف وزنًا.

لقد تم بالفعل التحقق من صحة المكونات الرئيسية لتصميم O2O في سلسلة من العروض التوضيحية التي يعود تاريخها إلى أكثر من عقد من الزمن. أظهر العرض التوضيحي للاتصالات بالليزر القمري في عام 2013 سرعات تنزيل قياسية من القمر إلى الأرض، في حين أن المهام الأحدث – مثل TeraByte Infrared Delivery (TBIRD) على CubeSat في مدار أرضي منخفض وتجربة الاتصالات البصرية في الفضاء العميق (DSOC) على المركبة الفضائية Psyche – دفعت وصلات الليزر إلى معدلات أعلى ومسافات أطول. منذ أكثر من عامين، تعمل محطة بصرية مماثلة تقريبًا لمحطة أوريون في محطة الفضاء الدولية. يقول هيكلر: “في كل حالة، قمنا بوضع أرقام قياسية جديدة لمعدلات البيانات”. “ستكون O2O جوهرة التاج الأخيرة لدينا في سلسلة العروض التوضيحية.”

ومن المتوقع أن يحقق O2O، الذي يبلغ حجمه حجم قطة منزلية تقريبًا، معدلات بيانات تصل إلى 260 ميجابت في الثانية وصولاً إلى الأرض و20 ميجابت في الثانية إلى أوريون. يقول هيكلر: “أعتقد أنك ستكون سعيدًا إذا كان هذا هو اتصال الإنترنت المنزلي الخاص بك”. عدم التطابق هو وظيفة جهاز الاستقبال البصري الأصغر بكثير الموجود على أوريون.

بالنسبة لمحادثات الفيديو ثنائية الاتجاه، يُترجم هذا إلى حوالي ثانية واحدة من تأخر الرحلة ذهابًا وإيابًا. يقول هيكلر: “إنه أمر ملحوظ، ولكن ليس ما يمكن أن أسميه عائقًا”. ستكون القدرة على إجراء محادثات ثنائية الاتجاه في الوقت الفعلي أمرًا أساسيًا مع انتقال برنامج Artemis إلى وجود بشري أكثر استمرارًا على القمر وحوله. يقول هيكلر: “فكر في ما تعنيه القدرة على إجراء مؤتمر عبر الفيديو مع عائلتك لرائد فضاء على القمر قد يكون في موقف مرهق”.

سيسمح خط المعلومات المعزز أيضًا للعلماء على الأرض بتلقي بيانات المهمة المهمة بانتظام من مسجل الرحلة بدلاً من الاضطرار إلى انتظار هبوط أوريون لاستعادتها. في المستقبل، يمكن أن يسمح الاتصال المستمر في الاتجاهين أيضًا للعلماء بقيادة المركبات الجوالة عن بعد ومراقبة البنية التحتية القمرية الحيوية.

جاهز، الهدف، النار

الليزر المستخدم في وحدة O2O ليس شيئًا فاخرًا بشكل خاص، كما هو الحال مع أشعة الليزر. يقول بريان روبنسون، قائد مجموعة الاتصالات البصرية والكمية في مختبر لينكولن بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي قام ببناء محطة O2O: “نحن نعتمد بشكل كبير على ما تستخدمه صناعة اتصالات الألياف في أجهزة الليزر وأجهزة الإرسال الخاصة بها”. وفي هذه الحالة، فهو عبارة عن ليزر أشباه الموصلات بنفس الأطوال الموجية غير المرئية للأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الاتصالات. تعمل مكبرات الألياف المشبعة بالإربيوم على تعزيز هذا الليزر إلى حوالي واط واحد من الطاقة الضوئية المنبعثة من الفتحة.

وبحلول الوقت الذي يصل فيه شعاع الليزر من أوريون إلى الأرض، على بعد حوالي 384400 كيلومتر، يكون قطره حوالي 6 كيلومترات. يقول روبنسون: “خذ مؤشر ليزر بفتحة تبلغ بضعة ملليمترات”. “على مسافة عشرات الأقدام (بضعة أمتار)، تبدو وكأنها نقطة صغيرة جدًا على الشاشة. ولكن إذا قمت بنشر ذلك عبر الفضاء، بعد قطع مسافة 400 ألف كيلومتر مثلنا، فسيكون أكبر بكثير من الشعاع الذي وصفته للتو.”

ومن القمر، يكون الهدف على مسافة 6 كيلومترات صغيرًا. يقول روبنسون: “إن التحدي التقني الأكثر أهمية للمهمة هو توجيه الليزر بدقة كافية”. تنقل وحدة O2O البيانات إلى المحطات الأرضية في نيو مكسيكو وكاليفورنيا، حيث يساعد الهواء الجاف والحد الأدنى من التغطية السحابية في الحفاظ على الارتباط. “في نهاية المطاف، لإظهار الارتباط، تحتاج إلى أن تكون الإشارة جيدة حتى جزء من الألف من الدرجة.”

ويتطلب ضرب هذه الأهداف بدقة معرفة مكان تواجد المركبة الفضائية أوريون بالضبط وكيفية توجيهها، وهو أمر ليس بالأمر السهل في الفضاء. بينما تشير أجهزة تتبع النجوم المثبتة على أوريون إلى المكان الذي تشير إليه المركبة، لا يمكن قياس وتصحيح الاختلالات المحتملة بين أجهزة تتبع النجوم ومحطة الاتصالات بالكامل إلا مرة واحدة في الفضاء. يقول روبنسون: “إننا نقيس بعناية مدى توافقنا مع متتبعي النجوم”. “ولكن حتى المسافة بين أجهزة تعقب النجوم ومحطة أوريون على متن المركبة الفضائية يمكن أن تسبب تشوهات بسبب درجة الحرارة وأشياء أخرى تقلل من قدرتنا على التوجيه.”

لتوجيه الليزر، يستخدم نظام O2O تلسكوبًا قطره 10 سنتيمترات مثبتًا على محورين، والذي يمكنه الدوران خلال نصف الكرة الكامل للحركة للوصول إلى هدفه. تعمل البصريات الخلفية – العدسات التي تركز الضوء، وأجهزة استشعار التتبع، ومرايا التوجيه السريع والمكونات الأخرى – على ضبط شعاع الليزر. يقول روبنسون: “طالما أن المركبة الفضائية توجهنا في النصف الأيمن من الكرة الأرضية، فيجب أن نكون جيدين”. ولكن هناك بعض المخاطر، بما في ذلك العوائق المحتملة من مصفوفات أوريون الشمسية أو جسم المركبة الفضائية، وعدم اليقين بشأن مدى قدرة المركبة على الحفاظ على اتجاه ثابت. يقول روبنسون: “نتوقع أنه في المرة الأولى التي نحاول فيها توجيه النظام، سنتعلم شيئًا عن السيارة لا يمكنك تعلمه حقًا حتى تكون هناك وتتنقل”.

سيكون هناك انقطاع قصير في جميع أنظمة الاتصالات عندما يمر أوريون خلف القمر. ولكن في مهمات أرتميس المستقبلية، يمكن أن تساعد الأقمار الصناعية في سد هذه الفجوة على الجانب البعيد من القمر.

ومع ذلك، بالنسبة للجمهور، فإن المردود الأوضح يظهر في الفيديو الأكثر وضوحًا الذي يرسله O2O إلى المنزل من كاميرات Orion البالغ عددها 28 كاميرا. ينقل النظام فيديو بدقة 4K إلى جانب الصور والبيانات العلمية والاتصالات الصوتية. يقول هيكلر: “الكاميرا هي المهمة”. “نريد أن نتأكد من أننا نرد الجميل للمواطنين الأمريكيين من خلال هذا الفيديو بدقة 4K.”