Wie sieht es mit der Laserkommunikation aus dem Deep Space aus?

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Wie versprochen mache ich mich gerade an die Aufsätze über die Raumsonden die in den letzten 1-2 Jahren gestartet sind, und über die es noch nichts gibt (mit Ausnahme von Curiosity, es sollen ja auch noch welche das Buch kaufen). Gerade bin ich bei LADEE und da ist eine der Hauptnutzlasten eine weitere Laser Communication Testumgebung. In einer verbesserten Form wird dieses auch bald auf einem Kommunikationssatelliten eingesetzt werden. Schon das nur 30 kg schwere Terminal an Bord von LADEE kann 622 MBit aus Mondentfernung senden. Ist damit das Problem der geringen Datenraten für Deep Space Missionen gelöst?

Leider noch nicht. Derzeit können wir 10 Gigabit/s mit Lasern aus dem GEO Orbit übertragen. Das klingt beeindruckend, doch aus Marsentfernung ist es noch 100 Bit/s und aus Pluto Entfernung 0,25 Bits/s. Kurzum, man braucht 40 db mehr.

Wie kommt man zu 40 db mehr?

Nun zum einen natürlich durch die gleichen Dinge mit denen man auch bei Radiowellen mehr Daten übertragen kann. Die Sendeantenne eines Kommunikationssatelliten ist etwa 1 m groß, die Empfangsantennen bei Enduserrn nur 0,6 m. Cassini überträgt zwar nicht 30 Megabit pro Sekunde wie ein Kommunikationssatellit pro Kanal, sondern nur 134 kbit/s, aber aus Saturnentfernung: rund 40.000 mal weiter weg. Dafür ist die Sendeantenne 4 m groß und die Empfangsantenne 70 m. Dazu kommen speziell gekühlte und besonders empfindliche Empfänger, bzw. in Senderichtung sendet man mit 10-400 kW Leistung, ja Kilowatt nicht Watt.

Überlegen wir mal wie wir vom LLCD an Bord von LADEE zu einem leistungsfähigeren System kommen. Hier die Daten von LLCD.

Parameter LADEE
Sendefrequenz 193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge
Datenrate Mondentfernung 622 MBit Downlink, 20 MBit uplink
Sendeleistung 0,5 Watt
Durchmesser Sendeantenne 0,10 m
Durchmesser Empfangsantenne 4 x 0.4318 m
Datenrate in Marsentfernung (200 Millionen km) 2,5 kbit/s
Datenrate in Saturnentfernung (1500 Millionen km) 44 bit/s

 

Sehr deutlich wird dass die Datenrate drastisch abfällt. Doch wundert dies so sehr? Die Empfangsantenne ist so groß wie eine Parabolantenne für Satellitenfernsehen, die Sendeantenne gerade mal 10 cm groß mit einer Leistung von 0,5 Watt.

Schauen wir was wir realistisch erreichen können, bei vertretbaren Kosten bzw bei der Raumsodne mit vetretebarem Gewicht, denn Teleskope iwegen mehr als Antennen für Radiowellen die man sogar aus metallbeschichteter Folie machen kann. Wenn wir ein Deep Space Network für optische Kommunikation aufbauen wollen, sollte man auch entsprechende Summen investieren. Beim LLCD sind die Empfangsteleskope 40 cm groß, das ist eine Größe die sich ein Amateur leisten kann (Kosten etwa so viel wie ein Kleinwagen). Für die letzte 35 m Empfangsantenne hat die ESA 30 Millionen Euro ausgegeben. Dafür würde man ein astronomisches Teleskop der 3-4 m Klasse bekommen. es ginge sogar noch größer, weil anders als bei astronomischen Teleskopen die Anforderungen an Ausrichtung, Nachführung und Auflösung viel geringer sind. Es müssen nur die Photonen alle gesammelt werden, aber keine hohe Winkelauflösung muss erreicht werden. Einfache sphärische Spiegel würden ausreichen. Eine Untersuchung fpr den Mars Communication Orbiter zeigte, dass zusammen mit anderen Faktoren man so die Baukosten um den Faktor 3-5 reduzieren könnte. Dann bekäme man für diese 30 Millionen Euro ein Teleskop der 8 m Klasse. Das erhöht gegenüber dem Terminal von LLCD schon die Datenrate um den Faktor 100.

Dann gibt es noch das Space Segment. Hier wiegt das gesamte System bei LLCD nur 30 kg. Das ist wenig. Noch weniger entfällt auf das Teleskop das nur 10 cm Größe hat. der Großteil des Gewichts entfällt auf die Mechanik, die das Teleskop präzise ausrichtet und die Elektronik. Dieser Anteil ist jedoch weitgehend konstant wenn das Teleskop größer wird. Für den Mars Communiation Orbiter war ein 30,5 cm Teleskop mit 10 Watt Sendeleistung geplant. Das ergibt einen 3,05 mal schmaleren Sendewinkel und es ist die zwanzigfache Sendeleistung. Zusammen ergibt das einen weiteren Faktor 180.

Nimmt man beide Faktoren zusammen so ist man bei der Steigerung um den Faktor 18.000. Also ist man bei 45 Mbit aus Marsentfernung und 800 kbit aus Saturnentfernung mithin mehr als heute mit Raumsonden erreichbar ist. Der Mars Communication Orbiter sollte mit einer kleineren Empfangsstation selbst aus größter Marsentfernung (400 Millionen km) noch etwa 3-5 Millionen Bit/s übertragen können.

Im Bodensegment scheint es sogar attraktiver zu sein, nicht ein großes sondern viele mittelgroße Teleskope einzusetzen. Sie sind zum einen preiswerter, da dann auch eine Serienbauweise vorliegt die Signale werden dann mit Glasfasern zusammengeführt. Im kleinen Maßstab erprobt dies schon das LLCD Terminal, denn da werden vier Teleskope zusammengeschaltet. Es ist bei kleinen Teleskopen aber auch möglich eine Sonnenblende anzubringen und damit das Signal einer Raumsonde zu verfolgen bis sie nahe der Sonne ist. Das ist auch noch das Hauptproblem: Laserkommunikation funktioniert zwar auch bei Tag, da man nur die zusätzlichen Photonen gegenüber dem Hintergrund detektiert, doch je stärker dieser Hintergrund wird, sprich je näher man der Sonne kommt, desto schwerer wird dies.

Die letzte Möglichkeit, die man hat, ist die Quanteneffizienz zu verbessern. Heute ist man im Bereich von etwa 8-10 Photonen pro Bit. Es scheint möglich zu sei,n wirklich ein Bit pro Photon zu übertragen. Wendet man Modulationsverfahren an so sind sogar 5 Bits pro Photon denkbar. Das gäbe nochmals einen weiteren Faktor 10.

Alles in Allem wird man zwar nicht die theoretisch mögliche 10.000 fache Datenrate von Radiowellen erreichen, weil die für die gleichen Bedingungen gilt (beim Beispiel Cassini z.B. ein 4 m Teleskop mit 100 Watt Sendeleistung und ein 70 m großes Empfangsteleskop), aber doch immerhin mehr als das zehnfache was man heute mit gleichem Mitteleinsatz (finanziell bzw. bei der Raumsonde hinsichtlich des Gewichts) erreicht.

Ab morgen erfahrt ihr dann in einigen Teilen mehr von LADEE, ihr dürft schon mal raten was SpaceX mit diesem Mondorbiter zu tun hat….

Quellen:

Overview of NASA’s Laser Communications Relay Demonstration April 2012

MLCD: Overview of NASA’s Mars Laser Communications Demonstration System

The Mars Laser Communication Demonstration

Overview and Status of the Lunar Laser Communication Demonstration.pdf

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