Die Sache mit der optischen Datenübertragung

Ebenso lange, wie Ionentriebwerke als Antrieb postuliert werden, denkt man über optische Datenübertragung nach und in den letzten Jahren gab es da auch vermehrt Ansätze. Allerdings beschränkt auf den Erdorbit. Was mich viel mehr interessiert, ist natürlich, wie es bei der interplanetaren Kommunikation aussieht, denn natürlich ist die Datenrate bei Raumsonden ein wichtiger Parameter.

Fangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems: Continue reading „Die Sache mit der optischen Datenübertragung“

Tune me up – eine bessere Kommunikation im Kuipergürtel

Ein Grund warum man nach dem Vorbeiflug von New Horizons so wenige Bilder von Pluto sieht, auch in den tagen vorher ist das Kommunikationssystem der Sonde. New Horizons hat eine Hauptantenne von 2,1 m Durchmesser und einen Sender von 12 Watt Leistung. Ihre Datenrate ist daher kleiner als die der Voyagers (3,66 m durchmessende Antenne, 23 Watt Sender). Je nach Quelle hat sie bei Pluto eine Datenrate von 1-2 KBit pro Sekunde. Komprimiert man nicht, so braucht ein LORRI Bild mit 8,368 MBit so über zwei Stunden zur Übertragung, Das Datensystem wurde auf eine Datenrate von 600 Bit in 36 AE Entfernung ausgelegt. Verbesserungen im Bodennetzwerk seit der Entwicklung vor 12 Jahren Start lassen eine etwas höhere Datenrate zu.

Die Sonde hat nur wenig Zeit die Objekte zu untersuchen. Pluto füllt das Kamerafeld der Telekamera LORRI erst 469.000 km vor der Begegnung, das sind 9 1/4 Stunden vor dem Vorbeiflug und bei der Farbkamera Ralph ist es sogar erst in 23.217 km Entfernung, das ist 13 Minuten vor dem Vorbeiflug der Fäll. So arbeitet die Sonde seit dem 13.Juli ein Jahre vorher festgelegtes Messprogramm ab, das nach den Plänen die veröffentlicht wurden, 107,8 GBit Messdaten erzeugt. Continue reading „Tune me up – eine bessere Kommunikation im Kuipergürtel“

Die interplanetare Laserkommunikation

Technisch gesehen ist es ja relativ einfach:  Laserkommunikation ist enormen Faktor effektiver als die Kommunikation mit Radiowellen. Hervorgehoben werden zwei Dinge. Das eine ist das die Bandbreite viel höher ist. Kommunikationssatelliten haben typischerweise einen 30 MHz Bereich pro Transponder. Bei 2 GHz die man pro Frequenzband frei hat, sind das dann nicht mal 70 Transponder und diesen Bereich darf meistens ein Satellit nicht alleine nutzen. Laserkommunikation erfolgt dagegen im nahen Infrarot bei 1000-1500 nm Wellenlänge, was einer Frequenz von 200 bis 300 Teraherz entspricht. Ein genutzter Bereich von 1 nm entspricht dann 132 GHz, also rund das 4000-fache des 30 MHz Bandes.

Das zweite ist das ein Laser viel stärker fokussiert werden kann, dass beim Empfänger mehr Photonen pro Flächeneinheit ankommen. Für die Satelliten im geostationären Orbit würde dies z.B. heißen dass man sie näher zusammenrücken kann ohne das sie sich stören. Entsprechend braucht man auch einen kleineren Empfänger (hier Teleskop, anstatt Radioantenne) Erstaunlicherweise gibt es kaum Informationen über die Eignung dieser Technologie für interplanetare Kommunikation. Continue reading „Die interplanetare Laserkommunikation“

Kommunikation über interstellare Distanzen

Nun um die Frage schnell zu beantworten: natürlich, es kommt nur auf die Datenrate an. Doch betrachten wir es genauer. Nehmen wir an, wir haben eine interstellare Raumsonde entwickelt, wie müsste ihr Sendesystem aussehen, damit sie beim nächsten Stern, Alpha Centauri in 4,3 Lichtjahren Entfernung noch mit 1 Bit/s senden kann?

Zuerst mal zu den Grundlagen. Die sind relativ einfach:

  • Die Datenrate ist proportional zur Sendeleistung: das ist relativ einfach bei doppelter Leistung entfallen bei doppelt so vielen Bits die gleiche Energie pro Bit
  • Die Datenrate steigt quadratisch zum Durchmesser der Empfangsantenne: Die Fläche steigt im Quadrat und damit auch die Leistung die empfangen wird.
  • Die Datenrate steigt quadratisch zum Durchmesser der Sendeantenne: Diese hat parabolische Form. Je größer sie ist, so kleiner ist der Raumwinkel. Doppelter Durchmesser = Halber Raumwinkel. Bei einem halbierten Raumwinkel verteilt sich die Sendeleistung auf ein Viertel der Fläche. Also kann man bei gleicher Leistung pro Bit viermal so viele Daten senden.
  • Die Datenrate steigt quadratisch zur Sendefrequenz: Die Bündelung ist auch von der Sendefrequenz abhängig. Daher kann man auch mit Licht viel mehr Daten übertragen als mit Radiowellen. Aus demselben Grund werden seit Beginn der Raumfahrt immer höherfrequente Frequenzbänder eingesetzt.
  • Bei doppelter Entfernung sinkt die Datenrate auf ein Viertel, da sich die Senderleistung über eine vermal höhere Fläche verteilt Continue reading „Kommunikation über interstellare Distanzen“

Kommunikation über interstellare Distanzen

Ich bin doch noch auf ein Thema gekommen, dass vielleicht den einen oder anderen interessiert. Kann man über interstellare Distanzen miteinander kommunizieren?

Nun man kann das sich exakt ausrechnen, ich habe da auch eine Formel von Ruppe aus den frühen Achtzigern. Sie liefert aber etwas niedrige Datenraten, wenn man sie auf bekannte Systeme von Raumsonden/Empfänger anwendet. Daher versuche ich mal eine Extrapolation aus bekannten Daten. Zuerst mal die Fakten:

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