Lasertechnologie nutzen, um NASA-Missionsdaten zur Erde zu übertragen

Die NASA startet Satelliten, Rover und Orbiter, um die Position der Menschheit in der Milchstraße zu erforschen. Wenn diese Missionen ihre Ziele erreichen, erfassen ihre wissenschaftlichen Instrumente Bilder, Videos und wertvolle Einblicke in den Kosmos. Kommunikationsinfrastruktur im Weltraum und am Boden ermöglicht es, die von diesen Missionen gesammelten Daten zur Erde zu übertragen. Ohne Bodenstationen zum Empfangen wären die außergewöhnlichen Daten, die diese Missionen erfassen, im Weltraum gefangen und könnten Wissenschaftler und Forscher auf der Erde nicht erreichen.

Seit Anbeginn der Weltraumforschung haben NASA-Missionen primär auf Funkfrequenzkommunikation für diese Informationsübertragung gesetzt. Die weltraumgestützte Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) der NASA wird Laserkommunikation demonstrieren – eine revolutionäre Art, Daten vom Weltraum zum Boden zu kommunizieren.

LCRDs Bodenstationen, bekannt als Optical Ground Station (OGS) -1 und -2, befinden sich auf Table Mountain, Kalifornien, und Haleakalā, Hawaii. Diese abgelegenen, hochgelegenen Standorte wurden wegen ihrer klaren Wetterbedingungen gewählt. Während Laserkommunikation erhöhte Datenübertragungsraten bieten kann, können atmosphärische Störungen wie Wolken und Turbulenzen Lasersignale stören, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten.

„Durch die lokale Meteorologie gibt es minimalen Staub und weniger atmosphärische Turbulenzen auf dem Berggipfel, was großartig für Laserkommunikation ist“, sagte Ron Miller vom NASA Goddard Space Flight Center. „Es sind etwa 3.000 Meter hoch, also über einem großen Teil der Atmosphäre und des Wetters, das unterhalb des Gipfels auftritt. Es ist sehr häufig, einen schönen sonnigen Tag oben zu haben und es um die Mitte des Berges herum bewölkt zu sein.“

NASA-Kommunikationsingenieure wählten diese Standorte, weil ihre Wettermuster sich typischerweise ergänzen. Wenn OGS-1 in Kalifornien bewölkt ist, ist OGS-2 in Hawaii tendenziell klar – und umgekehrt. Um die Wolkenbedeckung zu überwachen und zu bestimmen, welche Station genutzt werden soll, stellte der kommerzielle Partner Northrop Grumman eine atmosphärische Überwachungsstation bereit, die die Wetterbedingungen auf Haleakalā beobachtet. Diese Überwachungsstation läuft fast autonom 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche. OGS-1 verfügt über ähnliche Wetterüberwachungsfunktionen auf Table Mountain.

Trotz des meist klaren Wetters an diesen Standorten müssen NASA-Ingenieure dennoch daran arbeiten, die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen auf die von OGS-1 und OGS-2 empfangenen Daten zu reduzieren. Dazu nutzen beide Stationen die Kraft adaptiver Optik.

„Ein adaptives Optiksystem verwendet einen Sensor, um die Verzerrung des elektromagnetischen Signals zu messen, das vom Raumfahrzeug herunterkommt“, sagte Tom Roberts, Leiter der OGS-1-Entwicklung und -Operationen am NASA Jet Propulsion Laboratory in Südkalifornien. „Wenn wir diese Verzerrung messen können, können wir sie durch einen deformierbaren Spiegel senden, der seine Form ändert, um die Aberrationen zu entfernen, die die Atmosphäre induziert. Das ermöglicht uns ein schönes, sauberes Signal.“

Während OGS-2 speziell für die LCRD-Mission entwickelt wurde, basiert OGS-1 auf JPLs Optical Communications Telescope Laboratory, das für frühere Laserkommunikationsdemonstrationen genutzt wurde. Um OGS-1 für LCRD-Unterstützung vorzubereiten, mussten Ingenieure die Bodenstation aufrüsten. Ein solches Upgrade beinhaltete den Austausch der Spiegel für bessere Reflektivität und höhere Laserleistung.

Vor der Missionsunterstützung wird LCRD etwa zwei Jahre Tests und Experimente durchführen. Während dieser Zeit fungieren OGS-1 und OGS-2 als simulierte Benutzer, die Daten von einer Station zu LCRD und dann zur nächsten senden. Diese Tests ermöglichen es der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft, von LCRD zu lernen und die Technologie für zukünftige Implementierungen von Laserkommunikationssystemen weiter zu verfeinern. Nach der Experimentierphase wird LCRD Weltraummissionen unterstützen. Missionen wie ein Terminal auf der Internationalen Raumstation werden Daten an LCRD senden, das diese dann an OGS-1 oder OGS-2 weiterleitet.

LCRD ist eine mitgeführte Nutzlast auf dem Space Test Program Satellite-6 (STP-Sat-6) des Verteidigungsministeriums. Obwohl LCRD eine Laserkommunikationsnutzlast ist, wird das Raumfahrzeug weiterhin eine Funkfrequenzverbindung zum Boden haben. Das Payload to Ground Link Terminal (PGLT) am White Sands Complex in der Nähe von Las Cruces, New Mexico, wird Tracking-, Telemetrie- und Befehlsdaten über Funkwellen an das Raumfahrzeug kommunizieren. Die NASA verwaltet LCRDs Bodenelemente – OGS-1, OGS-2 und PGLT – vom LCRD Mission Operations Center in White Sands aus.

„Das Mission Operations Center ist das zentrale Gehirn des LCRD-Systems“, sagte Miriam Wennersten, LCRDs Ground Segment Manager bei NASA Goddard. „Es koordiniert die Konfiguration der Nutzlast und aller drei Bodenstationen gleichzeitig, plant die verschiedenen optischen Dienste und Links.“

Ohne Bodeninfrastruktur würden außergewöhnliche Wissenschafts- und Erkundungsdaten nicht zu Forschern auf der Erde gelangen. LCRDs Bodensegment wird entscheidend für den Missionserfolg sein und Ingenieuren die Möglichkeit geben, Laserkommunikation zu testen und zu verfeinern. Im Gegenzug wird LCRD ein neues Zeitalter der Laserkommunikation einläuten, in dem Missionen beispiellosen Zugang zu Erkenntnissen aus Satelliten und Sonden im Weltraum haben werden.