بررسی پروژه ی ارسال نور به فضا توسط ناسا

بررسی پروژه ی ارسال نور به فضا توسط ناسا

اهمیت استفاده از نور و لیزر در صنعت فضایی

استفاده از نور لیزر در صنعت فضایی یکی از فناوری‌های مهم و پیشرفته است که در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر به برخی از کاربردهای نور لیزر در صنعت فضایی اشاره می‌کنیم:
ارتباطات فضایی: لیزرها به عنوان منابع نوری با سرعت بالا در ارتباطات فضایی استفاده می‌شوند. از طریق امواج لیزری، می‌توان داده‌ها را با سرعت بالا و با کیفیت بالا بین فضاپیماها، ماهواره‌ها و سیستم‌های فضایی انتقال داد.
اندازه‌گیری و سنجش دقیق: لیزرها در صنعت فضایی برای اندازه‌گیری و سنجش دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند. با استفاده از تکنولوژی لیزر، می‌توان فاصله تا اجسام و ساختارهای فضایی را با دقت بالا و در فواصل بزرگ سنجش کرد.
نقشه‌برداری فضایی: لیزرها در فرآیند نقشه‌برداری و ساخت نقشه‌های دقیق از سطح ماه و سیارات مورد استفاده قرار می‌گیرند. با استفاده از سیستم‌های لیزری، می‌توان ساختارهای سه‌بعدی دقیق از محیط فضایی را ثبت و نقشه‌برداری کرد.
انتقال قدرت: لیزرها به عنوان یک روش پیشرفته برای انتقال قدرت بی‌سیم در فضا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فناوری به فضاپیماها و سیستم‌های فضایی امکان می‌دهد تا به صورت بی‌سیم از منابع تغذیه زمینی یا از سایر فضاپیماها و ماهواره‌ها برق دریافت کنند.

تاریخچه استفاده از لیزر برای شناسایی

ارسال نور به ماه، به عنوان یکی از دستاوردهای علمی و فناوری در زمینه اکتشاف فضا، در دهه ۱۹۶۰ میلادی آغاز شد. در این دهه، برنامه فضایی آمریکا به نام “آپولو” (Apollo) برای ارسال انسان به ماه آغاز شد. در طول این برنامه، بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۲، ۶ مأموریت فضایی آپولو انجام شد که در نهایت منجر به فرود فضانوردها بر روی سطح ماه شد.
در این مأموریت‌ها، نور به وسیله ی فلاش‌های فتوگرافی و تجهیزات نورسنجی به ماه ارسال می‌شد. این نورها به منظور ایجاد روشنایی کافی در مناطق تاریک و بررسی و ضبط تصاویر و فیلم‌ها استفاده می‌شدند. همچنین، از نور به عنوان یک ابزار اندازه‌گیری در برخی آزمایشات علمی نیز استفاده می‌شد.
علاوه بر برنامه آمریکا، برنامه‌های فضایی دیگری نیز در دهه‌های بعدی توسط کشورهای دیگر شروع شد. برای مثال، در سال ۱۹۷۰ روس‌ها برنامه لونا را آغاز کردند که هدف آن ارسال ماشین‌آلات تحقیقاتی به ماه بود.
از آن زمان به بعد، برنامه‌های فضایی و اکتشاف ماه توسط کشورها و سازمان‌های فضایی مختلف ادامه یافته است. امروزه، با پیشرفت فناوری و تکامل روش‌های ارتباطی و تصویربرداری، ارسال نور به ماه برای مطالعه علمی، استفاده‌های تجاری و حتی تجربیات گردشگری فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ده ها بار در دهه گذشته، دانشمندان ناسا پرتوهای لیزری را به بازتابی به فاصله ی ۳۸۵ هزار کیلومتری از زمین پرتاب کرده اند. آنها امروز با همکاری همکاران فرانسوی خود اعلام کردند که برای اولین بار سیگنالی را دریافت کردند، نتیجه ای دلگرم کننده که می تواند آزمایش های لیزری مورد استفاده برای مطالعه فیزیک جهان را تقویت کند.
دانشمندان از زمان آپولو از بازتابنده‌های روی ماه استفاده کرده‌اند تا درباره نزدیک‌ترین همسایه‌مان اطلاعات بیشتری کسب کنند. این یک آزمایش نسبتاً ساده است: یک پرتو نور را به سمت بازتابنده نشانه بگیرید و مدت زمان لازم برای بازگشت نور را محاسبه کنید. چندین دهه انجام این اندازه گیری منجر به اکتشافات بزرگی شده است.
آپولو ۱۱ و ۱۴ به ترتیب در سال های ۱۹۶۹ و ۱۹۷۱ تحویل داده شدند. هر کدام از ۱۰۰ آینه ساخته شده اند که دانشمندان آن را مکعب های گوشه ای می نامند، زیرا مانند گوشه های یک مکعب شیشه ای هستند.
مزیت این آینه ها این است که می توانند نور را به هر جهتی که از آن می آید منعکس کنند. پانل دیگری با ۳۰۰ مکعب گوشه توسط فضانوردان آپولو ۱۵ در سال ۱۹۷۱ رها شد. مریخ نوردهای روباتیک شوروی به نام لونوخود ۱ و ۲ که در سال های ۱۹۷۰ و ۱۹۷۳ فرود آمدند، دارای دو بازتابنده اضافی هستند که هر کدام ۱۷ آینه دارند. در مجموع، این بازتابنده‌ها آخرین آزمایش علمی کاری از دوران آپولو را تشکیل می‌دهند.

ناسا

آزمایش نمایش رله‌ی ارتباطات لیزری

یا بطور خلاصهLaser Communications Relay Demonstration آزمایش نمایش فناوری ناسا
بر روی ماهواره‌ی نیروی فضایی آمریکا، سوار شده است و ساعت۵:۱۹ روز ۷ دسامبر (۱۶ آذر) به وقت تهران ۱۳:۴۹ از پایگاه فضایی کیپ کاناورال به فضا رفت. این پرتاب پیش از این برای چند روز قبل برنامه‌ریزی شده بود، اما نشت سیستم ذخیره‌ی سوخت نفت سفید در سکوی پرتاب، باعث تأخیر دو روزه‌ی آن شد.
این ماموریت برای انجام مجموعه‌ای از آزمایش‌های دو ساله در مدار قرار گرفته است تا بررسی کند که چگونه پیوندهای ارتباطی نوری می‌توانند به بارگیری سریع‌تر حجم زیادی از اطلاعات نسبت به سیستم‌های ارتباطی سنتی کمک کنند.
ترودی کورتس مدیر نمایش فناوری اداره‌ی مأموریت‌های فناوری Trudy Kortes به گفته ی
هدف از این پروژه اثبات توانایی‌های نخستین آزمایش دوسویه‌ی کامل ناسا از یک سیستم ارتباطی است که می‌تواند داده‌ها را با سرعتی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از سیستم‌های پایه در فرکانس رادیویی فعلی منتقل کند. بارگیری نوری برای انتقال داده‌ها به ما با استفاده از لیزر، واقعا نمایش فناوری بزرگی در نوع خود است.

ساختار LCRD

از دو پایانه‌ی ارتباطی نوری و یک واحد سوییچینگ تشکیل شده است که به دستگاه امکان می‌دهد سیگنال را دریافت کند، داده‌ها را به فرستنده منتقل کند و سپس سیگنال را به مقصد بفرستد.
با لیزرهای فروسرخ کار می‌کند که با چشم انسان قابل مشاهده نیستند. LCRD
طول موج لیزرها ۱۰۰۰۰ برابر کوتاه‌تر از امواج رادیویی هستند و بدین ترتیب می‌توانند در پرتوهای باریک‌تری حرکت کنند. هرچند هنوز به قوانین فیزیک محدود هستند و با سرعت نور حرکت می‌کنند.
داده‌ها را بین ایستگاه‌های زمینی مأموریت ارسال می‌کند. LCRD آزمایش های اولیه
سال آینده، ناسا قصد دارد یک پایانه‌ی ارتباطات لیزری را به ایستگاه فضایی بین‌المللی در یک فضاپیمای باری تجاری بفرستد.
جسم متحرک امکان می‌دهد یک پیوند نوری را با یک LCRD به سامانه ی ISSدراین محموله
با سرعت ۸ کیلومتر بر ثانیه به دور زمین می‌چرخد، آزمایش کند. پایانه‌های لیزری در آزمایش فناوری فعلی، داده‌ها را با نرخ ۱٫۲ گیگابیت در ثانیه بارگیری می‌کنند و این سیستم قادر است داده‌ها را با نرخ مشابهی از ایستگاه فضایی دریافت کند.
برای بررسی دقیق تر اینکه ساختار این فضاپیما از چیست به مطلب زیر دقت فرمایید:
۱.بار مفید ارتباطات این بخش شامل ترمینال ارتباطات لیزری است که مسئول برقراری ارتباطات لیزری بین ماهواره و ایستگاه‌های زمینی است.
۲.ماهواره میزبان بار مفید ارتباطات را میزبانی می‌کند ماهواره میزبان ممکن است یک ماهواره تجاری باشد که توسط یک شرکت فضایی به این منظور ارائه می‌شود.
۳.تراشه‌ها و تجهیزات الکترونیکی: برای عملکرد ترمینال ارتباطات لیزری و تراشه‌ها و تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز برای پردازش و انتقال داده‌ها استفاده می‌شوند. این شامل تراشه‌های ارتباطات لیزری، تجهیزات سنجش و کنترل، مدارات الکترونیکی و سایر اجزا مرتبط است.
۴.ایستگاه‌های زمینی، یک زمین‌آماده شامل ایستگاه‌های دریافت و ارسال داده‌ها و سیستم‌های کنترل و پردازش مورد نیاز است. ایستگاه‌های زمینی با استفاده از تجهیزات لیزری متصل به ترمینال ارتباطات لیزری در ماهواره، ارتباطات لیزری را برقرار می‌کنند و داده‌ها را دریافت و ارسال می‌کنند.

LCRDهدف ماموریت

را آزمایش کند LCRD ناسا قصد دارد در طول مأموریت اولیه‌ی دو ساله کاربری‌های گوناگون
این کار به ناسا امکان می‌دهد تا بیاموزد که ارتباطات نوری در یک شبکه‌ی بزرگ‌تر چگونه عمل خواهد کرد. به گفته‌ی ناسا داده‌های آزمایشی شامل دورسنجی سلامت فضاپیما، داده‌های ردیابی و فرمان و نمونه داده‌های کاربری خواهد بود.
پیش از این ارتباط نوری مستقیم به زمین در سال‌های ۲۰۱۳ و ۲۰۱۴ توسط فضاپیمایی که به دور ماه می‌چرخید، آزمایش شده است. اما زمان آزمایش محدود بود زیرا محموله‌ی لیزری، یک هدف ثانویه در مأموریت به‌شمار می‌رفت. اکنون ناسا فرصت کافی برای نمایش عملیاتی این فناوری دارد و می‌تواند با انجام آزمایش‌های متنوع و جمع‌آوری داده‌های زیاد، مدل‌های فعلی را اصلاح کند.
گفته‌ی ناسا آزمایش ارتباطات لیزری راه را برای دیگر سازمان‌ها و شرکت‌ها هم باز می‌کند.
که پیش از استقرار شبکه‌ی استارلینک توسعه یافته بود، با پایانه‌های LCRD اما محموله‌ی
لیزری ناوگان اینترنتی اسپیس‌ایکس سازگار نیست. این آزمایش توسط مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا با پشتیبانی آزمایش پیرانش جت و آزمایشگاه لینکلن مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست هدایت می‌شود.

اثبات کاربرد خدمات رله ارتباطات نوری دو طرفه بین مدار ژئوسنکرون و زمین است. این پروژه از ارتباطات پیشرفته، ناوبری، و مناطق تمرکز کلیدی اکتشاف اویونیک پشتیبانی می کند. این تلاش فناوری ارتباطات نوری را در یک محیط عملیاتی ثابت می کند و نرخ داده را تا ۱۰۰ برابر سریعتر از سیستم های ارتباطی مبتنی بر فرکانس رادیویی امروزی ارائه می دهد. این نمایش عملکرد سیستم را در شرایط مختلف اندازه‌گیری و مشخص می‌کند، رویه‌های عملیاتی را توسعه می‌دهد، قابلیت اجرا برای ماموریت‌های آینده را ارزیابی می‌کند، و قابلیتی در مدار برای آزمایش و نمایش استانداردها برای ارتباطات رله نوری ارائه می‌کند. این قابلیت، اگر با موفقیت نشان داده شود، می‌تواند به سرعت در مأموریت‌های ناسا، سایر آژانس‌های فدرال، و سازندگان و اپراتورهای ماهواره‌ای ایالات متحده با توجه به افزایش تقاضا برای پهنای باند تزریق شود.

مشخصات لیزر

قطر این لیزر حدودا سه چهارم اینچ میباشد و با سرعت سیگنال های نوری با سرعت ۱.۲ گیگابیت در ثانیه را به ماه میفرستد. این میزان میتواند مساحتی به مقدار یک کیلومتر از روی ماه را روشن کند .وزن این لیزر حدودا نزدیک به یک تن است .این لیزر ۴۴ برابر کوچکتر از گیرنده های رادیویی هستند.

پرتاب LCRD

ابتدا قرار بود در سال ۲۰۱۶ با یک فضاپیمای ارتباطی تجاری پرتاب شود، اما ناسا محموله را به یک ماهواره‌ی متعلق به نیروی فضایی تغییر داد. تأخیر در ساخت فضاپیما پرتاب را تا اواسط سال ۲۰۲۱ به تعویق انداخت و پس از تغییر برنامه‌ی پرتاب اطلس ۵، این مأموریت به پایان سال موکول شد.سرانجام در ۷ دسامبر پرتاب شد.

منابع:

https://www.nasa.gov/directorates/stmd/tech-demo-missions-program/laser-communications-relay-demonstration-lcrd-overview/
www.youtube.com/watch?v=OAFkd5DdLZU
https://ieeexplore.ieee.org/document/7943819