Resumen:
En el pasado, el personal de tierra tenía que esperar de cuatro a cinco minutos para que se enviara una fotografía panorámica de la luna en ultra alta definición de 8K desde la órbita lunar. Hoy en día, la misma foto se puede enviar en unos 12 segundos. Lo que provocó este cambio fue la prueba de comunicación láser bidireccional de alta velocidad Tierra-Luna recientemente completada. Esta prueba estableció un enlace láser estable y de alta velocidad entre la Tierra y la Luna a una distancia de 400.000 kilómetros, lo que equivale a establecer una "autopista de información" entre la Tierra y la Luna.
Diagrama esquemático de comunicación láser bidireccional en la escala Tierra-Luna. Fuente de la imagen: Centro de Tecnología e Ingeniería de Aplicaciones Espaciales, Academia de Ciencias de China
¿Cuáles son las ventajas de las comunicaciones láser cis-lunares? ¿Qué dificultades técnicas hay que superar para lograr una comunicación láser bidireccional entre la Tierra y la Luna? ¿Qué cambios seguirán? Centrándose en estos temas, el 1 de septiembre, periodistas del Science and Technology Daily entrevistaron a expertos relevantes.
Primera pregunta: ¿Cuáles son las ventajas de la comunicación láser Tierra-Luna?
La comunicación por radiofrecuencia tradicional se basa en ondas de radio, mientras que la comunicación por láser utiliza la transmisión de ondas de luz, que en principio está más cerca de la banda ancha de fibra óptica. Las mayores ventajas de la comunicación láser son el gran ancho de banda y la alta velocidad. Cuando el equipo instalado en el satélite es similar en tamaño, peso y consumo de energía, la velocidad de la comunicación láser puede ser de 10 a 100 veces más rápida que la comunicación tradicional por microondas.
"La radiofrecuencia es como una autopista normal con carriles limitados y fácil saturación del tráfico; el láser es como una autopista de varios carriles, que puede transmitir una cantidad mucho mayor de datos al mismo tiempo". Yang Lei, investigador del Centro de Ingeniería y Tecnología de Aplicaciones Espaciales de la Academia de Ciencias de China, explicó que a la distancia entre la Tierra y la Luna, la comunicación tradicional por radiofrecuencia es muy difícil de transmitir vídeo de alta definición o datos científicos masivos, mientras que la comunicación láser puede hacer el trabajo fácilmente.
Otro beneficio de la comunicación láser es que no es fácil filtrar secretos. El rayo láser está especialmente concentrado y no se "transmite" como las ondas de radio. La energía no viaja a todas partes, lo que dificulta que otros intercepten la señal a mitad de camino. "El láser es como una linterna, brilla dondequiera que brille. El microondas es más como una transmisión por altavoz, con un gran alcance, pero todos pueden oírlo". Dijo Yang Lei vívidamente.
Segunda pregunta: ¿Qué problemas hay que superar en 400.000 kilómetros de comunicación láser bidireccional?
400.000 kilómetros equivalen a 10 vueltas alrededor del ecuador terrestre, y la luz tarda más de 1 segundo en viajar desde la Luna a la Tierra. Para lograr una comunicación láser bidireccional a una distancia tan larga, tenemos que superar tres obstáculos: señal débil, dificultad para apuntar y transmisión lenta.
Aunque el rayo láser está concentrado en una dirección, aún se extenderá mucho después de viajar 400.000 kilómetros. Cuando llegue al telescopio terrestre, es posible que solo tenga un poco de lo que era cuando fue lanzado y se debilitará mucho. El extremo receptor terrestre debe utilizar un detector altamente sensible para "reconocer" los fotones débiles del ruido de fondo. "Con este fin, construimos un conjunto de detectores de fotón único con nanocables superconductores. Es como un 'ojo' ultrasensible que puede capturar fotones. Tiene muy poco ruido y responde muy rápidamente. Junto con un algoritmo de procesamiento de señales de desarrollo propio, incluso si la señal es tan débil que casi queda 'ahogada' por el ruido, se puede 'sacar' de muchas interferencias". Dijo Yang Lei.
Al mismo tiempo, el rayo láser es muy estrecho, la Tierra y la Luna se mueven constantemente y la propia plataforma del satélite también vibra ligeramente. Las estaciones terrestres y los satélites siempre deben estar alineados con precisión; si están ligeramente desviados, es posible que el enlace esté roto. Yang Lei hizo una analogía: "Esto equivale a apuntar un rayo láser desde Beijing a un pequeño punto en movimiento en la luna y mantenerlo bloqueado".
Fuente de la imagen: Visual China
Para resolver este problema, el equipo de investigación ideó varias formas: primero, calcular con precisión la órbita del satélite y predecir la posición de antemano, de modo que los telescopios de ambos lados sepan hacia dónde apuntar y no pierdan el objetivo; en segundo lugar, la estación terrestre combina varios rayos láser en uno y los envía. y luego corregir la dirección en tiempo real de acuerdo con los cambios de temperatura y ángulo de elevación para garantizar un aterrizaje estable en el satélite; en tercer lugar, se realiza un fuerte aislamiento óptico en los extremos transmisor y receptor para evitar que el potente láser emitido cegue el detector, de modo que la recepción y recepción simultáneas de señales luminosas no interfieran entre sí.
Se ha recibido la señal y la velocidad de transmisión debe mantenerse. La dificultad es que estos fotones no llegan en una cola regular, sino que son escasos e intermitentes. Para reunirlos en información completa, la hora debe ser muy precisa, con una precisión del nivel de picosegundos. ¿Cuál es el concepto de picosegundo? Una billonésima de segundo, que es incontables veces más corto que el tiempo que tardas en parpadear. El equipo ha desarrollado especialmente un reconocimiento de tiempo a nivel de picosegundos y una tecnología de procesamiento de comunicación de gran ancho de banda, lo que equivale a asignar una "marca de tiempo" súper precisa a cada fotón, de modo que puedan ensamblarse sin problemas y sin ningún caos.
Pregunta 3: ¿Cómo ayudará esta tecnología a futuras misiones de exploración lunar y del espacio profundo?
"En el futuro, construiremos una estación internacional de investigación científica lunar y llevaremos a cabo varios experimentos (pruebas) científicos en ella. Estos experimentos (pruebas) científicos generarán cantidades masivas de datos. La forma en que se pueden transmitir los datos a la Tierra siempre ha sido un cuello de botella en las comunicaciones que restringe el progreso de la investigación científica. Este avance tecnológico es de gran importancia para romper el cuello de botella". dijo Wang Qiang, subdirector del Centro de Tecnología e Ingeniería de Aplicaciones Espaciales de la Academia de Ciencias de China.
Más importante aún, la distancia entre la Tierra y la Luna es solo el punto de partida. Yang Lei dijo que las tecnologías como el seguimiento de alta precisión, la detección de señales débiles y el procesamiento de señales de fotón único de alta velocidad verificadas esta vez pueden extenderse aún más a Marte, asteroides e incluso otras misiones en el espacio profundo, y apoyarán eficazmente la exploración del espacio profundo de mi país para lograr resultados científicos más originales.
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