Intersatellietlaserlink
Stel je twee satellieten voor die duizenden kilometers uit elkaar rond de aarde razen, elk met een snelheid van pakweg 27.000 kilometer per uur. Toch weten ze elkaar te vinden en gegevens uit te wisselen alsof er een onzichtbare glasvezelkabel tussen hen hangt. Dat is in de kern wat een intersatellietlaserlink doet: in plaats van radiogolven gebruiken de satellieten een nauw gebundelde lichtstraal, vergelijkbaar met een laserpointer, om data naar elkaar te \"schieten\". Geen kabel, geen atmosfeer die in de weg zit, alleen een vacuüm en twee spiegeltjes die elkaar millimeterprecies moeten blijven aankijken.
Waarom niet gewoon radiogolven gebruiken, zoals satellieten al decennia doen? Omdat licht een veel hogere frequentie heeft dan radiogolven, past er simpelweg veel meer informatie per seconde doorheen \u2014 vergelijkbaar met het verschil tussen een smal bergpaadje en een brede snelweg. Bovendien is licht heel moeilijk af te luisteren of te storen, omdat de bundel zo smal is dat je er letterlijk pal in de weg moet staan om iets op te vangen. Intersatellietlaserlinks zijn daardoor niet zomaar een technisch hulpmiddel, maar een sleuteltechnologie voor de volgende generatie ruimtevaart en connectiviteit.
Wat is het precies?
Een intersatellietlaserlink bestaat uit twee \"optische terminals\": kastjes met een kleine telescoop, spiegels en een lasersender en -ontvanger, gemonteerd op elke satelliet. Beide terminals moeten elkaar eerst vinden in de duisternis van de ruimte. Dat proces heet \"pointing, acquisition and tracking\" (richten, opsporen en volgen): de satellieten weten ruwweg waar de ander zich bevindt op basis van baangegevens, draaien hun terminal die kant op en zoeken vervolgens met een iets breder lichtsignaal totdat ze elkaar \"zien\". Daarna verfijnen ze de richting tot een bundel die soms maar enkele microradialen breed is \u2014 te vergelijken met vanaf Amsterdam een muntstuk in Rotterdam precies raken.
Omdat beide satellieten razendsnel bewegen en ten opzichte van elkaar ook nog eens verschuiven, moeten de spiegels continu razendsnel bijsturen. Kleine, snel bewegende \"fast steering mirrors\" corrigeren duizenden keren per seconde de richting. Er is bovendien een dopplereffect: doordat satellieten elkaar naderen of verwijderen, verschuift de golflengte van het licht net zoals een ambulancesirene van toon verandert als hij passeert. De ontvangende terminal moet daarvoor corrigeren.
De laser zelf werkt meestal met infrarood licht, vaak rond een golflengte van 1550 nanometer \u2014 dezelfde band die ook in gewone glasvezelnetwerken op aarde wordt gebruikt, wat handig is omdat er al veel betaalbare, beproefde apparatuur voor bestaat. Het signaal wordt gemoduleerd (gecodeerd) door de lichtintensiteit of -fase heel snel te laten variëren, zodat er enen en nullen in \"passen\". Een groot voordeel ten opzichte van laserverbindingen tussen een satelliet en de grond: in de ruimte zelf is geen atmosfeer, dus geen wolken, regen of luchtturbulentie die de bundel verstoren. Dat maakt links tussen twee satellieten in de praktijk betrouwbaarder dan een laserverbinding naar een grondstation.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is meer capaciteit. Radiofrequenties voor satellietcommunicatie zijn wereldwijd schaars en streng gereguleerd; er is simpelweg een limiet aan hoeveel operators er tegelijk radiospectrum kunnen gebruiken zonder elkaar te storen. Licht kent die schaarste veel minder, waardoor laserlinks in potentie veel hogere datasnelheden mogelijk maken zonder gevecht om frequentievergunningen.
Een tweede doel is het bouwen van een \"mesh-netwerk\" in de ruimte: satellieten die onderling data doorgeven zonder dat elk signaal eerst naar een grondstation moet. Dat is vooral nuttig boven oceanen, de polen of afgelegen gebieden waar geen grondstations staan. Data kan dan van satelliet naar satelliet \"springen\" tot die een satelliet bereikt die wél boven een grondstation hangt, wat de vertraging (latency) verkleint en dekking overal ter wereld mogelijk maakt.
Een derde toepassing is dataverbinding tussen lagere satellieten (in een lage baan, LEO) en relaissatellieten hoog boven de aarde (in een geostationaire baan, GEO), die vervolgens naar één vaste grondlocatie kunnen zenden. Dat is aantrekkelijk voor aardobservatiesatellieten, die enorme hoeveelheden beeldmateriaal verzamelen en die data snel en continu naar de grond willen krijgen, ook als ze net niet boven een grondstation vliegen. Tot slot spelen laserlinks een rol bij afluisterbestendige communicatie: omdat de bundel zo smal is, is onderschepping veel lastiger dan bij radiosignalen die zich in alle richtingen verspreiden \u2014 relevant voor zowel civiele beveiliging als defensietoepassingen.
Voorbeelden uit de praktijk
SpaceX Starlink heeft sinds ongeveer 2021 laserterminals ingebouwd in nieuwere generaties van zijn Starlink-satellieten, en breidt dit sindsdien gestaag uit naar het merendeel van de vloot. De satellieten vormen zo een netwerk dat data onderling kan doorgeven, wat vooral boven zee en de poolgebieden \u2014 waar bodenstations schaars zijn \u2014 waardevol is.
ESA's EDRS (European Data Relay System), ook wel de \"SpaceDataHighway\" genoemd, bestaat uit relaissatellieten in een geostationaire baan die via laser data ophalen bij Europese aardobservatiesatellieten zoals de Sentinel-missies, en die vervolgens razendsnel naar de grond doorsturen. De eerste relaisatelliet, EDRS-A, ging in 2016 de lucht in, gevolgd door EDRS-C in 2019. Het systeem werd ontwikkeld door Airbus met lasercommunicatieterminals van het Duitse Tesat-Spacecom, techniek die teruggaat op een testverbinding tussen de Duitse radarsatelliet TerraSAR-X en de Amerikaanse NFIRE-satelliet in 2008 \u2014 een van de eerste geslaagde laserverbindingen tussen twee satellieten in een lage baan.
NASA's LCRD (Laser Communications Relay Demonstration) werd eind 2021 gelanceerd naar een geostationaire baan en test sindsdien optische relaiscommunicatie tussen grondstations en toekomstige ruimtemissies, als opstap naar het gebruik van laserverbindingen bij bijvoorbeeld de Artemis-maanmissies.
JAXA, het Japanse ruimtevaartagentschap, ontwikkelde met LUCAS (Laser Utilizing Communication System) een eigen optisch datarelaissysteem, bedoeld om Japanse aardobservatiesatellieten sneller met de grond te verbinden.
Amazon lanceerde in 2023 de eerste prototypesatellieten van zijn geplande Kuiper-breedbandconstellatie en heeft aangekondigd, net als Starlink, laserverbindingen tussen satellieten te willen inzetten om het netwerk ook boven gebieden zonder grondstations dekking te geven.
Hoe ver is de techniek?
Intersatellietlaserlinks zijn niet langer puur experimenteel: bij Starlink draaien er inmiddels duizenden satellieten operationeel mee, en relaissystemen als EDRS en LCRD zijn in commercieel of demonstratief gebruik. Toch is de techniek nog niet overal de standaard. De meeste satellieten wereldwijd communiceren nog altijd via radio, omdat laserterminals duurder, zwaarder en mechanisch complexer zijn.
De grootste technische obstakels zitten in de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het richt- en volgsysteem: elke terminal moet autonoom, zonder menselijk ingrijpen, een bewegend doel op grote afstand vinden en vasthouden, ook na temperatuurschommelingen en jarenlang gebruik in de barre ruimteomgeving met straling en thermische cycli. Bij grote constellaties zoals Starlink komt daar de uitdaging bij dat elke satelliet voortdurend van \"gesprekspartner\" moet wisselen naarmate satellieten elkaar in- en uithalen, wat hoge eisen stelt aan de snelheid van het opnieuw richten.
Een ander knelpunt is standaardisatie: de meeste huidige systemen zijn onderling niet compatibel, elke operator gebruikt zijn eigen technische specificaties. In de Verenigde Staten werkt onder meer het Space Development Agency, dat een netwerk van militaire satellieten met laserlinks opbouwt, aan gemeenschappelijke standaarden zodat satellieten van verschillende fabrikanten toch met elkaar kunnen communiceren \u2014 een proces dat nog in volle gang is en nog niet is afgerond. Kortom: de kerntechnologie werkt aantoonbaar, maar schaal, kosten en interoperabiliteit zijn nog volop in ontwikkeling.
Wie werken eraan?
Naast SpaceX en Amazon zijn gespecialiseerde toeleveranciers van lasercommunicatieterminals belangrijke spelers, zoals het Duitse Tesat-Spacecom (onderdeel van Airbus), het Duits-Amerikaanse bedrijf Mynaric, en Amerikaanse spelers als CACI (met de overgenomen technologie van SA Photonics) en General Atomics. Ruimtevaartorganisaties als ESA (via EDRS), NASA (via LCRD en eerdere demonstraties als LLCD en TBIRD) en JAXA in Japan behoren tot de voorlopers. Het Duitse ruimtevaartcentrum DLR heeft van meet af aan een grote rol gespeeld in de ontwikkeling van de onderliggende lasertechniek. In de Verenigde Staten investeert ook het ministerie van Defensie fors, met het Space Development Agency dat een groot militair satellietennetwerk met onderlinge laserlinks opbouwt. Verder dragen onderzoeksinstituten zoals het MIT Lincoln Laboratory bij aan fundamenteel onderzoek naar optische ruimtecommunicatie.