Optische ruimtecommunicatie: data versturen met laserlicht
Stel je een oude walkietalkie voor: je zendt een boodschap uit in alle richtingen op een radiofrequentie, en iedereen binnen bereik met de juiste ontvanger kan meeluisteren. Optische ruimtecommunicatie werkt eerder als een laserpointer die je heel precies op één punt richt. In plaats van radiogolven gebruikt deze technologie een gebundelde lichtstraal, meestal infrarood laserlicht, om gegevens te versturen tussen satellieten onderling of tussen een satelliet en een grondstation op aarde.
Het grote voordeel: licht heeft een veel hogere frequentie dan radiogolven, waardoor er in dezelfde tijd veel meer informatie in past. Waar een klassieke satelliet met een radioverbinding een aardobservatiebeeld soms in tientallen minuten doorstuurt, kan een lasercommunicatiesysteem datzelfde beeld in een fractie van die tijd afleveren. Denk aan het verschil tussen data versturen via een oude telefoonlijn en via een glasvezelkabel, maar dan zonder kabel: het licht reist gewoon door de vrije ruimte.
Wat is het precies?
Bij optische communicatie zet een zender digitale gegevens (enen en nullen) om in heel snelle flikkeringen of andere variaties van een laserstraal. Een ontvanger, meestal een telescoop met een gevoelige lichtsensor, vangt die straal op en zet de lichtsignalen weer om in data. Het principe lijkt op glasvezelinternet, waarbij ook laserlicht data vervoert, alleen reist het licht hier niet door een kabel maar door lucht of vacuüm.
Omdat de lichtbundel heel smal is, meestal maar een fractie van een graad breed, moeten zender en ontvanger elkaar zeer nauwkeurig kunnen richten en volgen. Bij een verbinding tussen twee satellieten die beide met duizenden kilometers per uur bewegen, is dat te vergelijken met het vanaf een rijdende trein raken van een muntstuk op een andere, verre rijdende trein. Daarvoor zijn precieze aanstuursystemen nodig die continu bijsturen op basis van elkaars positie.
Een tweede uitdaging is de dampkring. Wolken, regen en luchtturbulentie kunnen een laserstraal verstoren of blokkeren, iets waar radiogolven veel minder last van hebben. Grondstations voor optische communicatie worden daarom vaak op plekken met veel heldere lucht gebouwd, zoals hooggelegen woestijngebieden, en er wordt gewerkt met adaptieve optiek: spiegels die razendsnel vervormen om de verstoring van de atmosfeer te compenseren, een techniek die ook in sterrenkundige telescopen wordt gebruikt. Voor extra zekerheid gebruiken operators vaak meerdere grondstations op verschillende locaties, zodat bij bewolkt weer op de ene plek een andere plek kan overnemen.
Tussen satellieten onderling, buiten de dampkring, speelt het weerprobleem niet en is optische communicatie juist relatief eenvoudig te realiseren zodra het richten en volgen goed werkt.
Wat wil men ermee bereiken?
De hoeveelheid data die satellieten verzamelen groeit snel: scherpere camera's, meer sensoren, en constellaties met duizenden kleine satellieten die voortdurend meten en fotograferen. De traditionele radiofrequenties die voor ruimtecommunicatie worden gebruikt, raken echter vol. Er is maar een beperkte hoeveelheid radiospectrum beschikbaar, en die moet wereldwijd verdeeld worden tussen ruimtevaart, telecom, luchtvaart en meer.
Optische communicatie omzeilt dat probleem: licht valt niet onder dezelfde internationale spectrumregels als radiogolven, en de bandbreedte is enorm veel groter. Daardoor kunnen satellieten in potentie honderden keren meer data versturen dan met radio, wat cruciaal is voor bijvoorbeeld actuele aardobservatie, klimaatmonitoring, en toekomstige bemande missies naar Mars die grote hoeveelheden foto- en videomateriaal willen versturen.
Daarnaast is er een praktisch voordeel: de apparatuur kan compacter en lichter zijn dan grote radioschotels, wat waardevol is op kleine satellieten met beperkte ruimte en gewicht. Een smalle laserbundel is bovendien lastiger af te luisteren dan een radiosignaal dat zich in een brede kegel verspreidt, wat relevant is voor gevoelige overheids- en defensiecommunicatie.
Voorbeelden uit de praktijk
NASA's Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), gelanceerd in december 2021, is een testsatelliet in een baan ver boven de aarde (geostationaire baan) die als relaisstation dient tussen andere ruimtevaartuigen en grondstations op aarde. Het is een van de eerste langdurige demonstraties van optische relaiscommunicatie voor NASA en heeft de afgelopen jaren herhaaldelijk data doorgegeven tussen grondstations in onder meer Californië en Hawaï.
Deep Space Optical Communications (DSOC) reist mee aan boord van de Psyche-ruimtesonde, die in oktober 2023 werd gelanceerd op weg naar een metaalrijke planetoïde. DSOC test laserverbindingen over interplanetaire afstanden, veel verder dan waar eerdere systemen ooit mee experimenteerden. In de eerste maanden na lancering meldde NASA geslaagde dataoverdracht over miljoenen kilometers, met snelheden die ruim boven wat met radio haalbaar zou zijn geweest op vergelijkbare afstand. Het experiment loopt door terwijl Psyche verder de ruimte in reist, en de precieze grens van wat haalbaar is, wordt nog steeds in kaart gebracht.
TBIRD (TeraByte InfraRed Delivery) was een klein NASA-experiment op een cubesat (een kleine, standaardformaat satelliet), gelanceerd in 2022, dat liet zien dat zelfs zeer kleine ruimtevaartuigen met optische communicatie extreem hoge datasnelheden richting aarde konden bereiken, ordes van grootte hoger dan gangbare radioverbindingen van vergelijkbare kleine satellieten.
Het European Data Relay System (EDRS) van het Europese ruimtevaartagentschap ESA, ontwikkeld samen met het Duitse ruimtevaartinstituut DLR en de industrie (waaronder Airbus en het Duitse bedrijf Tesat-Spacecom), bestaat uit relaissatellieten in geostationaire baan die via laserlinks data doorgeven van aardobservatiesatellieten, zoals de Europese Sentinel-satellieten van het Copernicus-programma. EDRS-A ging in 2016 de ruimte in, EDRS-C volgde in 2019, en het systeem, ook wel de "SpaceDataHighway" genoemd, is inmiddels operationeel in gebruik voor Europese aardobservatiemissies.
SpaceX gebruikt optische laserlinks tussen de satellieten van zijn Starlink-internetconstellatie onderling, zodat data tussen satellieten kan worden doorgegeven zonder steeds een grondstation nodig te hebben. Dit soort intersatellietlinks wordt sinds enkele jaren op grote schaal in de nieuwere Starlink-satellieten toegepast en is een van de weinige voorbeelden van optische communicatie die inmiddels commercieel op grote schaal wordt ingezet.
Hoe ver is de techniek?
Optische ruimtecommunicatie is geen gloednieuw idee: al in 2007 en 2008 demonstreerden de Duitse satellieten TerraSAR-X en het Amerikaanse NFIRE een laserverbinding tussen twee satellieten in een lage baan om de aarde, met apparatuur van Tesat-Spacecom. Dat toonde aan dat het principe werkt, maar de weg naar betrouwbare, operationele systemen heeft daarna nog jaren geduurd.
Voor verbindingen tussen satellieten onderling, zoals bij Starlink, is de techniek inmiddels volwassen genoeg voor grootschalige commerciële toepassing. Voor verbindingen tussen ruimte en grond, waar de dampkring roet in het eten kan gooien, en voor communicatie over interplanetaire afstanden, zoals bij DSOC, bevindt de technologie zich nog duidelijker in de demonstratie- en testfase. Elke missie levert nieuwe inzichten op over hoe je nauwkeurig kunt richten op grote afstand, hoe je signaalverlies door atmosfeer compenseert, en hoe je met de langere tijdvertraging (het duurt minuten tot uren voordat licht van Mars de aarde bereikt) om moet gaan bij het opzetten van een verbinding.
Een belangrijk obstakel blijft de afhankelijkheid van helder weer bij grondstations, wat betekent dat operationele systemen meestal meerdere, geografisch verspreide grondstations nodig hebben als back-up. Ook de kosten en complexiteit van de precisie-aanstuurmechanismen zijn nog hoger dan bij conventionele radioapparatuur, al dalen die kosten met elke nieuwe generatie systemen. Onderzoekers zijn het erover eens dat de techniek de komende jaren verder zal opschalen, maar exacte tijdlijnen voor volledige, wereldwijde operationele inzet blijven onzeker.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten trekken NASA en het Jet Propulsion Laboratory (JPL) een groot deel van de ontwikkeling, met projecten als LCRD, DSOC en TBIRD. SpaceX is de belangrijkste commerciële partij die optische intersatellietlinks al op grote schaal toepast, en ook Amazon werkt met zijn Project Kuiper-constellatie aan vergelijkbare laserverbindingen tussen satellieten.
In Europa is ESA de drijvende kracht achter operationele systemen zoals EDRS, in nauwe samenwerking met het Duitse ruimtevaartinstituut DLR en de industrie, met Tesat-Spacecom als belangrijke leverancier van lasercommunicatieapparatuur en Airbus als hoofdaannemer van de relaissatellieten.
Ook Japan investeert via zijn ruimtevaartorganisatie JAXA in optische communicatietechnologie voor eigen satellietmissies, en China ontwikkelt en test eigen laser-communicatiesystemen als onderdeel van zijn ruimtevaartprogramma, al is over de details van sommige Chinese militaire en civiele projecten minder in het openbaar bekend dan over de Amerikaanse en Europese tegenhangers.