วิศวกรของ NASA แตะเพื่อสร้างโมเด็มโฟโตนิกส์ในตัวตัวแรก

ทีมนาซาได้รับมอบหมายให้สร้างโมเด็มการสื่อสารรูปแบบใหม่ที่จะใช้เทคโนโลยีใหม่ที่อาจปฏิวัติวงการ ซึ่งสามารถเปลี่ยนทุกอย่างตั้งแต่การสื่อสารโทรคมนาคม การสร้างภาพทางการแพทย์ การผลิตขั้นสูง ไปจนถึงการป้องกันประเทศ

 

โมเด็มโฟโตนิกส์แบบบูรณาการตัวแรกขององค์การอวกาศจะได้รับการทดสอบบนสถานีอวกาศนานาชาติโดยเริ่มต้นในปี 2563 โดยเป็นส่วนหนึ่งของการสาธิตการถ่ายทอดการสื่อสารด้วยเลเซอร์หรือ LCRD หลายปีของ NASA อุปกรณ์ขนาดเท่าโทรศัพท์มือถือได้รวมฟังก์ชันที่ใช้ระบบการมองเห็น เช่น เลเซอร์ สวิตช์ และสายไฟ ไว้บนไมโครชิป ซึ่งเหมือนกับวงจรรวมที่พบในฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด

เมื่อขึ้นสู่สถานีอวกาศแล้ว โมเด็มและเครื่องขยายเสียงแบบรวม LCRD LEO (Low-Earth Orbit) (ILLUMA) จะทำหน้าที่เป็นเทอร์มินัลวงโคจรโลกต่ำสำหรับ LCRD ของ NASA ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถอีกอย่างหนึ่งสำหรับเลเซอร์ความเร็วสูง การสื่อสารแบบพื้นฐาน

อัตราข้อมูลต้องการเทคโนโลยีใหม่

นับตั้งแต่ก่อตั้งในปี พ.ศ. 2501 NASA อาศัยการสื่อสารด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RF) เท่านั้น ในปัจจุบัน ภารกิจที่ต้องการอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นกว่าที่เคยมีมา ความต้องการ LCRD จึงมีความสำคัญมากขึ้น Don Cornwell ผู้อำนวยการแผนกการสื่อสารและการนำทางขั้นสูงของ NASA ในโครงการสื่อสารและการนำทางอวกาศ ซึ่งเป็นผู้ให้ทุนสนับสนุนการพัฒนาโมเด็มกล่าว

LCRD สัญญาว่าจะเปลี่ยนแปลงวิธีที่ NASA ส่งและรับข้อมูล วิดีโอ และข้อมูลอื่นๆ จะใช้เลเซอร์ในการเข้ารหัสและส่งข้อมูลในอัตราที่เร็วกว่าอุปกรณ์สื่อสารในปัจจุบันถึง 10 ถึง 100 เท่า ซึ่งใช้มวลและพลังงานน้อยกว่ามาก การก้าวกระโดดของเทคโนโลยีดังกล่าวสามารถส่งมอบการวัดด้วยวิดีโอและความละเอียดสูงจากยานอวกาศเหนือดาวเคราะห์ทั่วระบบสุริยะ ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับเงื่อนไขในโลกอื่นได้ เช่นเดียวกับที่นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันติดตามพายุเฮอริเคนและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและสิ่งแวดล้อมอื่นๆ บนโลก

โครงการนี้ซึ่งคาดว่าจะเริ่มดำเนินการได้ในปี 2562 ไม่ใช่การโจมตีด้วยเลเซอร์ครั้งแรกของ NASA เพย์โหลดบน Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) แสดงให้เห็นถึงความเร็วในการดาวน์โหลดและอัพโหลดที่ทำลายสถิติไปและกลับจากวงโคจรดวงจันทร์ที่ 622 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) และ 20 Mbps ตามลำดับในปี 2556

อย่างไรก็ตาม LCRD ได้รับการออกแบบให้เป็นระบบปฏิบัติการหลังจากช่วงสาธิตสองปีแรก มันเกี่ยวข้องกับเพย์โหลดที่โฮสต์และอุปกรณ์พิเศษสองตัว สถานีภาคพื้นดิน. ภารกิจนี้จะอุทิศเวลาสองปีแรกเพื่อสาธิตระบบปฏิบัติการเต็มรูปแบบ ตั้งแต่วงโคจรจีโอซิงโครนัสไปจนถึงสถานีภาคพื้นดิน เมื่อ NASA แสดงให้เห็นถึงความสามารถดังกล่าว ก็มีแผนที่จะใช้ ILLUMA เพื่อทดสอบการสื่อสารระหว่างยานอวกาศ geosynchronous และยานอวกาศในวงโคจรต่ำ Earth Cornwell กล่าว

เทอร์มินัลที่ยอดเยี่ยม

ILLUMA รวมเอาเทคโนโลยีเกิดใหม่—โฟโตนิกแบบบูรณาการ—ซึ่งคาดว่าจะเปลี่ยนโฉมเทคโนโลยีใดก็ตามที่ใช้แสง ซึ่งรวมถึงทุกอย่างตั้งแต่การสื่อสารทางอินเทอร์เน็ต สายเคเบิลใยแก้วนำแสง ไปจนถึงสเปกโตรมิเตอร์ เครื่องตรวจจับสารเคมี และระบบเฝ้าระวัง และอื่นๆ อีกมากมาย

“โฟโตนิกแบบรวมเป็นเหมือนวงจรรวม ยกเว้นว่าพวกมันใช้แสงมากกว่าอิเล็กตรอนเพื่อทำหน้าที่เกี่ยวกับแสงที่หลากหลาย” คอร์นเวลล์กล่าว การพัฒนาล่าสุดในโครงสร้างนาโน วัสดุเมตา และเทคโนโลยีซิลิคอนได้ขยายขอบเขตการใช้งานสำหรับชิปออปติคอลที่มีการผสานรวมในระดับสูงเหล่านี้ นอกจากนี้ ยังสามารถพิมพ์ด้วยภาพพิมพ์จำนวนมาก เช่นเดียวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของอุปกรณ์โฟโตนิกอีกด้วย

“เทคโนโลยีนี้จะช่วยให้ภารกิจของ NASA ทุกประเภท ไม่ใช่แค่การสื่อสารด้วยแสงบน LCRD เท่านั้น” Cornwell กล่าวเสริม

“เราผลักดันสิ่งนี้มาเป็นเวลานาน” Mike Krainak ซึ่งเป็นผู้นำการพัฒนาโมเด็มที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA ในเมืองกรีนเบลต์ รัฐแมริแลนด์กล่าว “เทคโนโลยีนี้จะทำให้การออกแบบระบบออปติคอลง่ายขึ้น โดยจะลดขนาดและการใช้พลังงานของอุปกรณ์ออพติคัล และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ ทั้งหมดนี้ในขณะเดียวกันก็เปิดใช้งานฟังก์ชันใหม่ๆ จากระบบที่มีต้นทุนต่ำกว่า เป็นที่ชัดเจนว่ากลยุทธ์ของเราในการใช้ประโยชน์จากวงจรโฟโตนิกแบบบูรณาการจะนำไปสู่การปฏิวัติการสื่อสารของโลกและอวกาศดาวเคราะห์ตลอดจนในเครื่องมือวิทยาศาสตร์”

นอกเหนือจากการเป็นผู้นำการพัฒนาของ ILLUMA แล้ว Krainak ยังทำหน้าที่เป็นตัวแทนของ NASA ในกลุ่มความร่วมมือกลุ่มแรกของประเทศเพื่อพัฒนาโฟโตนิกแบบผสมผสาน American Institute for Manufacturing Integrated Photonics ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกา มีสำนักงานใหญ่ในเมืองโรเชสเตอร์ รัฐนิวยอร์ก โดยได้รวบรวมผู้มีความสามารถด้านเทคโนโลยีชั้นนำของประเทศเพื่อสร้างความเป็นผู้นำระดับโลกในด้านโฟโตนิกส์แบบบูรณาการ เป้าหมายหลักคือการพัฒนาวิธีการผลิตที่มีต้นทุนต่ำ ปริมาณมาก เพื่อผสานรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์ วงจรรวม ด้วยอุปกรณ์โฟโตนิกในตัว

คณะกรรมการภารกิจด้านเทคโนโลยีอวกาศของ NASA (STMD) ได้แต่งตั้ง Krainak เป็นผู้นำด้านโฟโตนิกส์แบบบูรณาการสำหรับโครงการทุนวิจัยเทคโนโลยีอวกาศซึ่งสนับสนุนนวัตกรรมในระยะเริ่มแรก เมื่อเร็วๆ นี้ โปรแกรมนี้ได้ประกาศรางวัลการวิจัยหลายรางวัลภายใต้สาขาเทคโนโลยีนี้ (ดูเรื่องที่เกี่ยวข้อง)

ขั้นตอนแรกในการสาธิตโฟโตนิกส์

ภายใต้โครงการของ NASA Krainak และทีมงานของเขาจะลดขนาดของจอเทอร์มินัล ซึ่งขณะนี้มีขนาดประมาณเตาอบเครื่องปิ้งขนมปัง 2 เครื่อง ซึ่งเป็นความท้าทายที่ง่ายขึ้น เนื่องจากฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับแสงทั้งหมดจะถูกบีบลงบนไมโครชิป แม้ว่าโมเด็มนั้นคาดว่าจะใช้ใยแก้วนำแสง แต่ ILLUMA ก็เป็นก้าวแรกในการสร้างและสาธิตวงจรโฟโตนิกส์แบบรวมที่จะฝังฟังก์ชันเหล่านี้ลงบนชิปในที่สุด เขากล่าว

ILLUMA จะทำให้เทคโนโลยีมีคุณสมบัติในการบิน พร้อมทั้งแสดงให้เห็นถึงความสามารถหลักสำหรับยานอวกาศในอนาคต นอกเหนือจากการสื่อสารกับสถานีภาคพื้นดินแล้ว ดาวเทียมในอนาคตยังต้องการความสามารถในการสื่อสารระหว่างกัน เขากล่าว

“สิ่งที่เราต้องการทำคือการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่รวดเร็วยิ่งขึ้นแก่ชุมชนวิทยาศาสตร์ โมเด็มจะต้องมีราคาไม่แพง พวกเขาจะต้องมีขนาดเล็ก เราต้องควบคุมน้ำหนักของพวกเขาให้ลดลงด้วย” ไกรนักกล่าว เป้าหมายคือการพัฒนาและสาธิตเทคโนโลยี จากนั้นเปิดให้อุตสาหกรรมและหน่วยงานภาครัฐอื่นๆ ใช้งานได้ สร้างการประหยัดจากขนาดที่จะลดต้นทุนต่อไป “นี่คือค่าตอบแทน” เขากล่าว

แม้ว่าโฟโตนิกส์แบบบูรณาการจะสัญญาว่าจะปฏิวัติวิทยาศาสตร์บนอวกาศและการสื่อสารระหว่างดาวเคราะห์ แต่ผลกระทบต่อการใช้งานภาคพื้นดินก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน Krainak กล่าวเสริม การใช้งานอย่างหนึ่งคือกับศูนย์ข้อมูล เซิร์ฟเวอร์สิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่มากและมีราคาแพงเหล่านี้เป็นที่ตั้งของเซิร์ฟเวอร์ที่เชื่อมต่อด้วยสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเพื่อจัดเก็บ จัดการ และแจกจ่ายข้อมูล

โฟโตนิกส์แบบรวมจะช่วยลดความจำเป็นและขนาดของยักษ์ใหญ่เหล่านี้ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากฮาร์ดแวร์ออปติกที่จำเป็นในการใช้งานสิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้จะถูกพิมพ์ลงบนชิป เช่นเดียวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน นอกเหนือจากการลดต้นทุนแล้ว เทคโนโลยียังรับประกันพลังการประมวลผลที่เร็วขึ้นอีกด้วย

“Google, Facebook พวกเขาทั้งหมดเริ่มที่จะพิจารณาเรื่องนี้ เทคโนโลยี” ไกรนักกล่าว "เช่น โฟโตนิกส์แบบบูรณาการ ก้าวหน้าไปจนคุ้มค่ากว่าใยแก้วนำแสงก็จะนำมาใช้” ไกรนักกล่าว “ทุกอย่างมุ่งหน้ามาทางนี้”