استغل مهندسو ناسا بناء أول مودم ضوئي متكامل

تم تكليف فريق ناسا ببناء نوع جديد من مودم الاتصالات الذي سيستخدم تكنولوجيا ناشئة قد تكون ثورية يمكنها تحويل كل شيء من الاتصالات والتصوير الطبي والتصنيع المتقدم إلى الدفاع الوطني.

 

سيتم اختبار أول مودم ضوئيات متكامل لوكالة الفضاء على الإطلاق على متن محطة الفضاء الدولية بدءًا من عام 2020 كجزء من عرض ترحيل الاتصالات الليزرية متعدد السنوات التابع لناسا، أو LCRD. يشتمل الجهاز الذي بحجم الهاتف الخلوي على وظائف تعتمد على البصريات، مثل الليزر والمفاتيح والأسلاك، على شريحة دقيقة، تشبه إلى حد كبير الدائرة المتكاملة الموجودة في جميع الأجهزة الإلكترونية.

بمجرد الصعود على متن المحطة الفضائية، سيكون ما يسمى بمودم ومضخم المستخدم المتكامل LCRD LEO (المدار الأرضي المنخفض) (ILLUMA) بمثابة محطة مدار أرضي منخفض لـ LCRD التابعة لناسا، مما يدل على قدرة أخرى على استخدام الليزر عالي السرعة. الاتصالات القائمة.

معدلات البيانات تتطلب تكنولوجيا جديدة

منذ إنشائها في عام 1958، اعتمدت ناسا حصريًا على الاتصالات القائمة على الترددات الراديوية (RF). وقال دون كورنويل، مدير قسم الاتصالات والملاحة المتقدمة في ناسا ضمن برنامج الاتصالات والملاحة الفضائية، الذي يمول تطوير المودم، اليوم، مع مطالبة البعثات بمعدلات بيانات أعلى من أي وقت مضى، أصبحت الحاجة إلى LCRD أكثر أهمية.

يعد LCRD بتغيير الطريقة التي ترسل بها ناسا وتستقبل البيانات والفيديو والمعلومات الأخرى. وسوف يستخدم الليزر لتشفير ونقل البيانات بمعدلات أسرع بـ 10 إلى 100 مرة من معدات الاتصالات الحالية، مما يتطلب كتلة وقوة أقل بكثير. مثل هذه القفزة في التكنولوجيا يمكن أن توفر قياسات فيديو وعالية الدقة من المركبات الفضائية فوق الكواكب عبر النظام الشمسي، مما يسمح للباحثين بإجراء دراسات مفصلة عن الظروف في عوالم أخرى، مثلما يتتبع العلماء اليوم الأعاصير وغيرها من التغيرات المناخية والبيئية هنا على الأرض.

المشروع، الذي من المتوقع أن يبدأ عملياته في عام 2019، ليس أول غزوة لناسا في مجال اتصالات الليزر. أظهرت حمولة على متن Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) سرعات تنزيل وتحميل قياسية من وإلى مدار القمر تبلغ 622 ميجابت في الثانية (Mbps) و20 ميجابت في الثانية، على التوالي، في عام 2013.

ومع ذلك، تم تصميم LCRD ليكون نظامًا تشغيليًا بعد فترة تجريبية أولية مدتها سنتان. وهي تتضمن حمولة مستضافة واثنتين مجهزتين خصيصًا محطات أرضية. ستخصص المهمة العامين الأولين لعرض نظام تشغيلي كامل، بدءًا من المدار المتزامن مع الأرض وحتى المحطات الأرضية. وقال كورنويل إنه بمجرد أن تثبت ناسا هذه القدرة، فإنها تخطط لاستخدام إيلوما لاختبار الاتصالات بين المركبات الفضائية المتزامنة مع الأرض والمدار الأرضي المنخفض.

محطة استثنائية

تتضمن ILLUMA تقنية ناشئة - الضوئيات المتكاملة - والتي من المتوقع أن تغير أي تقنية تستخدم الضوء. وهذا يشمل كل شيء من الاتصالات عبر الإنترنت كابل الألياف البصرية إلى أجهزة قياس الطيف، وأجهزة الكشف عن المواد الكيميائية، وأنظمة المراقبة، على سبيل المثال لا الحصر.

وقال كورنويل: "الضوئيات المتكاملة تشبه الدائرة المتكاملة، إلا أنها تستخدم الضوء بدلا من الإلكترونات لأداء مجموعة واسعة من الوظائف البصرية". أدت التطورات الأخيرة في الهياكل النانوية والمواد الفوقية وتقنيات السيليكون إلى توسيع نطاق التطبيقات لهذه الرقائق الضوئية المتكاملة للغاية. علاوة على ذلك، يمكن طباعتها بكميات كبيرة بطريقة الطباعة الحجرية - تمامًا مثل الدوائر الإلكترونية اليوم - مما يؤدي إلى خفض تكاليف الأجهزة الضوئية.

وأضاف كورنويل: "ستمكن هذه التكنولوجيا جميع أنواع مهام ناسا، وليس فقط الاتصالات البصرية على LCRD".

يقول مايك كريناك، الذي يقود تطوير المودم في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند: "لقد دفعنا هذا الأمر لفترة طويلة". "ستعمل هذه التكنولوجيا على تبسيط تصميم النظام البصري. وسوف يقلل من حجم واستهلاك الطاقة للأجهزة البصرية، ويحسن الموثوقية، كل ذلك مع تمكين وظائف جديدة من نظام أقل تكلفة. ومن الواضح أن استراتيجيتنا للاستفادة من الدوائر الضوئية المتكاملة ستؤدي إلى ثورة في الاتصالات بين الأرض والكواكب والفضاء وكذلك في الأدوات العلمية.

بالإضافة إلى قيادة تطوير ILLUMA، يعمل كريناك كممثل لناسا في أول اتحاد في البلاد لتطوير الضوئيات المتكاملة. بتمويل من وزارة الدفاع الأمريكية، يجمع المعهد الأمريكي غير الربحي لتصنيع الضوئيات المتكاملة، ومقره في روتشستر، نيويورك، بين المواهب التكنولوجية الرائدة في البلاد لتأسيس الريادة العالمية في مجال الضوئيات المتكاملة. هدفها الأساسي هو تطوير أساليب تصنيع منخفضة التكلفة وعالية الحجم لدمج الأجهزة الإلكترونية دوائر متكاملة مع الأجهزة الضوئية المتكاملة.

كما عينت مديرية مهمة تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا (STMD) كريناك كقائد ضوئي متكامل لبرنامج منح أبحاث تكنولوجيا الفضاء، الذي يدعم ابتكارات المرحلة المبكرة. وقد أعلن البرنامج مؤخرًا عن عدد من الجوائز البحثية في هذا المجال التكنولوجي (انظر القصة ذات الصلة).

الخطوة الأولى في إظهار الضوئيات

وفي إطار مشروع وكالة ناسا، سيقوم كريناك وفريقه بتقليل حجم الجهاز، الذي أصبح الآن بحجم فرنين محمصين - وهو التحدي الذي أصبح أسهل لأن جميع الوظائف المتعلقة بالضوء سيتم ضغطها على شريحة دقيقة. على الرغم من أنه من المتوقع أن يستخدم المودم بعض الألياف الضوئية، إلا أن ILLUMA هو الخطوة الأولى في بناء وعرض دائرة ضوئية متكاملة والتي ستدمج هذه الوظائف في الشريحة في النهاية.

سوف تقوم شركة ILLUMA بتأهيل التكنولوجيا للطيران، بالإضافة إلى إظهار القدرة الأساسية للمركبات الفضائية المستقبلية. وقال إنه بالإضافة إلى التواصل مع المحطات الأرضية، فإن الأقمار الصناعية المستقبلية سوف تتطلب القدرة على التواصل مع بعضها البعض.

"ما نريد القيام به هو توفير تبادل أسرع للبيانات للمجتمع العلمي. يجب أن تكون أجهزة المودم غير مكلفة. يجب أن تكون صغيرة. وقال كريناك: "علينا أيضًا أن نحافظ على وزنهم منخفضًا". والهدف هو تطوير التكنولوجيا وعرضها ومن ثم إتاحتها للصناعة والوكالات الحكومية الأخرى، مما يخلق اقتصادًا واسع النطاق من شأنه أن يؤدي إلى خفض التكاليف بشكل أكبر. وقال: "هذا هو الأجر".

وأضاف كريناك أنه على الرغم من أن الضوئيات المتكاملة تعد بإحداث ثورة في العلوم الفضائية والاتصالات بين الكواكب، إلا أن تأثيرها على الاستخدامات الأرضية له نفس القدر من العمق. أحد هذه الاستخدامات هو مع مراكز البيانات. تحتوي هذه المرافق المكلفة والكبيرة جدًا على خوادم متصلة بواسطة كابلات الألياف الضوئية لتخزين البيانات وإدارتها وتوزيعها.

تعد الضوئيات المتكاملة بتقليل الحاجة إلى هذه الكائنات العملاقة وحجمها بشكل كبير - خاصة وأن الأجهزة البصرية اللازمة لتشغيل هذه المرافق ستتم طباعتها على شريحة، مثل الدوائر الإلكترونية اليوم. وبالإضافة إلى خفض التكاليف، تعد هذه التكنولوجيا بقدرة حاسوبية أسرع.

"Google، Facebook، لقد بدأوا جميعًا بالنظر إلى هذا تكنولوجياقال كريناك. "مثل الضوئيات المتكاملة وقال كريناك: "إذا تطورت هذه التقنية لتصبح أكثر فعالية من حيث التكلفة من الألياف الضوئية، فسيتم استخدامها". "كل شيء يتجه بهذه الطريقة."