NASA-Ingenieure haben sich zusammengetan, um das erste Modem mit integrierter Photonik zu bauen

Ein NASA-Team wurde damit beauftragt, einen neuen Typ von Kommunikationsmodem zu bauen, der eine neue, möglicherweise revolutionäre Technologie nutzen wird, die alles von der Telekommunikation über die medizinische Bildgebung und fortschrittliche Fertigung bis hin zur Landesverteidigung verändern könnte.

 

Das erste integrierte Photonik-Modem der Raumfahrtbehörde wird ab 2020 an Bord der Internationalen Raumstation im Rahmen der mehrjährigen Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) der NASA getestet. Das Gerät in der Größe eines Mobiltelefons integriert optikbasierte Funktionen wie Laser, Schalter und Drähte auf einem Mikrochip – ähnlich wie ein integrierter Schaltkreis, der in jeder elektronischen Hardware zu finden ist.

Sobald das sogenannte Integrated LCRD LEO (Low-Earth Orbit) User Modem and Amplifier (ILLUMA) an Bord der Raumstation ist, wird es als Low-Earth-Orbit-Terminal für das LCRD der NASA dienen und eine weitere Fähigkeit für Hochgeschwindigkeits-Laserraketen demonstrieren. basierte Kommunikation.

Datenraten erfordern neue Technologien

Seit ihrer Gründung im Jahr 1958 verlässt sich die NASA ausschließlich auf hochfrequenzbasierte Kommunikation. Heutzutage, da Missionen höhere Datenraten als je zuvor erfordern, sei der Bedarf an LCRD wichtiger geworden, sagte Don Cornwell, Direktor der Advanced Communication and Navigation Division der NASA im Rahmen des Space Communications and Navigation Program, das die Entwicklung des Modems finanziert.

LCRD verspricht, die Art und Weise, wie die NASA Daten, Videos und andere Informationen sendet und empfängt, zu verändern. Mithilfe von Lasern werden Daten 10- bis 100-mal schneller kodiert und übertragen als heutige Kommunikationsgeräte, wobei deutlich weniger Masse und Strom benötigt werden. Ein solcher Technologiesprung könnte Video- und hochauflösende Messungen von Raumfahrzeugen über Planeten im gesamten Sonnensystem liefern und es Forschern ermöglichen, detaillierte Untersuchungen der Bedingungen auf anderen Welten durchzuführen, so wie Wissenschaftler heute Hurrikane und andere Klima- und Umweltveränderungen hier auf der Erde verfolgen.

Das Projekt, das voraussichtlich 2019 in Betrieb genommen wird, ist nicht der erste Vorstoß der NASA in die Laserkommunikation. Eine Nutzlast an Bord des Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) zeigte im Jahr 2013 rekordverdächtige Download- und Upload-Geschwindigkeiten von und zur Mondumlaufbahn mit 622 Megabit pro Sekunde (Mbps) bzw. 20 Mbps.

LCRD ist jedoch darauf ausgelegt, nach einer anfänglichen zweijährigen Demonstrationsphase ein einsatzfähiges System zu sein. Es handelt sich um eine gehostete Nutzlast und zwei speziell ausgerüstete Bodenstationen. In den ersten zwei Jahren wird die Mission der Demonstration eines voll funktionsfähigen Systems gewidmet sein, von der geosynchronen Umlaufbahn bis hin zu Bodenstationen. Sobald die NASA diese Fähigkeit unter Beweis stellt, plant sie, ILLUMA zu nutzen, um die Kommunikation zwischen geosynchronen und erdnahen Raumfahrzeugen zu testen, sagte Cornwell.

Ein außergewöhnliches Terminal

ILLUMA beinhaltet eine neue Technologie – die integrierte Photonik –, die voraussichtlich jede Technologie, die Licht verwendet, verändern wird. Dies umfasst alles von der Internetkommunikation bis hin zu Glasfaserkabel bis hin zu Spektrometern, chemischen Detektoren und Überwachungssystemen, um nur einige zu nennen.

„Integrierte Photonik ist wie ein integrierter Schaltkreis, außer dass sie Licht anstelle von Elektronen verwendet, um eine Vielzahl optischer Funktionen auszuführen“, sagte Cornwell. Jüngste Entwicklungen in den Bereichen Nanostrukturen, Metamaterialien und Siliziumtechnologien haben das Anwendungsspektrum dieser hochintegrierten optischen Chips erweitert. Darüber hinaus könnten sie – genau wie heutige elektronische Schaltkreise – in großen Mengen lithographisch gedruckt werden, was die Kosten photonischer Geräte weiter senken würde.

„Diese Technologie wird alle Arten von NASA-Missionen ermöglichen, nicht nur die optische Kommunikation auf LCRD“, fügte Cornwell hinzu.

„Wir haben dies schon lange vorangetrieben“, sagte Mike Krainak, der die Entwicklung des Modems am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitet. „Die Technologie wird das Design optischer Systeme vereinfachen. Es wird die Größe und den Stromverbrauch optischer Geräte reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern, während gleichzeitig neue Funktionen aus einem kostengünstigeren System ermöglicht werden. Es ist klar, dass unsere Strategie zur Nutzung integrierter photonischer Schaltkreise zu einer Revolution in der Kommunikation zwischen Erde und Planet und Weltraum sowie bei wissenschaftlichen Instrumenten führen wird.“

Krainak leitet nicht nur die Entwicklung von ILLUMA, sondern fungiert auch als Vertreter der NASA im ersten Konsortium des Landes zur Förderung der integrierten Photonik. Das vom US-Verteidigungsministerium finanzierte gemeinnützige American Institute for Manufacturing Integrated Photonics mit Hauptsitz in Rochester, New York, bringt die führenden Technologietalente des Landes zusammen, um eine weltweite Führungsposition in der integrierten Photonik aufzubauen. Sein Hauptziel ist die Entwicklung kostengünstiger, großvolumiger Fertigungsmethoden zur Zusammenführung elektronischer Geräte integrierte Schaltkreise mit integrierten photonischen Geräten.

Das Space Technology Mission Directorate (STMD) der NASA ernannte Krainak außerdem zum Leiter der integrierten Photonik für sein Space Technology Research Grants Program, das Innovationen im Frühstadium unterstützt. Das Programm hat kürzlich eine Reihe von Forschungspreisen in diesem Technologiebereich angekündigt (siehe entsprechende Geschichte).

Erster Schritt zur Demonstration der Photonik

Im Rahmen des NASA-Projekts werden Krainak und sein Team die Größe des Terminals reduzieren, das nun etwa die Größe von zwei Toasteröfen hat – eine Herausforderung, die einfacher wird, da alle lichtbezogenen Funktionen auf einem Mikrochip untergebracht werden. Obwohl erwartet wird, dass das Modem Glasfasern verwendet, sei ILLUMA der erste Schritt beim Aufbau und der Demonstration einer integrierten Photonikschaltung, die diese Funktionen letztendlich auf einem Chip einbetten wird, sagte er.

ILLUMA wird die Technologie flugtauglich machen und eine Schlüsselfähigkeit für zukünftige Raumfahrzeuge demonstrieren. Zukünftige Satelliten müssten nicht nur mit Bodenstationen kommunizieren, sondern auch untereinander kommunizieren können, sagte er.

„Wir wollen der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen schnelleren Datenaustausch ermöglichen. Modems müssen kostengünstig sein. Sie müssen klein sein. Wir müssen auch ihr Gewicht niedrig halten“, sagte Krainak. Ziel ist es, die Technologie zu entwickeln und zu demonstrieren und sie dann der Industrie und anderen Regierungsbehörden zur Verfügung zu stellen, wodurch Skaleneffekte entstehen, die die Kosten weiter senken. „Das ist der Lohn“, sagte er.

Obwohl die integrierte Photonik verspricht, die weltraumgestützte Wissenschaft und die interplanetare Kommunikation zu revolutionieren, seien ihre Auswirkungen auf terrestrische Nutzungen ebenso tiefgreifend, fügte Krainak hinzu. Eine solche Verwendung sind Rechenzentren. Diese kostspieligen, sehr großen Anlagen beherbergen Server, die über Glasfaserkabel verbunden sind, um Daten zu speichern, zu verwalten und zu verteilen.

Die integrierte Photonik verspricht, den Bedarf und die Größe dieser Giganten drastisch zu reduzieren – insbesondere, da die für den Betrieb dieser Anlagen erforderliche optische Hardware auf einen Chip gedruckt wird, ähnlich wie heutige elektronische Schaltkreise. Neben einer Kostensenkung verspricht die Technologie eine schnellere Rechenleistung.

„Google, Facebook, sie alle fangen an, sich das anzuschauen Technologie“, sagte Krainak. "Als Integrierte Photonik Da sich die Technologie als kostengünstiger als Glasfaser erweist, wird sie zum Einsatz kommen“, sagte Krainak. „Alles geht in diese Richtung.“