NASAは宇宙レーザーをテストしてデータを地球に送り返している

宇宙で通信するのは困難な場合があります。しかし、12月7日の早朝、NASAはレーザー通信リレーデモンストレーション（LCRD）を開始しました。これは、SFで人気のコンセプトである目に見えないレーザーを使用して、宇宙と地上の通信を改善する計画です。

LCRD は、NASA の 2013 年の月面レーザー通信実証の技術を基に、1.2 ギガビット/秒で地球にデータを送信する。これは、以前のシステムの約 2 倍の中継速度である。これは、ドゥニ・ヴィルヌーヴの映画 1 本を 1 分以内にダウンロードできるほどの速度である。

LCRD ペイロード プロジェクト マネージャーのグレン ジャクソン氏は、このデモは将来、月や火星にインターネット ネットワークを張り巡らせるのに役立つ可能性があると述べています。「現在、データやビデオを地球に送信するのに無線周波数を使用しています」とジャクソン氏は言います。「レーザー通信により帯域幅が拡大し、宇宙飛行士や科学ミッションからより多くのデータを地球に送信できるようになります。」

レーザー通信はどのように機能しますか?

レーザー通信は光通信とも呼ばれ、光を使って情報を送信します。この技術は、テレビのリモコンやヒートランプなどの日常的な製品にすでに地球上で使用されていますが、NASA が太陽系を探索する際に構築する予定の規模よりもはるかに小規模で使用されています。

数十年にわたり、宇宙飛行士やエンジニアは宇宙船と地球の間でメッセージをやり取りするために、電波、つまり電磁周波数のみに依存してきました。しかし、無線信号は光のように光速で移動するため、遠くまで拡散してしまいます。

この拡散は通信の遅延を引き起こす可能性があり、科学者が宇宙船に素早く到着して困難な状況から救出できない場合、ミッションが危険にさらされる可能性がある。通信事故の最も有名な例の1つは、2020年に発生した。NASAの最長寿宇宙ミッションであるボイジャー2号と通信できる地球上で唯一の無線アンテナであるディープ・スペース・ステーション43がメンテナンスのために停止されたときだ。NASAはすぐにベテラン宇宙船にコマンドを送信する機能を失ったが、ほぼ1年後に再び連絡をとることができた。

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こうした大惨事を避け、宇宙通信を高速化するために、NASA の最新の実証実験では、赤外線レーザーを使用して情報を地球に送り返す計画です。電波とは異なり、レーザーは非常に細い光線を発するため、拡散の影響を受けずに長距離を移動できます。また、この光線は、宇宙では反射するものがないため、目に直接照射されない限り目に見えません。

レーザー通信では、電波よりも短い波長のエネルギーを使用することで、科学者は従来の無線システムよりも 10 ～ 100 倍ものデータを送信できるようになります。しかし、それはどのように機能するのでしょうか?

LCRD には、その性能を制御する強力な高速電子機器と、それぞれ独自の目的を持つ 2 つの光学モジュール (望遠鏡) が搭載されています。1 つの望遠鏡はユーザーの宇宙船からデータを受信し、もう 1 つの望遠鏡はデータを地上に送信します。NASA によると、現在の宇宙船に搭載された無線システムでは火星の完全な地図を送信するのに約 9 週間かかりますが、レーザー技術によりその時間を 9 日間に短縮できます。

LCRD の使命とは一体何でしょうか?

ケープカナベラルからの当初の出発は、燃料貯蔵システムからの灯油漏れのため何度も延期されたが、今週、LCRD はついに、米国宇宙軍の宇宙試験計画衛星 6 号ミッションの 2 つのペイロードのうちの 1 つとして打ち上げられる許可を得た。アトラス V ロケットは、打ち上げ後わずか 2 分間、地球の大気圏を抜け出すのに十分な速度 (時速 2,200 マイル以上) に達したところを目撃された。

現在、LCRD は地球から 22,000 マイル以上 (月までの距離の約 10 分の 1) の静止軌道上にあり、科学ミッションのサポートを開始する前に 2 年間テストと実験を行う予定です。1 月までに電源投入が開始され、3 月までに NASA の科学者が実験を行えるようになる予定です。

NASA 初のエンドツーエンドの光中継では、地球を周回する衛星がカリフォルニアとハワイの 2 つの地上局にデータを送信する。しかし、レーザーは完全に無敵というわけではない。雲が太陽を遮るのと同じように、レーザー信号も妨害する可能性がある。つまり、NASA の地上局は高度が高く、歴史的に天候が良好な地域に設置する必要があったのだ。計画通りに進めば、2022 年には国際宇宙ステーションの宇宙飛行士が LCRD を使用してさまざまな機器から地球に科学データを転送する最初の宇宙飛行士の 1 人となるだろう。

打ち上げ中、NASA宇宙運用ミッション局の副局長キャシー・ルーダーズ氏は、LCRDの実証実験は宇宙と地上の通信にとって重要な飛躍であるだけでなく、この技術は米国の次期有人ミッションであるアルテミスの成功に不可欠であると述べた。

「月を周回する有人宇宙飛行活動を行うには、通信システムを改善する必要があります」とリーダース氏は述べた。同氏は、この実証が失敗すれば、NASAの通信システムは5年から10年遅れる可能性があると指摘した。

なぜそれが大きな問題なのでしょうか?

宇宙空間がますます混雑し、衛星がより多くのデータを集めるようになると、レーザー通信は現在の技術よりも経済的で高速な代替手段となる。このシステムがすぐに従来の方法に取って代わることはないだろうが、ラジオをダイヤルアップ接続、レーザーを高速インターネットとして想像するのは簡単だとルーダーズ氏は言う。

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積載物全体はキングサイズのマットレスほどの大きさだが、それでも最強の無線システムよりもコンパクトで消費電力も少ないため、追加の積載スペースを必要とするミッションには最適だ。そして太陽系では、こうした細部がミッションの失敗と成功の分かれ目となる可能性がある。

「[レーザー通信]により、宇宙船や宇宙探査で通信するために必要な重量とエネルギーが減ります」とジャクソン氏は言う。つまり、燃料や画像ツール、そして将来的には宇宙飛行士などのためのスペースが増えるということだ。

マサチューセッツ工科大学の電気工学およびコンピュータサイエンスの教授であるヴィンセント・チャン氏は、光通信が商品化される日は比較的近い将来に来る可能性があると考えている。同氏は、スペースXやブルーオリジンなどの企業の影響により、レーザー技術の未来は明るいと述べている。

「長距離用の光学機器は常に優位性を持っています」とチャン氏は言う。LCRD 以外にも、NASA は現在、レーザーの能力をテストするミッションをさらに開発する計画を立てている。これには、オリオン アルテミス II 光通信システムや、深宇宙環境でレーザーがどの程度の性能を発揮するかをテストする宇宙船 Psyche の搭載物などがある。