Laserkommunikation zwischen Mond und Erde

Rund 400 000 Kilometer hatte das Laserlicht zurückgelegt und die Erdatmosphäre durchquert, bevor es von der optischen Bodenstation der ESA auf Teneriffa empfangen wurde. Gesendet wurde das Signal vom Lunar Lasercomm Space Terminal (LLST) an Bord der NASA-Sonde LADEE, die seit Oktober 2013 um den Mond kreist.

Mondsignal
Im Empfangsteleskop fokussiertes Empfangssignal von der Mondsonde, links mit geringen atmosphärischen Störungen (enge Konzentration der Intensität), rechts bei starken atmosphärischen Turbulenzen (führt zu einer Aufweitung des fokalen Intensitätsmusters). Quelle: DLR

Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben nun in Kooperation mit der ESA das LLST-Signal mit der Zielkamera und einem schnellen Sekundärsensor analysiert. Damit wurde erstmals nun auch von Europäern ein optischer Link durch die Erdatmosphäre nach seinem langen Weg durch den Weltraum vermessen.

Das LLST bildet zusammen mit seiner Bodenstation in White Sands im US-Bundesstaat New Mexico das „Lunar Laser Communication Demonstration“ (LLCD)-Experiment der Lincoln Labs des Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Das Experiment hat erstmals die Kommunikation über einen optischen Link vom entfernten Mond zur Erde erfolgreich demonstriert“, betont Dr. Igor Zayer, Leiter der Bodenstation-Subsysteme bei der ESA in Darmstadt. Die ESA hat hierbei – in einer Kooperation mit der NASA und dem MIT – mit ihrer Bodenstation auf Teneriffa am Experiment teilgenommen und erfolgreich mit der Sonde kommuniziert.

Optische Kommunikation mit einer Mondsonde unter realen Weltraumbedingungen erprobt

Das Ergebnis der DLR-Signalauswertung: „Der Einfluss der Atmosphäre ist weniger stark als erwartet, die Qualität des Signals ist sehr gut“, sagt Dirk Giggenbach vom DLR-Institut für Navigation und Kommunikation in Oberpfaffenhofen. Erfahrungen mit den erforderlichen Sensoren und Algorithmen für die Auswertung hatte das Team des Instituts bereits bei Testreihen mit der Übertragung eines Laserstrahls von einem Flugzeug und von verschiedenen niedrigfliegenden Satelliten gewonnen.

LADEE
On 22 October 2013, NASA’s Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD), on board the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) spacecraft, made history using a pulsed laser beam to transmit data over the 400 000 km between Earth and the Moon at a record-breaking download rate of 622 megabits per second (Mbps). (Quelle: NASA)

Jetzt aber konnte die Technologie der optischen Kommunikation mit einer Mondsonde erstmals unter realen Weltraumbedingungen erprobt werden: „Den größten Teil der Strecke legt der Laserstrahl ohne störende Atmosphäre zurück, aber die wenigen Kilometer Erdatmosphäre am Pfad-Ende verzerren und dämpfen das Signal erheblich“, betont Dirk Giggenbach. Diese Störungen untersuchen die DLR-Forscher mit Sensoren und charakterisieren den Übertragungskanal. „Nur so können wir abschätzen, wie man die Laserübertragung verbessern kann und welche Verluste man bei der Übertragung der Daten hinnehmen muss.“

Technologie für zukünftige Missionen

Die Daten des LLCD-Experiments wurden von drei optischen Bodenstationen – den amerikanischen Stationen White Sands und Table Mountain sowie der Empfangsstation der ESA auf Teneriffa – empfangen. Das Interesse an der neuen Technologie ist groß: Die bisher erprobte und verwendete Technik, über Radio- und Mikrowellen zu kommunizieren, erreicht ihre Grenzen. Die kurzwelligeren optischen Trägerfrequenzen hingegen bieten höhere Datenraten.

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Die optische Bodenstation der ESA auf Teneriffa (Bild: ESA)

Die Blu-Ray-Version des Hollywoodfilms „Apollo 13“ würde mit seinen 36 800 MB gerade einmal 7,9 Minuten vom Mond zur Erde benötigen. Würde der Film über die S-Band-Verbindung der Sonde übertragen, müsste man auf der Erde beinahe 639 Stunden – und somit fast einen Monat – auf die Daten warten. „Zukünftige Missionen können erheblich vom Einsatz der optischen Kommunikation profitieren, da mehr Daten in kürzerer Zeit zur Erde übertragen werden können.“ Für Mond- oder planetare Missionen könnte diese Art der Datenübertragung hilfreich sein und Rover könnten hochaufgelöste 3D-Aufnahmen in Echtzeit übermitteln.

Quellen:

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