Kosmiczny streaming wideo

W październiku 2023 rakieta Falcon Heavy wyniosła w przestrzeń sondę Psyche. O misji Psyche, bardzo skądinąd interesującej, pisał wcześniej Mirosław Dworniczak. Ja jednak chciałbym napisać na temat bardzo ważnego eksperymentu, który miał być w ramach Psyche przeprowadzony. Mowa o Deep Space Optical Communications (DSOC), nowej technologii przekazu danych na kosmiczne odległości.

Na czym polega nowatorstwo DSOC?

Dotychczas w łączności kosmicznej wykorzystywano zwykły modulowany sygnał radiowy, używając nadajników różnej mocy, a efektywna prędkość transmisji była dość niska. Na przykład łaziki Curiosity (2012) i Mars Perseverance Rover (2021) korzystały z nadajników o mocy około 125 watów, a prędkość transmisji wahała się od kilku do kilkuset kb/s. Technologia ta wystarczała do przesyłania krótkich komunikatów, danych i sygnałów sterujących z Ziemi, ale do transmisji obrazów (a tym bardziej filmów w czasie rzeczywistym) niekoniecznie. Obrazy przesyłały się długo i były niskiej jakości. DSOC ma zamiar złamać ten obowiązujący dotychczas paradygmat i wykorzystując celowany promień lasera podczerwonego, transmitować dane z prędkością liczoną w setkach megabitów na sekundę, czyli 10-100 razy szybciej niż do tej pory. Czyli z prędkością dobrej jakości ziemskiego internetu szerokopasmowego.

Ryc. 1. 15-sekundowy film przesłany w obie strony w ramach eksperymentu DSOC. Źródło: NASA/JPL-Caltech.
Link do filmu na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=GvJtVOmFs5Q

Eksperyment

Seans łączności odbył się 11 grudnia 2023. Do przetestowania łączności posłużył (wcześniej nagrany) 15-sekundowy film wysokiej rozdzielczości z kotem Tatersem uganiającym się za wskaźnikiem laserowym w roli głównej. Film został przesłany z Ziemi do urządzenia nadawczo-odbiorczego na Psyche, skąd natychmiast odesłano go z powrotem na Ziemię. Odległość sondy od Ziemi wynosiła wtedy około 30 milionów kilometrów, więc czas transmisji wyniósł 101 sekund. Prędkość maksymalna transmisji wyniosła 267 megabitów na sekundę (Mb/s). Podczas całej sesji łączności przesłano w sumie 1,3 terabita danych. Dla porównania – misja NASA Magellan na Wenus w latach 1990-1994 przesłała łącznie 1,2 terabita. Właśnie ze względu na potrzebę przesyłania ogromnych ilości danych pomiarowych, a nie medialnie atrakcyjnej transmisji live video projekt DSOC jest tak ważny. Znakomita większość odległych lotów kosmicznych to misje bez powrotu i nie ma sensu gromadzenie danych na nośnikach, które nigdy nie powrócą i nie będą odczytane. Zebrane dane muszą być przesyłane na Ziemię na bieżąco, inaczej przepadną. Alternatywą jest selekcja i wstępne przetwarzanie danych na miejscu.

Oczywiście był to jedynie test skomplikowanego, przyszłego systemu łączności; wiele prób jeszcze przed Psyche, ale można już być pewnym, że po usunięciu błędów i udoskonaleniu technologii będzie to rewolucja w łączności kosmicznej. Sonda po dotarciu do celu, którym jest metalowa asteroida Psyche znajdująca się w odległości 2,5-3,3 jednostki astronomicznej (j.a.), czyli około 500 milionów kilometrów od Ziemi, do przesyłania danych „produkcyjnych” będzie wykorzystywała klasyczną łączność radiową.

Opisywany test DSOC to nie pierwsza próba łączności laserowej w kosmosie, ale pierwsza, której celem jest łączność długodystansowa, docelowo podczas przyszłych misji na Marsa. Pierwszy test dwukierunkowej komunikacji laserowej miał miejsce w grudniu 2021 r., kiedy NASA przetestowała łączność z obiektem orbitalnym w odległości 35 406 kilometrów od Ziemi. Także załogowa misja Artemis, która okrąży Księżyc, będzie wykorzystywała łączność laserową do bieżącego przesyłania nagrań wideo wysokiej jakości.

Przed wykonaniem opisywanego rekordowego testu, 14 listopada przeprowadzono wstępną próbę łączności, która miała na celu synchronizację i kalibrację urządzeń, a sygnał odebrany przez Psyche z Ziemi pozwolił na dokładniejsze wycelowania jej lasera w teleskop Hale’a.

Na czym polega kosmiczna łączność laserowa DSOC?

Ryc. 2. Architektura planowanego systemu łączności laserowej DSOC. Źródło: NASA/JPL, domena publiczna.

System komunikacyjny DSOC składa się z trzech podstawowych elementów. Na pokładzie Psyche znajduje się urządzenie nadawczo-odbiorcze z laserowym nadajnikiem o mocy 4 watów. Na Ziemi – nadajnik laserowy o mocy 5 kilowatów i odległy od niego o kilkadziesiąt kilometrów odbiornik zintegrowany z teleskopem Hale’a, największym teleskopem w obserwatorium Palomar. Na potrzeby projektu zaprojektowano bardzo czułe detektory (liczniki) fotonów umieszczone na obu końcach kosmicznej linii transmisyjnej.

Temat nadprzewodzących detektorów pojedynczych fotonów (NSNPD) jest interesujący sam w sobie, gdyż 64-pikselowa matryca jest zdolna do zliczania ponad 1 miliarda fotonów na sekundę przy rozdzielczości czasowej poniżej 100 ps (pikosekund), co jest rekordem świata.

Ryc. 3. Matryca SNSPD firmy MDL.
Źródło: https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/

Do łączności DSOC użyto lasera pracującego w bliskiej podczerwieni. Ważnym elementem systemu jest korekcja błędów, zwłaszcza separacja szumu tła, czyli fotonów pochodzących ze Słońca i ziemskiej atmosfery. Korekcji podlegają też różnego rodzaju wibracje.

Wymiary poszczególnych elementów systemu to: nadajnik na Ziemi – 1 m, ziemski odbiornik – 5,1 m (teleskop Hale’a), teleskop na Psyche – 22 cm. Projektując test, oczekiwano, że prędkość przekazu z Ziemi na Psyche powinna osiągnąć 292 kbit/s w odległości 0,4 j.a. (60 000 000 km), a transmisja powrotna 100 Mb/s.

Ryc. 4. Teleskop Hale’a w obserwatorium Palomar.
Źródło zdjęcia: NASA/JPL-Caltech/Obserwatorium Palomar

Co dalej?

Przed eksperymentem DSOC jeszcze wiele podobnych seansów łączności. Oczekuje się, że próby będą powtarzane aż do osiągnięcia maksymalnej odległości od Ziemi, a czas transmisji wydłuży się do 20 minut. Jest to wystarczająca odległość, aby przetestować wszelkie aspekty przyszłej łączności z Marsem, bo to Mars jest ostatecznym celem misji. Aby uświadomić skalę wyzwań technologicznych, należy pamiętać o tym, że w czasie tej 20-minutowej transmisji Psyche i Ziemia będą się przemieszczać i obracać, a wąska wiązka laserowa z Psyche musi zachować ciągłą łączność z maleńkim (w skali kosmicznej) teleskopem Hale’a.

Harmonogram testowania systemu:

  • Około 20 dni po wystrzeleniu: faza I – kalibracja DSOC, przygotowanie do następnego etapu fazy 1.
  • Około 50 dni po wystrzeleniu: pierwsza transmisja testowa (opisywana w tym tekście).
  • Czerwiec 2024: zakończenie fazy I (300 mln kilometrów od Ziemi).
  • Styczeń 2025: II faza testów.
  • Październik 2025: zakończenie testów DSOC.

Następny test systemu przewidziany jest więc na czerwiec 2024, kiedy odległość sondy Psyche od Ziemi wyniesie około 300 milionów kilometrów, czyli 2 jednostki astronomiczne (sonda będzie dwa razy dalej od Ziemi niż Ziemia od Słońca). Taką odległość światło przebywa w 1000 sekund, czyli nieco ponad 15 minut. Dla porównania, odległość Marsa od Ziemi to 56-400 milionów kilometrów (średnio 225 mln km); światło pokonuje ją w ok. 200-1300 sekund.

Czekamy więc do czerwca.

Pluton-238 – na przystanku po drodze w Kosmos

Duże poruszenie zapanowało w NASA z powodu maleńkiej przesyłki. W sierpniu 2023 roku z Oak Ridge National Laboratory wysłano do Los Alamos National Laboratory 500 g tlenku plutonu-238. Warto tu wspomnieć, że oba te laboratoria powstały w latach 40. XX wieku w ramach Projektu Manhattan. W tym drugim laboratorium przekształca się tlenek plutonu w elementy, które będą użyte w generatorach ciepła i energii elektrycznej. Ale to nie koniec podróży. Przygotowane elementy radioaktywne zostają następnie przesłane do Idaho National Laboratory gdzie są testowane i stamtąd wysyłane do NASA na Florydę.

Aby mieć wyobrażenie o wielkości tej próbki, wyobraźmy sobie sześcian o krawędzi 3,5 cm albo 1,5 pudełka zapałek. Spokojnie zmieści się to w dłoni. Najważniejsze, że zrobiono pierwszy krok, ponieważ magazyn NASA był praktycznie pusty od lat.

Zacznijmy jednak od początku. Co to jest ten pluton-238 i co z tym wspólnego ma NASA? Pluton to pierwiastek z grupy aktynowców, który możecie kojarzyć z bombą jądrową. I prawidłowo – pierwsza testowa bomba „Trinity” była oparta właśnie na plutonie, ale w tym przypadku był to znacznie trwalszy izotop – pluton-239. Izotop nieco lżejszy, pluton-238, na szczęście nie służy do produkcji bomb. Jest on bardzo nietrwały, jego czas półtrwania wynosi ok. 88 lat, rozpada się z wydzieleniem cząstek alfa (jąder helu). W związku z tym, że rozpada się tak szybko, stanowi niezłe źródło ciepła.

Element paliwowy z dwutlenku plutonu (PuO2) emitujący ciepło pod wpływem rozpadu alfa
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Zaletą jest też to, że izotop ten nie emituje promieni beta i gamma – wystarczy w takim przypadku minimalna osłona. Same zalety! No cóż, jest jedna wada – trzeba go wyprodukować i oczyścić, a nie jest to łatwe. Ponieważ na istotne ilości Pu-238 oczekuje od lat NASA (za chwilę napiszę, do czego go potrzebują), kilkanaście lat temu Departament Energii USA (DOE) wdrożył ponownie program jego produkcji. Może to być zaskakujące, ale wcześniejsza produkcja tego izotopu została wstrzymana w 1988 roku, a po tej dacie Amerykanie kupowali gotowy pluton w Związku Radzieckim. Plany DOE zakładały, że w roku 2015 produkcja osiągnie 1,5 kg rocznie, co miało pokryć zapotrzebowanie NASA. Do dziś nie udało się tego poziomu osiągnąć. Tu trzeba dodać, że produkcja plutonu-238 jest obecnie prowadzona we współpracy z Kanadą.

Pluton-238 powstaje jako produkt uboczny w reaktorach jądrowych. Mówiąc skrótowo: uran przekształca się w neptun, a z niego powstaje właśnie pluton. Niestety, mamy tu do czynienia z mieszaniną, w której tylko 1-2% stanowi Pu-238. Nie opłaca się tej mikstury rozdzielać. Dlatego też opracowano inne metody. Jedną z nich jest napromieniowanie tarcz wykonanych z neptunu (Np) albo z ameryku (Am). Właśnie taką techniką produkowany jest obecnie pluton, a roczna produkcja sięga 0,5 kg. Amerykanie szacują, że do 2026 roku osiągną wydajność 1,5 kg rocznie.

Doprecyzowując – uran-238 bombardowany jądrami deuteru (wodór-2) przekształca się w neptun-238, który wypromieniowując promienie beta (elektrony), wytwarza pluton-238. Jest to niezwykle gęsty pierwiastek (19,8 g/cm3), a stosowany jest zwykle w postaci tlenku – PuO2 (o gęstości ok. 11 g/cm3).

Dziś produkcja ta wygląda tak: zużyte paliwo z reaktorów trafia do zakładów przetwórczych, gdzie odzyskuje się z nich neptun-237. Jest on dostarczany do reaktora, w którym bombarduje się go neutronami. Powstaje w tym procesie neptun-238, który emitując elektron przeskakuje w prawo w układzie okresowym i przekształca się w pluton-238. Gotowe!

Do tej pory pluton stanowił istotne źródło energii w ponad 30 misjach kosmicznych. Jest to bardzo efektywny sposób, ponieważ nie wymaga żadnego zewnętrznego sterowania i kontroli. Pluton powoli rozpada się, wydzielając w sposób ciągły duże ilości ciepła, przy czym nie może tu zajść reakcja łańcuchowa (taka może zajść, jeśli mamy pluton-239). Ciepło jest tu sprawą kluczową, bo pokładowa elektronika słabo działa w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Ale dodatkowo jest to źródło energii elektrycznej. Do pojemnika z plutonem jest wprowadzona jedna elektroda termopary (ogrzewana), natomiast druga (chłodząca) znajduje się na zewnątrz. W efekcie jest tam generowany prąd, który służy do zasilania elektroniki pokładowej. Tego typu urządzenia noszą ogólną nazwę SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power). Są one używane przede wszystkim w sondach kosmicznych, które wysyłamy na tyle daleko od Słońca, że nie da się zastosować tam klasycznych paneli słonecznych. Przykładowo, taki system oparty na tlenku plutonu zastosowano m.in. w sondach Voyager.

Sonda Voyager – źródła energii (trzy) widoczne są po lewej
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Po 46 latach misji znajdują się one w odległości ponad 20 mld km od Ziemi, a generatory, które miały na starcie moc 470 W, dziś nadal dostarczają ponad 200 W energii. Co prawda część urządzeń została wyłączona w celu oszczędzania energii, ale inżynierowie misji mają nadzieję, że jakaś komunikacja z sondą będzie możliwa jeszcze w roku 2025 (czyli 48 lat po starcie!).

Niestety, te 0,5 kg plutonu to zdecydowanie za mało, aby na dłuższy czas zaspokoić zapotrzebowanie. Przykładowo: łazik marsjański Perseverance, wysłany w ramach misji Mars 2020, jest wyposażony w system MMRTG – Multi Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Energię czerpie z rozpadu 4,8 kg tlenku plutonu-238. Następne misje będą wymagać podobnych ilości, a więc NASA musi cierpliwie zbierać produkowany pluton, pamiętając oczywiście o jego czasie półtrwania.

Informacja o plutonie na stronie Oak Ridge Laboratory