Лазерный мир

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) из Сарова завершают создание уникальной установки лазерной космической связи, над созданием которой бьются технари во всем мире.

Российские ученые обоснованно считают, что их установка способна обеспечить уровень связи, невозможный для современных радиоволн. Дело в том, что нынешние системы космической связи уже подошли к своему пределу. К тому же, при увеличении количества спутников на околоземной орбите проблема «космического шума» станет не менее острой, чем вопрос «космического мусора».

Почему же у современных радиоволн существует предел пропускной способности? И что могут решить космические лазеры связи? Об этом — в материале ФАН.

Радиоволнам пора на покой

На сегодняшний день космическая связь осуществляется с помощью все тех же радиоволн, как это было 70 лет тому назад, на заре космической эры. Однако у волн радиодиапазона есть большое число недостатков, главным из которых является пропускная способность канала связи.

По классической физике объем передачи данных в таком канале прямо зависит от используемой частоты: чем она выше, тем проще передать в одном и том же канале больший объем полезных данных. Радиоволны, на которых построена современная космическая связь, хороши во многих других параметрах. Например, атмосфера Земли для них в основном прозрачна, а оборудование для их передачи и приема достаточно несложное. Но вот с частотой у них беда — она очень низкая по сравнению с видимым светом или даже инфракрасными лучами.

Как следствие, в одном канале связи в космосе мы можем передать очень небольшой объем информации в единицу времени — не более 1 Гб/секунду. Такой объем информации вполне достаточен для связи с одиночным спутником, однако уже на десяток аппаратов, чтобы они не мешали друг другу, придется нарезать гораздо более скромные значения — 100 Мб/сек, как у бытового оптоволокна.

Ситуация еще более осложняется, когда приходится запускать на орбиты сотни и даже тысячи аппаратов, как это планируется, например, для системы глобального интернета компании SpaceX Илона Маска — программы Starlink. В этом случае аппараты в космосе просто начинают «перекрикивать» друг друга, занимая один и тот же канал связи и мешая друг другу.

При этом передавать данные по узкому лучу, в принципе, можно и в диапазоне радиоволн, но так гораздо сложнее: радиоволны плохо фокусируются. Кроме того, тот же глобальный интернет предполагает, что спутник «светит» широким конусом сигнала, и уже на Земле абоненты «разбирают» из него нужные им пакеты данных.

Именно по этим причинам компания Маска сейчас взяла временный перерыв в запусках спутников Starlink. Уже запущенные и находящиеся на орбите 1657 спутников нужно постоянно синхронизировать между собой, а этому как раз и препятствует допотопная система связи, унаследованная со времен Королева и Вернера фон Брауна. А ведь полная группировка Starlink должна включать от 12 до 42 тысяч отдельных аппаратов!

«Оптоволокно» для космоса

В свою очередь, у лазерной связи частота колебаний очень высокая: на частотах, которые используют современные лазеры, мы можем передавать по одному каналу до 100 Гб — в сто раз больше, чем у радиоволн. При этом для целей космической связи можно использовать, например, инфракрасные лазеры, чтобы попасть в нужное «окно прозрачности» атмосферы и не зависеть от погоды.

Вторым преимуществом лазера является узкая направленность. В отличие от радиоволн, его энергия практически не рассеивается в зависимости от расстояния. И это дает сразу два плюса.

Во-первых, сам лазерный передатчик может быть маломощным, что очень важно для спутника, где каждый киловатт энергии солнечных батарей буквально на вес золота.

Во-вторых, перехватить направленный лазерный луч практически невозможно. А это уже интересно как для гражданского применения в системах защищенной связи, так и для вездесущих военных. Которые, кстати, уже давно присматриваются к возможностям таких мега-группировок в космосе, как Starlink Илона Маска.

Кроме того, лазерные каналы находятся в той области электромагнитного спектра, которая не регламентируется надзором за частотами, поэтому специальных разрешений на ее использование получать не нужно.

А что же Россия? Эксперимент с лазерной связью в нашей стране запланирован на 2024 год, и сейчас в Сарове уже ведутся работы по изготовлению опытных комплектов аппаратуры. Один аппарат такой связи будет стоять на транспортном корабле «Прогресс», а второй — на МКС. Между этими двумя станциями будут отрабатываться процедура и техника связи, которая в ближайшем будущем позволит масштабировать эту технологию на сколь угодно большое число космических аппаратов.

Так что вскоре Россия сможет решить проблему «космического шума», которая оказалась даже острее проблемы космического мусора.

Источник: https://riafan.ru/1509452-rosatom-zavershaet-sozdanie-lazernoi-kosmicheskoi-svyazi-bez-kotoroi-zavis-starlink