Table of Contents

وفي السعي إلى استكشاف الكون، فإن الاتصالات الموثوقة والمرتفعة السرعة هي ذات أهمية حيوية مثل الدفع أو دعم الحياة، وقد اعتمدت البعثات الفضائية العميقة، لعقود، على تكنولوجيا الترددات اللاسلكية لإرسال البيانات عبر ملايين الكيلومترات، ومع ذلك تصبح المركبات الفضائية أكثر تطوراً وتولد حمولاتها العلمية أحجاماً متزايدة من البيانات، فإن حدود النطاق الترددي لمحطة الترددات الأمامية تصبح، بدلاً من ذلك، اختناقية في الاتصالات.

ما هو التواصل البديل؟

فالتواصل البديل، الذي كثيرا ما يسمى الاتصال البصري في الفضاء مجانا في السياقات الفضائية، يستخدم الضوء الليزري المتحرك لنقل البيانات بين مركبة فضائية ومحطة أرضية أو بين مركبة فضائية، والمبدأ الأساسي هو نفس الاتصال الألياف الضوئية على الأرض، ولكن الشعاع يسافر عبر الفراغ بدلا من كابل زجاجي، ولأن موجة الضوء أقصر بكثير من الموجات الترددية اللاسلكية، يمكن تركيز الليزر إلى حد بعيد.

وفي حلقة نموذجية من الوصلات البصرية في الفضاء العميق، يقوم جهاز إرسال ليزر على متن المركبة الفضائية ببث نبضات من الضوء القريب من الاشعة أو المرئية التي تحمل معلومات رقمية مشفرة، ويجمع المقراب على الأرض (أو على ساتل ذي مسار مداري) الصور الواردة ويزيل الإشارة، ولكي يتسنى الاتصال الموثوق به على المسافات الفلكية، يجب أن يعالج النظام العقبات الافتراضية المتباينة في المقاييس، عند تكييف النقاط الجوية.

العناصر الرئيسية لمصطلحات بديلة

  • Laser source]: Usually solid-state or fiber lasers operating at wavelengths around 1,550 nm (telecom band) for eye safety and detector efficiency.
  • Modulator]: Encodes bits onto the laser beam-often by pulse-position modulation (PPM) for photon-efficient deep space communications.
  • Telescope and fine-steering mirror: Expands the beam for transmission or focuses incoming light into detectors; mirrors precisely steer the beam.
  • Tracking sensors]: Cameras or quadrant detectors that lock onto a beacon signal from the ground to maintain milliarc second pointing accuracy.
  • Photon-counting detectors]: Un-photon avalanche diodes (SPADs) or superconducting nanowire detectors that register individual photons even in weak optical streams.

المزايا على نظم الترددات اللاسلكية التقليدية

ويتيح الاتصال البديل عدة مزايا قاهرة للبعثات الفضائية العميقة، يمكن لكل منها أن يعزز كثيرا العودة العلمية والمرونة التشغيلية للمركبات الفضائية الاستكشافية.

معدلات البيانات العليا

أما أكثر النظم الإذاعية التي تستخدم النطاقات X وشبكة الترددات الكهرومغناطيسية في الفضاء العميق، فتقوم عادة بإنتاج بيانات عن عدد قليل من الميغابيتات في الثانية (الآفات) في مسافات المريخ، ويمكن للصلات البصرية أن تحقق مئات الألواح المحتوية على عدة أنواع من الغواصات في ظروف مواتية، وعلى سبيل المثال، فإن قياسات لوحات الاتصالات التي تنقلها ناسا في المدار الثابت بالنسبة للأرض

استهلاك السلطة الأدنى

ويمكن أن تكون أجهزة الإرسال الضوئية أكثر كفاءة من أجهزة الإرسال ذات الترددات الترددية بالنسبة لمعدل بيانات معين، ونظراً إلى أن شعاع الليزر متراكم بدرجة عالية، فإن قوة الإشارة تتركز في زاوية صلبة صغيرة، وتتطلب قدرة أقل مشعة لتحقيق نسبة إشارة إلى درجة المصاب بالضوء يمكن استخدامها في جهاز الاستقبال، وهذا أمر حاسم بالنسبة للبعثات التي تكون فيها الطاقة على متنها محدودة، وخاصة بالنسبة للسواتل الصغيرة، والزبائن، والصن.

انخفاض التداخل بين الإشارات

وتكتنف الترددات اللاسلكية، ويجب على شبكات الفضاء العميق أن تنسق الاستخدام في بعثات متعددة، وتنظم الموجات الضوئية بطريقة مختلفة؛ وفي النطاقات شبه الحمراء والمرئية، لا يوجد في الأساس أي تدخل طبيعي أو من صنع الإنسان في الفضاء، وعلاوة على ذلك، فإن من المرجح أن تتدخل الحزم الضوئية الضيقة في نظم المركبات الفضائية الأخرى أو النظم الأرضية، مما يتيح للبعثات المتعددة استخدام نفس المحطة الأرضية البصرية في وقت واحد (مع الفصل المناسب).

معدات أصغر وألياف

ونظراً لأن الموجات البصرية أقصر، فإن حجم الفتح اللازم لتحقيق مكاسب معينة أصغر من حجم الهوائيات التي تستخدمها محطة لازر للاتصالات يمكن أن يتسع في حجم صندوق حذاء، في حين أن هائياً لاسلكياً عالياً قد يتطلب صحناً كبيراً يضيف الكتلة والتعقيد، وهذا الانخفاض في الحجم والكتلة مفيد بشكل خاص لمركبات الإطلاق الأصغر وللبعثات التي تحتاج إلى تخصيص وزن للصكوك، أو الوقود.

تحسين الأمن والخصوصية

فالاختلاف الضيق في الشعاع الذي ينطوي عليه الروابط البصرية يجعل الاعتراض أو التشويش صعبا للغاية، إذ يتعين أن يكون الخصم على وجه الدقة في مسار الشعاع الليزري لاستخلاص الإشارة، خلافا للإرسالات التي يمكن رصدها من منطقة واسعة، وهذا السمة يوفر الأمن المتأصل للبيانات الحساسة، والنظر المتزايد في البعثات المتعددة الجنسيات ذات الاستخدام المزدوج والمستقبل.

التطورات الراهنة ومظاهر ميلستون

وقد أثبتت عدة بعثات رائدة أن الاتصالات البصرية تعمل في الفضاء العميق، وتنتقل من واقع المفهوم إلى واقع عملي.

مُشهِد اتصالات (ناسا) لـ(لازر)

وكانت هذه الدراسة، التي أطلقت في عام 2013 على متن مستكشفي الغلاف الجوي والغلاف الجوي الداكن، أول بعثة من بعثات ناسا لإظهار الاتصالات البصرية من المدار القمري، وحققت معدلاً أدنى قدره 622 ميغابايت من مسافة تبلغ نحو 000 385 كيلومتر - أكثر سرعة من أي وصلة إذاعية سابقة، كما اختبرت المظاهرة تداخلاً في توجيه البعثات التي أُنجزت دون أخطاء على الرغم من طريقة الأداء في الغلاف الجوي.

الاتصالات البصرية في الفضاء العميق ناسا على الطب النفسي

أما المظاهرة البصرية العميقة الطموحة حتى الآن فهي: لجنة دعم المجتمع المدني، التي تحلق على المركبة الفضائية " نفس " التي أطلقت في تشرين الأول/أكتوبر 2023، وصممت هذه الهيئة لتعمل ما يصل إلى 2.5 من الاتحاد الأفريقي (حوالي 370 مليون كيلومتر) من الأرض، وهي تُعد جهازاً لنقل الليزر بواسطة جهاز استقبال من طراز " 22 سم " ، وأجهزة استقبال مصورة في مرصد بالفلوراً.

محطة أرضية أو إنجازات وكالة الفضاء الأوروبية

وقد نشطت وكالة الفضاء الأوروبية في الاتصالات البصرية منذ عقود، حيث تعمل محطة أرضية البصرية على تينريف، وتستعمل سواتل ألفاسات وسينتينيل التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية وصلات ليزرية لشبكة المعلومات الجغرافية - الأرضية والاتصالات بين السواتل، وفي شباط/فبراير 2023، أجرت وكالة الفضاء الأوروبية وصلة ناجحة من ساتل مداري إلى محطة طرفية للطائرات، مما يدل على قدرات للشحن في المستقبل.

الجهود التجارية والدولية

وتقيم شركات مثل الفضاء الخارجي (Starlink laser inter-satellites)، وتيسات - سباسكوم، وأجهزة نووية عامة محطات فضائية بصرية تجارية، بينما تكون هذه المحطات في معظمها لتطبيقات المدار الأرضي المنخفض والشبكة العالمية لسواتل الملاحة، فإن نفس التكنولوجيا التي تنضج في الفضاء العميق، وقد أظهرت الوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي روابط متفاوتة من بعثة هايابوسا 2 للآليات الفضائية، وشركة الصينية

التحديات والحواجز التقنية

وعلى الرغم من التقدم الكبير، لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن يصبح الاتصال البصري عائقا أمام البعثات الفضائية العميقة.

التموين الجوي وغطاء السحاب

إنّ حرّاسات الغلاف الجوي للأرض وشعاعات الليزر المُتحطّمة، مسببةً التكتم، وهبوّة الشعاع، وتشوّهات، ولئن كان السمع التكيّفي يمكن أن يخفف بعض الآثار، فإنّ السحب تحجب تماماً الروابط البصرية، وهذا يعني أنّ محطات الأرض البصرية يجب أن تكون موجودة في مناطق ذات احتمال واضح (مثل الصحارى، وعلامات الجبال) ويفضل أنّ محطات دعم متعددة تُ تنتشر جغرافياًاً لتوفير تغطية مُ مربوطةًاً.

نقطة الدقة ومكافحة الحزم

في مسافات المريخ، قد يكون فارق الشعاع الليزري مجرد بضع ثواني ضيقة على سطح الأرض، ويجب أن توجه المركبة الفضائية ليزرها بدقة مليتارك الثانية بينما تتحرك بسرعة عالية مقارنة بالأرض، وهذا يتطلب متتبعين نجميين معا، ووحدات قياس غير مقصودة، ومرايات توجيهية دقيقة، علاوة على أن الوقت الضئيل للتصويب الممتد ذهابا وإيابا يمكن أن يكون تقدما كبيرا، وبالتالي ينبغي أن يكون الاكتشافات السريعة.

السلطة والاستمرارية

وتتطلب وصلات الفضاء العميق أجهزة إرسال الليزر ذات القدرة الكافية لإنتاج إشارات يمكن اكتشافها بعد سفر مئات الملايين من الكيلومترات، ويجب أن تعمل الليزرات ذات الطاقة العالية بكفاءة وأن تنجو من الإشعاع البيئي للفضاء ودرجة الحرارة القصوى والفراغ، كما أن اختبارات عمرية للأدوية الليزرية والمضخمات الألياف جارية، ولكن بعثات طويلة الأجل )مثلا، ١٥ سنة بالنسبة لحزمة من أجهزة التصوير التابعة للنظام الشمسي الخارجي( تحتاج إلى مكونات موثوقة بدرجة عالية.

معلومات أساسية عن الضوضاء وتداخل الشمس

فالضوء الشمسي مصدر ضوضاء كبير، وعندما تكون المركبة الفضائية قريبة من الشمس في السماء (مثلاً أثناء فترة الاصطدام الشمسي)، يمكن أن تحجب الخلفية المشرقة الإشارة، فنظم الاتصالات البصرية تستخدم مرشحات ضيقة للقطع، ومرشحات للسيارات، والتمييز المؤقت لرفض صور المعلومات الأساسية، كما أن بعض التصميمات تستخدم تقنيات التوزيع الرئيسية الكمي التي هي بطبيعتها فترات مرتفعة من حيث الضوضاء.

Scalability and Cost of Ground Infrastructure

إن نشر محطات أرضية بصرية متعددة ذات فتحات كبيرة )١-٤ تلسكوبات مترية( ذات أجهزة متطورة للبصريات والكشف عن المبردات مكلفة، واليوم، لا توجد سوى حفنة من هذه المحطات في جميع أنحاء العالم، غير أن التكلفة آخذة في التناقص مع ازدياد شيوع التلسكوب الفلكي التجاري ونظم البصريات التكييفية، وتعتزم شبكة الفضاء العميقة حاليا إدماج القدرات البصرية في مواقعها في غولدستون، كانبرا.

التوقعات المستقبلية: جعل الاتصالات البصرية روتينية

وفي المستقبل، ستعجل عدة اتجاهات وتطورات باعتماد الاتصالات البصرية في الفضاء العميق.

شبكة محطات قاعدية موزعة

وبدلا من الاعتماد على صحون أو طبقتين أحادية، من المرجح أن تتألف الشبكات البصرية في المستقبل من العديد من المقراب الأصغر حجما (0.5 إلى 1 متر) التي يتم تصفيتها معا، وهذا النهج يوفر التنوع مقابل الغطاء السحابي، ويتيح تدهورا سمينا، ويخفض التكلفة لكل محطة، وشبكة أوروبية لمحطة أرضية ذات قاعدة متطورة، وشبكة محطات الأنسا الفرعية ذات المدارية الضوئية، هي نسخ مبكرة من هذا المفهوم.

التنميط المتكامل للمصابين بالهوتينات والنباتات

ويمكن للدوائر المتكاملة المأهولة أن تجمع بين الليزر والمناورة والآلات والكشفات وأجهزة الموجات على رقاقة واحدة، مما يقلل بشدة من حجمها وكتلها واستهلاكها من الطاقة، وقد تكون محطات الجيل القادم صغيرة بما يكفي للطيران على المكعبات وصغيرة المكعب، مما يتيح الاتصالات البصرية للوصلات والحوافد الفضائية في جامعات الحاجزات السفلى.

ساتلاً للطلاب ومرفق للهياكل الأساسية البصرية

القمر هو أرض مثبتة للاتصالات البصرية في الفضاء العميق، نظام الطول الجوي والملاحة المخطط له في ناسا سيتضمن وصلات بصرية لتمكين الفيديو العالي التعريف من سطح القمر ودعم رواد الفضاء، ويمكن لهذه الهياكل الأساسية أيضا اختبار مفاهيم النفقة بين الكواكب، مثل، نقل بصري في نقطة الأرض مباشرة بين نقطة الاتصال L2.

الاتصال الكمي من أجل تحقيق أقصى قدر من الأمن والكفاءة

الباحثون يستكشفون الاتصالات البصرية المحدودة الكمية، حيث المعلومات مُنْصَفة في الولايات الكميّة للصور، التوزيع الرئيسي الكمي يمكن أن يوفر تشفيراً آمناً لوصلات القيادة الفضائية العميقة، وتركيب كمي يمكن أن يتيح نقل البيانات بسرعة أكبر من التصنيف عبر بروتوكولات شبيهة بالإنترنت (وإن لم يكن ذلك في العقد)

العمليات المستقلة ذاتيا

ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم في مجال الآلات الجوية، وأن تُحدِّد المواقع البصرية التكيُّفية إلى أقصى حد، وأن تختار بشكل مستقل أفضل محطة أرضية قائمة على التنبؤات الجوية، وعلى جانب المركبات الفضائية، يمكن أن تعطي الأولوية للبيانات التي سترسل أولاً، وأن تعدل العزلة وتُدوِّن في الوقت الحقيقي، بل وأن تُحدِّد التشوهات دون انتظار وجود أوامر قوية من الأرض.

الآثار المترتبة على علوم الفضاء العميقة واستكشاف البشر

الاتصالات البصرية ستغير بشكل أساسي كيف نستكشف النظام الشمسي.

إعادة البيانات العلمية الأثرية

تخيل رواية المريخ التي تنقل 4K فيديو عن مسارها أو كواكب خارجية ترسل بيانات التصوير المستمر للطيف دون أن تدوم أسابيع، فالوصلات البصرية تتيح للعلماء الحصول على بيانات بمعدلات تضاهي وصلات الإنترنت الأرضية، مما سيمكن من إجراء المزيد من التجارب، والتوصل إلى حل أعلى، والاكتشاف السريع، فعلى سبيل المثال، يمكن لبعثة اليوروبا كليبر أن ترسل خرائط مفصلة للكيمياء السطحية بدلا من ساعات.

العمليات التفاعلية الفعلية للبعثات البشرية

أما بالنسبة للبعثات المأهولة إلى المريخ، فلا يمكن تجنب التأخير في الاتصالات لمدة 4-24 دقيقة (الرحلة المحيطة) ولكن الروابط البصرية مع ارتفاع معدلات البيانات تتيح الفرصة للصوت والفيديو وتبادل البيانات خلال فترات التأخير المقررة، حيث يكون التأخير قصيرا، ويمكن للملاحين الفضائيين أن يتشاوروا مع العلماء الذين يستخدمون البيئات الافتراضية المشتركة، ويمكن للأسر في المنزل أن ترى فيديو من المريخ ذات الحد الأدنى من الشحنات، بل إن القدرات غير المدققة على العودة ستستفيد من تحسينها.

الملاحة والعلوم المستقلة

ويمكن للمركبات الفضائية أن تُنزل بيانات الاستشعار الخام من أجل التجهيز على الأرض مع تلقي نماذج ملاحية مستكملة في الوقت نفسه، وهذا أمر حاسم بالنسبة للهبوط على الهيئات غير المعروفة بالأرض، حيث يجب تعزيز التجهيز على متنها بتحليل أرضي، كما أن الروابط البصرية يمكن أن تدعم القدرة على التنبؤ بالهاتف في الوقت الحقيقي لعمليات الطائرات بدون طيار أو الدوارات أو البرامج الجوية في العالم الآخر.

خاتمة

إن التحول من الاتصالات اللاسلكية إلى الاتصالات البصرية ليس مجرد تحديث تدريجي، بل هو تغيير نموذجي في مجال استكشاف الفضاء العميق، كما أن ارتفاع معدلات البيانات وانخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض التدخل سيفتح المجال أمام العلوم الجديدة ويتيح للبعثات البشرية الطموحة خارج القمر، أما المظاهرات الحالية مثل برنامج دعم المجتمع المحلي ومشروع وكالة الفضاء الأوروبية الجاري فهي تثبت أن التكنولوجيا تعمل، حتى في المسافات الفاصلة بين الكواكب، وتكيف أساليب الابتكار الضوئية المتبقية.

لمزيد من القراءة، استكشاف فريق الاتصالات البصرية التابع للجنة المعنية بالسواتل الملاحة ] ونظرة عامة شاملة في ] النشر التقني للوكالة الوطنية للملاحة الفضائية بشأن الاتصالات البصرية في أعماق الفضاء .]