Die „Informationsautobahn" zwischen Erde und Mond ist frei! Wie vom Technologie- und Ingenieurzentrum für Weltraumanwendungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu erfahren war, hat Chinas Testmission zur Laserkommunikation zwischen Erde und Mond einen wichtigen Durchbruch erzielt: Über eine Entfernung von mehr als 400.000 Kilometern wurde erfolgreich eine bidirektionale Laserverbindung aufgebaut – erstmals gelang damit eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Laserkommunikation zwischen Erde und Mond. Dies markiert den offiziellen Schritt der chinesischen Weltraum-Laserkommunikation vom erdnahen Orbit in den cislunaren Raum.
▲ Schematische Darstellung der bidirektionalen Laserkommunikation im Erde-Mond-Maßstab.
Weltraum-Laserkommunikation ist eine Kommunikationsmethode, die Laser zur Übertragung von Informationen nutzt und Vorteile wie große Bandbreite, hohe Geschwindigkeit, präzise Ausrichtung und gute Vertraulichkeit bietet. Doch je größer die Entfernung, desto größer die technischen Herausforderungen. Yang Lei, Forscher am Technologie- und Ingenieurzentrum für Weltraumanwendungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte: „Die Tiefraum-Laserkommunikation kämpft stets mit drei großen Hürden: Die Entfernungen betragen oft Hunderttausende von Kilometern, wodurch der Laserstrahl äußerst schwer präzise auszurichten ist; das Signal ist bei der Ankunft auf der Erde bereits so schwach, dass es kaum noch zu empfangen ist; und die Übertragungsgeschwindigkeit konnte lange Zeit nicht gesteigert werden."
Die erste Schwierigkeit liegt im „Anvisieren". Die Kommunikation zwischen Erde und Mond gleicht dem Versuch, aus 400.000 Kilometern Entfernung einen extrem feinen Lichtstrahl präzise durch ein sich schnell bewegendes „Nadelöhr" zu lenken. Selbst eine winzige Winkelabweichung am Sendegerät würde beim Erreichen des Ziels zu einem Positionsfehler von mehreren Kilometern führen. Aus diesem Grund entwickelte das Forschungsteam einen neuen Ansatz: Unter umfassender Berücksichtigung von Faktoren wie Satellitenorbit, Teleskop-Montagefehlern, atmosphärischer Refraktion und Laserflugzeit bleiben der Satellit am Himmel und das Teleskop am Boden während der Bewegung stets aufeinander ausgerichtet, sodass der Laser präzise die vorgesehene Position trifft.
Nachdem das „Anvisierproblem" gelöst war, stellte sich die nächste Herausforderung: Wenn der Laser nach 400.000 Kilometern die Erde erreicht, ist er so schwach, dass nur noch wenige Photonen übrig sind. Das Bodenteleskop empfängt nur äußerst wenige Signale, und Mondlicht, Sternenlicht sowie Stadtbeleuchtung stören zusätzlich. Daher setzte das Team einen „hochempfindlichen Detektor" ein, der einzelne Photonen nachweisen kann, und entwickelte einen komplexen Signalerkennungsalgorithmus, um die nutzbaren Signale aus dem Rauschen herauszufiltern. Dies gleicht dem Versuch, in einem lauten, geschäftigen Stadtgebiet aus Kilometern Entfernung das Geräusch einer fallenden Nadel präzise zu hören.
Nachdem die Signale empfangen werden konnten, musste auch die Übertragungsgeschwindigkeit mithalten. Durch technische Durchbrüche steigerte das Team die Datenverarbeitungseffizienz erheblich. In diesem Test wurden vorläufig Übertragungsraten von 1,25 Mbit/s (Megabit pro Sekunde) in der Aufwärtsrichtung und 100 Mbit/s in der Abwärtsrichtung erreicht. Yang Lei erläuterte: „Am Beispiel eines hochauflösenden 8K-Mondbildes: Mit der herkömmlichen 5-Mbit/s-Mikrowellenverbindung würde die Übertragung etwa 4 bis 5 Minuten dauern; mit der 100-Mbit/s-Laserkommunikation sind es nur etwa 12 Sekunden."
„Die ‚Informationsautobahn' zwischen Erde und Mond ist nun geöffnet, und in Zukunft werden wir mehr und wissenschaftlich originellere Daten gewinnen können", so Yang Lei. Die entsprechenden Technologien werden zudem neue Mittel für die Hochgeschwindigkeits-Übertragung im Rahmen der bemannten Mondlandung, des Aufbaus von Mondforschungsstationen und der Tiefraumerkundung Chinas bereitstellen.
Wie bekannt wurde, wird diese Mission vom Technologie- und Ingenieurzentrum für Weltraumanwendungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet, in Zusammenarbeit mit dem Zhejiang-Labor, dem Yunnan-Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Shanghai-Institut für Mikrosystem- und Informationstechnologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und weiteren Einrichtungen, und wird über einen Satelliten (DRO-A) auf einer entfernten retrograden Umlaufbahn durchgeführt.