Wie Dimensionnetz vom Technologie- und Ingenieurzentrum für Weltraumanwendungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erfuhr, hat China kürzlich einen wichtigen Durchbruch bei der Laserkommunikations-Testmission zwischen Erde und Mond erzielt. Über eine Entfernung von mehr als 400.000 Kilometern wurde erfolgreich eine bidirektionale Laserstrecke aufgebaut und erstmals eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Laserkommunikation zwischen Erde und Mond realisiert. Dies markiert den offiziellen Übergang der chinesischen Weltraum-Laserkommunikation vom erdnahen Orbit in den Erde-Mond-Raum.
Bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Laserkommunikation zwischen Erde und Mond
Welche technischen Herausforderungen mussten bewältigt werden?
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.
Bekanntlich bestehen im Bereich der Tiefraum-Laserkommunikation seit jeher mehrere große Probleme: Die Entfernung beträgt Hunderttausende von Kilometern, wodurch der Laserstrahl äußerst schwer präzise auszurichten ist; das Signal ist bei der Ankunft auf der Erde so schwach, dass es kaum noch empfangen werden kann; und die Übertragungsgeschwindigkeit lässt sich nur schwer steigern.
Angesichts des Ausrichtungsproblems entwickelte das Forschungsteam eine neue Methode: Unter umfassender Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Satellitenorbit, Teleskop-Montagefehler, atmosphärische Refraktion und Laserflugzeit bleiben der Satellit am Himmel und das Teleskop am Boden während der Bewegung stets aufeinander ausgerichtet, sodass der Laser präzise die vorgegebene Position trifft. Dies gleicht dem präzisen Durchfädeln eines extrem feinen Lichtstrahls durch ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes „Nadelöhr" in 400.000 km Entfernung.
Wie lässt sich das Problem des schwachen Signals lösen? Die Forscher verwendeten einen „hochempfindlichen Detektor", der einzelne Photonen nachweisen kann, und entwickelten einen komplexen Signalerkennungsalgorithmus, um das Nutzsignal aus der Masse des Rauschens „herauszufischen". Dies ist vergleichbar damit, in einem tausend Kilometer entfernten, lärmenden und geschäftigen Marktgetümmel präzise das Geräusch einer zu Boden fallenden Nadel zu hören.
Die letzte Hürde war die Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit. Durch eine Reihe technischer Durchbrüche konnte das Forschungsteam die Datenverarbeitungseffizienz erheblich verbessern. Bei diesem Test wurden vorläufig Kommunikationsraten von 1,25 Mbit/s (Megabit pro Sekunde) auf der Uplink- und 100 Mbit/s auf der Downlink-Strecke erreicht. Für die Übertragung eines hochauflösenden 8K-Mondbildes würde die herkömmliche Mikrowellenverbindung etwa 4 bis 5 Minuten benötigen; mit der 100-Mbit/s-Laserkommunikation wären es nur etwa 12 Sekunden.
Die damit verbundenen technologischen Durchbrüche markieren den offiziellen Übergang der chinesischen Weltraum-Laserkommunikation vom erdnahen Orbit in den Erde-Mond-Raum und werden wichtige technologische Unterstützung für die bemannte Mondlandung Chinas, den Bau von Mondforschungsstationen und die Tiefraumforschung bieten.