La NASA ha recentemente conseguito un risultato straordinario in un’impresa ancora più ambiziosa: fornire una connessione a banda larga all’intero sistema solare. In particolare, la divisione Deep Space Optical Communications (DSOC) dell’organizzazione ha trasmesso con successo 15 terabit di dati dalla missione Psyche, a una distanza impressionante di circa 300 milioni di miglia dalla Terra, utilizzando un fascio laser.
DSOC: la banda larga raggiunge il sistema solare
Questa distanza – tre volte superiore a quella tra la Terra e il Sole – rappresenta un’enorme svolta nelle comunicazioni spaziali. Questa tecnologia è non solo necessaria per le future missioni, ma lo è già adesso. Sean Meenehan, responsabile del software di terra del DSOC, ha infatti sottolineato che la tecnologia esistente, basata sulle onde radio, sta creando “colli di bottiglia” nella quantità di dati che si possono ottenere in un dato lasso di tempo. L’innovazione è la risposta a questa crescente esigenza di larghezza di banda.
Oltre al team di scienziati e ingegneri, il sistema è composto da due componenti principali: un ricetrasmettitore laser montato sulla sonda Psyche e due stazioni di terra dedicate. La struttura di Table Mountain del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA svolge il ruolo di “faro”, inviando un raggio laser a Psyche. La sonda riceve il segnale e lo usa come riferimento per puntare con precisione il proprio laser verso la seconda stazione, l’Osservatorio Palomar del Caltech, situato nella contea di San Diego.
Il laser trasmette dati codificati e comunicati essenzialmente come il codice Morse, ma attraverso sfarfallii nel fascio luminoso. La difficoltà di questa operazione è paragonabile al tentativo di usare un puntatore laser per evidenziare Marte nel cielo. Sia Psyche che la Terra si muovono a velocità incredibili e la loro distanza è tale che il segnale laser, pur viaggiando alla velocità della luce, impiega diversi minuti per raggiungere la destinazione.
Utilizzando il puntamento estremamente preciso richiesto da terra e i trasmettitori laser di bordo per chiudere il collegamento di comunicazione, i team della NASA hanno dimostrato che le comunicazioni ottiche sono pienamente utilizzabili per supportare le future missioni in tutto il sistema solare.
A riprova della sua efficacia, nel dicembre 2023 il DSOC ha fatto la storia inviando sulla Terra un video ad altissima definizione del gatto Taters che insegue un puntatore laser da una distanza di oltre 19 milioni di miglia, con una velocità di trasmissione di 267 megabit al secondo. Il DSOC ha completato il suo 65° e ultimo passaggio nel dicembre 2024, ricevendo un segnale trasmesso da una distanza di 307 milioni di miglia, ben oltre l’orbita di Marte.
L’evoluzione dell’esplorazione spaziale e la fame di dati
L’inarrestabile progresso dell’esplorazione spaziale è intrinsecamente legato a un aumento esponenziale delle nostre necessità di trasferimento dati. Questa correlazione è destinata a intensificarsi man mano che le missioni umane e robotiche si spingono oltre l’orbita terrestre bassa, rendendo le attuali infrastrutture di comunicazione insufficienti per le ambizioni future della NASA.
Secondo Kevin Coggins, vice amministratore associato del programma SCaN (Space Communications and Navigation) della NASA, le prossime frontiere dell’esplorazione, in particolare la Luna e Marte, imporranno requisiti di larghezza di banda senza precedenti. Le future missioni con equipaggio e i veicoli robotici avanzati avranno il compito di raccogliere e inviare a Terra un volume massiccio di informazioni.
Le nuove generazioni di strumenti scientifici, le telecamere ad altissima risoluzione e la strumentazione medica e ambientale a bordo dei veicoli spaziali produrranno terabyte di dati. Sarà fondamentale che gli astronauti siano in grado di trasmettere sulla Terra non solo immagini ad alta risoluzione per l’analisi geologica e ambientale, ma anche dati strumentali complessi relativi agli esperimenti scientifici, alla salute dell’equipaggio e allo stato dei sistemi della navicella.
L’attuale tecnologia di comunicazione spaziale, basata principalmente sulle onde radio, si trova di fronte a limiti fisici di velocità e capacità che non sono più sostenibili per il futuro. Le distanze sempre maggiori implicano tempi di latenza inaccettabili e velocità di download troppo lente per le esigenze dei nuovi payload scientifici. Per questo motivo, sistemi come il DSOC, basati sulla comunicazione ottica laser, diventano essenziali per abilitare l’invio rapido di grandi pacchetti di dati.
In sintesi, l’ambizione di stabilire una presenza sostenibile sulla Luna, di preparare la missione su Marte e di esplorare i corpi celesti più lontani non può concretizzarsi senza un corrispondente salto di qualità nelle capacità di comunicazione interplanetaria. Il successo dell’esplorazione dipende direttamente dalla nostra capacità di gestire questa crescente e critica “fame di dati”.
La sinergia tra radiofrequenza e ottica
Per rispondere alle crescenti esigenze di trasferimento dati dell’esplorazione spaziale moderna, la NASA sta attuando una strategia cruciale: rafforzare le sue capacità di comunicazione tradizionali a radiofrequenza (RF) integrandole con la potenza e i vantaggi delle comunicazioni ottiche (laser). Questo approccio ibrido è l’unica via per soddisfare i nuovi, e sempre più elevati, requisiti di banda larga interplanetaria.
Le comunicazioni a radiofrequenza hanno storicamente rappresentato la spina dorsale delle missioni spaziali, offrendo affidabilità su lunghe distanze. Tuttavia, con la necessità di inviare sulla Terra volumi massivi di dati ad alta risoluzione da luoghi come la Luna e Marte, la RF ha raggiunto i suoi limiti di throughput. È qui che interviene la comunicazione ottica.
Sistemi all’avanguardia come il Deep Space Optical Communications (DSOC) utilizzano i laser per trasmettere dati, sfruttando lunghezze d’onda molto più corte rispetto alle onde radio. Questa differenza fisica consente di imballare molte più informazioni nello stesso segnale, moltiplicando di fatto la capacità di trasmissione. L’integrazione tra RF e ottica non mira a sostituire il sistema esistente, ma a potenziarlo in modo esponenziale, creando una rete di comunicazione più robusta e capace di gestire il traffico dati del futuro.
La dimostrazione di successo del DSOC ha fornito una prova inequivocabile della fattibilità e dell’efficacia di questa tecnologia. Durante i 65 passaggi di comunicazione completati dal sistema, quest’ultimo ha costantemente mantenuto velocità di downlink paragonabili a quelle della banda larga domestica.
Questa è un’impresa sbalorditiva, se si considera che i dati venivano trasmessi da distanze di centinaia di milioni di miglia. La possibilità di raggiungere velocità di throughput tipiche di un collegamento internet terrestre in uno scenario interplanetario rappresenta una svolta. Essa non solo accelera l’analisi e la comprensione dei dati scientifici, ma apre anche la strada a future missioni umane che richiederanno comunicazioni quasi in tempo reale e un’ampia larghezza di banda per il supporto medico e operativo. L’ottica non è più solo una possibilità, ma la soluzione indispensabile per l’era successiva dell’esplorazione spaziale.
Per maggiori informazioni, visita il sito ufficiale della NASA.
