Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) 7 lipca 2025 roku przeszła do historii, ustanawiając swoje pierwsze optyczne łącze komunikacyjne ze statkiem kosmicznym w dalekim kosmosie. We współpracy z NASA, dane zostały przesłane z eksperymentu komunikacji optycznej w dalekim kosmosie (DSOC), znajdującego się na pokładzie sondy Psyche. W momencie nawiązania połączenia, sonda znajdowała się w niewiarygodnej odległości 265 milionów kilometrów od Ziemi, co odpowiada około 1,8 jednostki astronomicznej. To wydarzenie nie tylko stanowi cud techniki, ale także kamień milowy w wieloletniej współpracy agencji kosmicznych, po raz pierwszy udowadniając możliwość interoperacyjności między ESA a NASA w dziedzinie komunikacji optycznej, co do tej pory było zarezerwowane wyłącznie dla systemów opartych na częstotliwościach radiowych. Ten sukces jest pierwszym z czterech planowanych połączeń latem 2025 roku.

Ten rewolucyjny krok oznacza początek nowej ery w eksploracji kosmosu, otwierając drogę ku przyszłości, w której szybki "kosmiczny internet" stanie się rzeczywistością. "Pierwsza udana demonstracja komunikacji optycznej w dalekim kosmosie z europejskim segmentem naziemnym stanowi prawdziwy skok kwantowy w kierunku umożliwienia łączności podobnej do ziemskiego internetu dla naszych statków kosmicznych w dalekim kosmosie" - oświadczył Rolf Densing, Dyrektor Operacyjny w ESA. Jego słowa potwierdzają znaczenie międzynarodowej współpracy, która, wraz z wkładem partnerów z przemysłu i środowiska akademickiego, jest kluczowa dla takich osiągnięć.

Greckie Obserwatoria jako Klucz do Sukcesu

Kampania nawiązania połączenia laserowego rozpoczęła się w Grecji, gdzie ESA przekształciła dwa istniejące obserwatoria w precyzyjne optyczne stacje naziemne. Centralną rolę w tym przedsięwzięciu odegrało obserwatorium Kryoneri, położone w pobliżu Aten. Z niego w kierunku sondy Psyche agencji NASA skierowano potężną wiązkę laserową. Chociaż ten początkowy sygnał, znany jako "latarnia", nie przenosił żadnych danych, jego cel był fundamentalny. Został zaprojektowany z niezwykłą precyzją, aby umożliwić instrumentowi DSOC na pokładzie sondy jego wykrycie, "zablokowanie" się na nim i wysłanie sygnału zwrotnego w kierunku Ziemi.

Ten niezwykle słaby sygnał zwrotny, po przebyciu setek milionów kilometrów, został przechwycony w drugiej lokalizacji – w obserwatorium Helmos, znajdującym się na sąsiednim szczycie górskim, w odległości 37 kilometrów. Ta rozdzielność lokalizacji jest kluczowa, aby silny laser wychodzący nie oślepił niezwykle czułego sprzętu odbiorczego. "Umożliwienie tego dwukierunkowego uścisku dłoni oznaczało pokonanie dwóch głównych wyzwań technicznych: opracowanie lasera wystarczająco silnego, aby z najwyższą precyzją trafić w odległy statek kosmiczny, oraz zbudowanie odbiornika na tyle czułego, aby wykryć najsłabszy sygnał zwrotny, składający się czasami zaledwie z kilku fotonów" - wyjaśniła Sinda Mejri, kierownik projektu naziemnego odbiornika laserowego ESA.

Pokonywanie Kosmicznych Wyzwań

Ustanowienie stabilnego połączenia na tak ekstremalnej odległości wymagało rozwiązania szeregu skomplikowanych problemów. Eksperci od dynamiki lotu w Centrum Operacji Kosmicznych ESA (ESOC) musieli w czasie rzeczywistym kompensować liczne zmienne wpływające na tor wiązki laserowej. Obejmuje to gęstość atmosfery, gradienty temperatury i ciągły ruch planet. Proces ten jest podobny do stosowanych w globalnych systemach nawigacji satelitarnej, ale z dodatkową złożonością wynikającą z ogromnych odległości dalekiego kosmosu i potrzeby ultraprecyzyjnego celowania mierzonego w mikroradianach.

Bezpieczeństwo również miało kluczowe znaczenie. Aby zapewnić, że potężne wiązki laserowe nie stanowią zagrożenia, części greckiej przestrzeni powietrznej były tymczasowo zamknięte na czas trwania transmisji. Każdy aspekt operacji został starannie zaplanowany, aby zminimalizować ryzyko i zmaksymalizować sukces.

Lata Przygotowań na Historyczny Moment

Chociaż samo nawiązanie połączenia trwało stosunkowo krótko, stoją za nim lata wytężonej pracy, badań i międzynarodowej współpracy. Budowa stacji naziemnych do transmisji i odbioru sygnałów optycznych była projektem samym w sobie. Naziemny nadajnik laserowy (Ground Laser Transmitter) integruje pięć laserów dużej mocy z ultraprecyzyjnymi kontrolerami celowania, umieszczonymi w specjalnym sześciometrowym kontenerze z podnoszoną platformą. Ta konstrukcja chroni wrażliwy sprzęt przed światłem słonecznym w ciągu dnia i podnosi go na otwartą przestrzeń po zachodzie słońca.

Z drugiej strony, naziemny odbiornik laserowy (Ground Laser Receiver) składa się z zaawansowanej ławy optycznej, która jest tak czuła, że może wykrywać pojedyncze fotony. Ten odbiornik, wykorzystujący technologię nadprzewodzących nanodrutowych detektorów pojedynczych fotonów, jest bezpiecznie zamontowany z tyłu 2,3-metrowego teleskopu Aristarchos, położonego na wysokości 2340 metrów nad poziomem morza w obserwatorium Helmos. Już w kwietniu zespół przeprowadził próbę generalną, wysyłając sygnał o niskiej mocy w kierunku satelity ESA Alphasat na orbicie geostacjonarnej, na wysokości 36 000 km, który służy jako główne poligon do testowania technologii komunikacji optycznej.

Clemens Heese, Kierownik Działu Technologii Optycznych w ESA, podkreślił niesamowitą skuteczność zespołu: "Pomimo złożoności zadania, ostateczna instalacja lasera, okablowania elektrycznego i systemów chłodzenia została pomyślnie zakończona wkrótce po ich dostarczeniu tego samego ranka. Osiągnięcie 'instalacji lasera i bezpiecznej emisji lasera w niebo w ciągu jednego dnia' jest niezwykłym dowodem precyzji, koordynacji i zaangażowania zespołu." Cały wysiłek na miejscu obejmował mniej niż 20 osób: siedem w Kryoneri i dwanaście w Helmos, przy wsparciu dwóch ekspertów z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL).

Przyszłość Zapisana Promieniami Światła

Ta demonstracja to znacznie więcej niż wyczyn techniczny; to okno na przyszłość komunikacji w dalekim kosmosie. Łącza optyczne obiecują prędkości przesyłania danych od 10 do 100 razy większe niż obecne systemy radiowe. "Połączenie tej technologii z tymi, które posiadamy do komunikacji radiowej, jest kluczowe do przesyłania coraz większej ilości danych generowanych przez misje badające kosmos" - powiedział Andrea Di Mira, kierownik projektu naziemnego nadajnika laserowego ESA. Większa przepustowość danych umożliwi przesyłanie filmów w wysokiej rozdzielczości i ogromnych ilości danych naukowych z przyszłych misji na Marsa i dalej, niemal w czasie rzeczywistym.

"Jesteśmy dumni, że ESA jest zaangażowana w eksperyment Deep Space Optical Communications (DSOC) na naszej misji Psyche. To potężny przykład tego, co może osiągnąć międzynarodowa współpraca i wgląd w przyszłość komunikacji w dalekim kosmosie" - dodał Abi Biswas, technolog projektu DSOC w NASA JPL.

Program ASSIGN i Spojrzenie w Kierunku Marsa

Sukces tej misji kładzie podwaliny pod proponowany przez ESA program ASSIGN (Advancing Solar System Internet and GrouNd), który zostanie przedstawiony na Radzie ESA na szczeblu ministerialnym w listopadzie. "Celem ASSIGN będzie zjednoczenie istniejących i przyszłych sieci radiowych i optycznych w bezpieczną i odporną interoperacyjną 'sieć sieci' dla misji ESA, a także dla partnerów instytucjonalnych i komercyjnych" - oświadczył Mehran Sarkarati, Kierownik Działu Inżynierii Stacji Naziemnych ESA i menedżer programu ASSIGN.

Patrząc jeszcze dalej w przyszłość, ESA obecnie bada koncepcję holownika o napędzie elektrycznym na Marsa, nazwanego "LightShip", który transportowałby załogowe statki kosmiczne na Czerwoną Planetę. Po dostarczeniu ładunku, LightShip przeniósłby się na orbitę serwisową, gdzie świadczyłby usługi komunikacyjne i nawigacyjne za pośrednictwem ładunku MARCONI (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure). Częścią tego ładunku będzie demonstrator komunikacji optycznej, jako kluczowy krok w kierunku wsparcia przyszłych misji załogowych.

Siła Współpracy Międzynarodowej i Przemysłowej

Udział ESA w demonstracji DSOC był możliwy dzięki konsorcjum wiodących europejskich firm, w tym qtlabs (Austria), Single Quantum (Holandia), GA Synopta (Szwajcaria), qssys (Niemcy), Safran Data Systems (Francja) i NKT Photonics Ltd (Wielka Brytania). Kluczowe wsparcie zapewniło również Narodowe Obserwatorium w Atenach, które umożliwiło przekształcenie swoich obserwatoriów Helmos i Kryoneri w stacje naziemne dla dalekiego kosmosu. Projekt był finansowany w ramach Ogólnego Programu Wsparcia Technologii (GSTP) ESA i Elementu Rozwoju Technologii (TDE), co potwierdza strategiczne zaangażowanie Europy w rozwój zaawansowanych technologii kosmicznych.

Źródło: Europejska Agencja Kosmiczna