Optische satellietcommunicatie: De volgende generatie communicatie-instrumenten voor ruimtewetenschap en -verkenning

De mogelijkheid creëren

Technologische vooruitgang maakt geavanceerdere instrumenten mogelijk en die helpen ons weer meer te weten te komen over het universum door meer data te verzamelen. Maar om die groeiende hoeveelheid data over te brengen van de bron naar de aarde is een systeem met een hoge uplink- en downlink-snelheid nodig. In het internationaal ruimtestation (ISS) beschikken de astronauten bijvoorbeeld over uplink-snelheden tot 25 Mbps en downlink-snelheden van 300 Mbps. Over grote afstanden nemen deze snelheden sterk af.

Voor verkenning van de diepe ruimte, waaronder de Lunar Gateway, ruimteweermissies of een satelliet in een baan om Mars, is een sneller en stabieler type communicatie nodig. TNO en het Europees Ruimteagentschap (ESA) hebben een contract voor twee jaar getekend om onderzoek te doen naar het gebruik van optische communicatietechnologie om snelle en efficiënte optische communicatie voor ruimtemissies mogelijk te maken. Een eerste doelstelling voor de ontwikkeling van deze optische ruimtecommunicatie is de levering van een 300 Mbps downlink bij uitzending vanaf de maan, die duizend keer verder weg is dan het ISS.

Exponentiële toename

Optische communicatietechnologie zal zeer snelle dataverbindingen mogelijk maken met de maan, Mars en misschien nog verder. Mogelijk kan het ook geïntegreerde communicatielijnen bieden, via satelliet naar planeetoppervlakken.

‘Optische communicatie in de diepe ruimte is erg veelbelovend’, zegt Martijn Dresscher, Systems Engineer en hoofdwetenschapper van het programma Deep-Space Optical Communication bij TNO. ‘We schatten dat we de datasnelheden met ongeveer een factor 20 kunnen verhogen met behulp van een optische telescoop met een doorsnede van 22 centimeter en een laser van 4 Watt, in plaats van een radioantenne van 35 Watt met een doorsnede van 3 meter.’

Samenwerken aan vooruitgang

Om de mogelijkheden te onderzoeken had het ESA projectpartners nodig met dezelfde visie. TNO draagt meer dan zeven jaar ervaring op het gebied van optische satellietcommunicatie bij en maakt gebruik van de expertise van twee onderaannemers, namelijk die van Gooch & Housego op het gebied van laserbronnen, en die van Teledyne e2V op het gebied van detectorinnovaties. Samen zal het team essentiële technologieën voor communicatie in de ruimte ontwikkelen en testen, in het bijzonder de laserbron-, modem- en detectorsystemen van de ruimteterminal.

De eerste stap is het aantonen van de haalbaarheid van een end-to-end optische oplossing middels een laboratoriumopstelling. Als dat lukt, hoopt het team die technologie samen verder te ontwikkelen. ‘Het samenwerkingsverband met TNO voor de ontwikkeling van optische telecommunicatiesystemen geeft ons de mogelijkheid enkele van de meest uitdagende scenario's voor snelle verbindingen te verwezenlijken. Dat bewijst maar weer eens waarom de Europese industrie wereldwijd vooroploopt in optische telecommunicatie’, zegt Jorge Piris, Technical Officer van het Europees Ruimteagentschap.

TNO Space wil de economische groei in Nederland en Europa stimuleren door bedrijven de kans te geven nieuwe producten te ontwikkelen, nieuwe activiteiten te ontplooien en hun concurrentiepositie te verbeteren. De ontwikkeling van dit soort technologieën is een praktijkvoorbeeld van deze doelstellingen.

Gebruikmaken van de leidende positie van Europa

Europa loopt voorop in de wereld als het gaat om de ontwikkeling van optische communicatieterminals (OCT’s) in lage omloopbanen (LEO) en geostationaire banen (GEO) voor communicatie tussen satellieten en tussen de ruimte en de aarde. Als ze worden aangepast voor de lange afstanden van de diepe ruimte zijn diezelfde terminals geschikt voor verkenning van de maan en de diepe ruimte.

‘Dit project bouwt voort op de uitgebreide kennis en ervaring van TNO op het gebied van de ontwikkeling van essentiële componenten voor optische satellietcommunicatie en op de expertise van onze twee onderaannemers’, zegt Oana van der Togt, Senior Business Developer Space and Scientific Instrumentation bij TNO. ‘De succesvolle aanpassing van een bestaande LEO OCT aan de behoeften van verkenningsmissies in de diepe ruimte vormt de volgende technologische stap vooruit, die uiteindelijk zal leiden tot een volledige Europese oplossing voor verkenningen van de maan en de diepe ruimte. Voor TNO versterkt deze activiteit ons portfolio van optische satellietcommunicatie met een toepassingsgebied buiten onze planeet.’