美国宇航局正在测试太空激光器，以便将数据发射回地球

在太空中交流可能是一项挑战。但在12月7日凌晨，美国宇航局启动了激光通信中继演示（LCRD），该演示计划使用一种流行的科幻概念：隐形激光来改善空间对地通信。

基于NASA 2013年月球激光通信演示的技术，LCRD将以每秒1.2千兆比特的速度向地球传输数据，大约是其前身的两倍。这足够快，在不到一分钟的时间内下载一整部丹尼斯·维伦纽夫的电影。

LCRD有效载荷项目经理格伦·杰克逊（Glenn Jackson）表示，该演示有朝一日将有助于围绕月球甚至火星构建互联网网络。“目前我们使用无线电频率将数据和视频传送到地球，”杰克逊说。“激光通信增加了带宽，使我们能够从宇航员和科学任务中获得更多数据。”

激光通信是如何工作的？

激光通信，也称为光通信，使用光来传输信息。这项技术已经存在于地球上的日常用品中，如电视遥控器和加热灯，但通常使用的规模比NASA在探索太阳系时计划建造的要小得多。

几十年来，宇航员和工程师仅仅依靠无线电波或电磁频率在航天器和地球之间来回发送信息。但由于无线电信号像光速一样以光速传播，因此它们会在很远的距离扩散。

这种扩散可能会导致传输延迟，如果科学家无法足够快地到达航天器，帮助其摆脱困境，则可能危及任务。最著名的一次通信事故发生在2020年，当时地球上唯一能够与美国宇航局运行时间最长的太空任务“旅行者2号”通信的无线电天线43号深空站因维修而关闭。该机构立即失去了向老牌航天器发送命令的能力，直到近一年后才得以重新建立联系。

为了避免这种灾难并加速太空通信，该机构最新的演示计划使用红外激光将信息发回地球。与无线电波不同，激光产生非常紧密的光束，这意味着它们可以远距离传播而不受扩散的影响。这些光束也不可见，除非它们直接射入眼睛，因为在太空中，它们没有任何东西可以反弹。

通过使用比无线电波更短的能量波长，激光通信将使科学家能够发送比目前常规无线电系统多10到100倍的数据。但是它是如何工作的呢？

在船上，LCRD拥有强大的高速电子设备，帮助控制其性能，以及两个光学模块或望远镜，每个模块都有自己的用途。一个望远镜接收来自用户航天器的数据，而另一个将数据传回地面。根据美国宇航局的说法，虽然当前航天器上的无线电系统传输完整的火星地图大约需要9周时间，但激光技术可以将这一时间缩短为9天。

LCRD的使命到底是什么？

由于燃料储存系统中的煤油泄漏，LCRD最初离开卡纳维拉尔角的时间被多次推迟。本周，LCRD终于获准作为美国航天部队空间试验计划卫星-6任务的两个有效载荷之一发射。阿特拉斯五号火箭升空后仅两分钟就可以看到，因为它获得了足够的速度（每小时2200英里以上）离开地球大气层。

目前，LCRD处于地球同步轨道上，距离地球22000多英里（约为登月距离的十分之一），在开始支持科学任务之前，它将花两年时间进行测试和实验。它将在一月份开始通电，美国宇航局的科学家应该能够在三月份用它进行实验。

对于该机构的第一个端到端光学中继，环绕地球运行的卫星将向加利福尼亚和夏威夷的两个地面站发射数据。但激光并非完全无敌，正如云层阻挡太阳一样，它们也能干扰激光信号，这意味着美国宇航局的地面站需要安置在海拔较高、气候历史上良好的地区。如果一切按计划进行，到2022年，国际空间站上的宇航员将成为首批使用LCRD将各种仪器的科学数据传输到地球的宇航员之一。

在发射过程中，美国宇航局空间行动任务董事会副局长凯西·卢德斯（Kathy Lueders）表示，LCRD的演示不仅是空间对地通信的一个重要飞跃，而且该技术对于美国载人任务的下一次迭代——阿尔忒弥斯（Artemis）的成功至关重要。

卢德斯说：“我们需要改进通信系统，以便能够在月球周围进行人类航天活动。”。她指出，如果演示失败，可能会将美国宇航局的通信推迟5至10年。

这有什么大不了的？

随着太空变得越来越拥挤，卫星收集的数据越来越多，激光通信为当前技术提供了更经济、更快的替代方案。虽然该系统短期内不会取代传统方法，但Leuders说，很容易想象无线电是拨号连接，激光是高速互联网。

尽管整个有效载荷大约有一张特大号床垫那么大，但它仍然比最强大的无线电系统更紧凑，耗电更少，非常适合需要额外载货空间的任务。在太阳系外，这些细节可能意味着任务失败和任务成功之间的区别。

杰克逊说：“[激光通信]减少了航天器和空间探索通信所需的重量和能量。”。这意味着有更多的空间放置燃料、成像工具等物品，甚至有一天，甚至宇航员。

麻省理工学院电子工程和计算机科学教授Vincent Chan认为，光通信成为商业产品的那一天可能相对较短。他说，由于SpaceX和Blue Origin等公司的影响，激光技术的未来是光明的。

“长距离的光学设备总是有优势的，”陈说。除LCRD外，美国宇航局目前还计划开发更多测试激光能力的任务，包括猎户座阿尔忒弥斯II光通信系统和Psyche上的有效载荷，Psyche是一艘测试激光在深空环境中运行情况的航天器。