Satélites em miniatura podem usar lasers em vez de ondas de rádio para enviar dados de alta taxa

• Um novo sistema de apontamento a laser pode ajudar o CubeSats a fazer downlink de dados a taxas muito mais altas usando menos recursos integrados.
• O sistema consiste em um pequeno espelho direcionável que direciona o laser para o receptor baseado no solo.

Nas últimas duas décadas, mais de 2.000 CubeSats - satélites em miniatura compostos por múltiplos de unidades cúbicas de 10 * 10 * 10 centímetros - foram e estão planejados para serem lançados no espaço. Um único CubeSat é geralmente mais leve que 1,33 kg e usa instrumentos comerciais prontos para uso em seus eletrônicos e estrutura.

Os CubeSats reduzem o custo de implantação, minimizam o risco para o resto do veículo de lançamento e cargas úteis, e muitas vezes são adequados para lançamento em múltiplos. Eles revolucionaram a tecnologia dos satélites, pois são mais acessíveis para desenvolver e lançar do que as espaçonaves pesadas convencionais.

No entanto, nos últimos pares de anos, esses satélites em miniatura têm lutado para transferir com eficiência grandes volumes de dados para a Terra. Seu tamanho e limitações de energia são as duas principais razões por trás desse problema.

À medida que mais dados intensivos e componentes complexos são incorporados a satélites em miniatura, por exemplo, imageadores hiperespectrais e radiômetros multibanda, a demanda de downlink pode aumentar rapidamente até o ponto em que se torna quase impossível usar comunicações convencionais de radiofrequência.

Atualmente, os satélites usam ondas de rádio para transmitir dados às estações terrestres. Quase todos os principais satélites no espaço receberam bandas de rádio de alta frequência para enviar rapidamente grandes volumes de dados para grandes antenas terrestres. Eles podem acomodar equipamentos maiores necessários para suportar transmissão de dados em alta taxa.

Os CubeSats, por outro lado, são relativamente pequenos em tamanho e têm acesso limitado a bandas de rádio de alta frequência. Além disso, esses satélites não podem acomodar transmissores que consomem energia, adequados para downlinks de dados de alta taxa.

A solução:sistema de apontamento a laser

Agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram um sistema de apontamento a laser - quase do tamanho do cubo de Rubik - para esses satélites em miniatura que lhes permite fazer o downlink de dados a taxas muito mais altas usando menos recursos a bordo.

Isso permitirá que um CubeSat passando por uma estação terrestre transmita terabytes de dados a cada sobrevôo. Se este sistema de apontamento a laser for empregado para vários CubeSats em órbita, eles podem fornecer cobertura global e em tempo real.

Referência:Engenharia Ótica | doi:10.1117 / 1.OE.58.4.041605 | MIT

Embora o laser possa transportar muito mais dados, os sistemas de comunicação baseados em lasers apresentam um desafio excepcional. Como os feixes de laser são muito estreitos, eles precisam ser direcionados com precisão para receptores baseados no solo, o que não é tão fácil quanto parece.

A nova plataforma de apontamento a laser minimizaria o tempo e a energia necessários para um downlink, ao mesmo tempo em que alcançaria taxas de transmissão mais altas. Ele consiste em um pequeno espelho de sistema microeletromecânico (MEMS) orientável que fica de frente para um feixe de laser e está alinhado de uma forma que o laser pode refletir do espelho no espaço e em direção a uma antena terrestre.

Um feixe adicional

Esses espelhos têm várias vantagens - por exemplo, a posição do espelho pode ser corrigida mesmo se todo o satélite ficar ligeiramente desalinhado - mas eles não fornecem nenhum feedback sobre para onde estão direcionando o feixe de laser.

Nova plataforma de apontamento de laser | Crédito:MIT

Para lidar com esse tipo de situação, os pesquisadores incorporaram um comprimento de onda de laser adicional em seu sistema. Ele ajusta automaticamente a posição do espelho para direcionar o laser para o receptor baseado no solo.

O sistema de apontamento a laser adiciona um feixe de calibração de diferentes comprimentos de onda (cor) ao feixe de dados. Agora, existem dois feixes que refletem no espelho:o segundo passa por um elemento óptico chamado divisor de feixe dicróico, que desvia o feixe de calibração (em um comprimento de onda específico, ou seja, a cor adicional) para longe do feixe de dados.

Enquanto o laser se move em direção à antena terrestre, o feixe desviado é apontado de volta para uma câmera a bordo. A câmera também recebe o feixe proveniente da antena de solo.

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O sistema então combina esses dois feixes e se ambos pousarem no mesmo ponto no sensor da câmera, o espelho MEMS a bordo está perfeitamente alinhado. Caso contrário, um algoritmo personalizado é usado para inclinar o espelho para sua posição correta.