Aproveitando a Tecnologia a Laser para Entregar Dados de Missões da NASA à Terra

A NASA lança satélites, rovers e orbitadores para investigar o lugar da humanidade na Via Láctea. Quando essas missões alcançam seus destinos, seus instrumentos científicos capturam imagens, vídeos e insights valiosos sobre o cosmos. A infraestrutura de comunicações no espaço e no solo permite que os dados coletados por essas missões cheguem à Terra. Sem estações terrestres para recebê-los, no entanto, os dados extraordinários capturados por essas missões ficariam presos no espaço, incapazes de alcançar cientistas e pesquisadores na Terra.

Desde o início da exploração espacial, as missões da NASA confiaram principalmente em comunicações de radiofrequência para esta transferência de informações. A demonstração de retransmissão de comunicações a laser baseada no espaço da NASA (LCRD) mostrará comunicações a laser — uma maneira revolucionária de comunicar dados do espaço para o solo.

As estações terrestres do LCRD, conhecidas como Estação Terrestre Óptica (OGS) -1 e -2, estão localizadas no Monte Table, Califórnia, e Haleakalā, Havaí. Esses locais remotos e de alta altitude foram escolhidos por suas condições climáticas claras. Embora as comunicações a laser possam fornecer taxas de transferência de dados aumentadas, perturbações atmosféricas como nuvens e turbulência podem interromper sinais a laser ao entrarem na atmosfera da Terra.

“A forma como a meteorologia local funciona, há poeira mínima e menos turbulência atmosférica no topo da montanha, o que é ótimo para comunicações a laser”, disse Ron Miller do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA. “São cerca de 3.000 metros de altitude, então você está acima de grande parte da atmosfera e do clima que ocorre abaixo do cume. É muito comum ter um dia ensolarado no topo e nublado no meio da montanha.”

Engenheiros de comunicações da NASA selecionaram esses locais porque seus padrões climáticos normalmente se complementam. Quando a OGS-1 na Califórnia está nublada, a OGS-2 no Havaí tende a estar clara — e vice-versa. Para monitorar a cobertura de nuvens e determinar qual estação deve ser usada, o parceiro comercial Northrop Grumman forneceu uma estação de monitoramento atmosférico que observa as condições climáticas em Haleakalā. Esta estação de monitoramento funciona quase autonomamente 24 horas por dia, sete dias por semana. A OGS-1 tem capacidades semelhantes de monitoramento climático no Monte Table.

Apesar do clima geralmente claro nesses locais, engenheiros da NASA ainda devem trabalhar para reduzir os efeitos da turbulência atmosférica nos dados recebidos pela OGS-1 e OGS-2. Para fazer isso, ambas as estações aproveitam o poder da óptica adaptativa.

“Um sistema de óptica adaptativa usa um sensor para medir a distorção do sinal eletromagnético que está vindo da espaçonave”, disse Tom Roberts, gerente de desenvolvimento e operações da OGS-1 no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no Sul da Califórnia. “Se pudermos medir essa distorção, podemos enviá-la através de um espelho deformável que muda sua forma para remover as aberrações que a atmosfera induz. Isso nos permite ter um sinal agradável e imaculado.”

Enquanto a OGS-2 foi desenvolvida especificamente para a missão LCRD, a OGS-1 está baseada no Laboratório de Telescópio de Comunicações Ópticas do JPL, que foi usado para demonstrações anteriores de comunicações a laser. Para preparar a OGS-1 para suporte ao LCRD, os engenheiros tiveram que atualizar a estação terrestre. Uma dessas atualizações envolveu substituir os espelhos para ter melhor refletividade e maior potência de laser.

Antes do suporte à missão, o LCRD passará cerca de dois anos conduzindo testes e experimentos. Durante este tempo, a OGS-1 e a OGS-2 atuarão como usuários simulados, enviando dados de uma estação para o LCRD e depois para a próxima. Esses testes permitirão que a comunidade aeroespacial aprenda com o LCRD e refine ainda mais a tecnologia para futura implementação de sistemas de comunicações a laser. Após a fase experimental, o LCRD apoiará missões no espaço. Missões, como um terminal na Estação Espacial Internacional, enviarão dados para o LCRD, que então os transmitirá para a OGS-1 ou OGS-2.

O LCRD é uma carga útil hospedada no Satélite-6 do Programa de Testes Espaciais do Departamento de Defesa (STP-Sat-6). Embora o LCRD seja uma carga útil de comunicações a laser, a espaçonave ainda terá uma conexão de radiofrequência com o solo. O Terminal de Link de Carga Útil para Solo (PGLT) localizado no Complexo White Sands perto de Las Cruces, Novo México, comunicará dados de rastreamento, telemetria e comando à espaçonave via ondas de rádio. A NASA gerencia os elementos terrestres do LCRD — OGS-1, OGS-2 e PGLT — a partir do centro de operações da missão do LCRD em White Sands.

“O centro de operações da missão é o cérebro central do sistema LCRD”, disse Miriam Wennersten, gerente de segmento terrestre do LCRD da NASA Goddard. “Ele coordena a configuração da carga útil e todas as três estações terrestres ao mesmo tempo, agendando os vários serviços e links ópticos.”

Sem infraestrutura terrestre, dados extraordinários de ciência e exploração não chegariam aos pesquisadores na Terra. O segmento terrestre do LCRD será crítico para o sucesso da missão, fornecendo aos engenheiros a oportunidade de testar e refinar comunicações a laser. Por sua vez, o LCRD inaugurará uma nova era de comunicações a laser, onde missões terão acesso sem precedentes a insights obtidos de satélites e sondas no espaço.