Levando dados da NASA para o solo com lasers

A NASA lança satélites, rovers e orbitadores para investigar o lugar da humanidade na Via Láctea. Quando essas missões chegam a seus destinos, seus instrumentos científicos capturam imagens, vídeos e informações valiosas 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-lo, 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 se basearam principalmente em comunicações de radiofrequência para essa transferência de informações. O Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) da NASA, baseado no espaço, apresentará comunicações a laser - uma maneira revolucionária de comunicar dados do espaço para o solo.

As estações terrestres da LCRD, conhecidas como Optical Ground Station (OGS) -1 e -2, estão localizadas em Table Mountain, 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 maiores taxas de transferência de dados, distúrbios atmosféricos, como nuvens e turbulência, podem interromper os sinais de laser à medida que entram na atmosfera da Terra.

“Do jeito que 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 Goddard Space Flight Center da NASA. “Está a cerca de 10.000 pés de altura, então você está acima de grande parte da atmosfera e do clima que ocorre abaixo do cume. É muito comum ter um belo dia de sol no topo e estar nublado no meio da montanha.”

Os engenheiros de comunicação da NASA selecionaram esses locais porque seus padrões climáticos normalmente se complementam. Quando o OGS-1 na Califórnia está nublado, o OGS-2 no Havaí tende a ser claro – 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 de forma autônoma 24 horas por dia, sete dias por semana. O OGS-1 possui recursos semelhantes de monitoramento climático na Table Mountain.

Apesar do clima geralmente claro nesses locais, os engenheiros da NASA ainda devem trabalhar para reduzir os efeitos da turbulência atmosférica nos dados recebidos pelo 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 do OGS-1 no Jet Propulsion Laboratory da NASA no sul da Califórnia. “Se pudermos medir essa distorção, podemos enviá-la através de um espelho deformável que muda sua forma para eliminar as aberrações que a atmosfera induz. Isso nos permite ter um sinal bom e puro.”

Enquanto o OGS-2 foi desenvolvido especificamente para a missão LCRD, o OGS-1 é baseado no Laboratório de Telescópio de Comunicações Ópticas do JPL, que foi usado para demonstrações anteriores de comunicações a laser. Para preparar o OGS-1 para o suporte do LCRD, os engenheiros tiveram que atualizar a estação terrestre. Uma dessas atualizações envolveu a substituição dos espelhos para ter melhor refletividade e maior laser.

Antes do apoio à missão, o LCRD passará cerca de dois anos realizando testes e experimentos. Durante esse tempo, OGS-1 e 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 implementação futura de sistemas de comunicação a laser. Após a fase experimental, o LCRD apoiará missões no espaço. As missões, como um terminal na Estação Espacial Internacional, enviarão dados ao LCRD, que os enviará para o OGS-1 ou OGS-2.

O LCRD é uma carga útil hospedada no Programa de Teste Espacial Satellite-6 (STP-Sat-6) do Departamento de Defesa. Embora o LCRD seja uma carga útil de comunicações a laser, a espaçonave ainda terá uma conexão de radiofrequência com o solo. O Payload to Ground Link Terminal (PGLT) localizado no Complexo White Sands perto de Las Cruces, Novo México, comunicará dados de rastreamento, telemetria e comando para a espaçonave por ondas de rádio. A NASA gerencia os elementos terrestres do LCRD - OGS-1, OGS-2 e PGLT - fora 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 do segmento terrestre do LCRD da NASA Goddard. “Ele coordena a configuração da carga útil e das 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 fundamental para o sucesso da missão, oferecendo aos engenheiros a oportunidade de testar e refinar as comunicações a laser. Por sua vez, o LCRD dará início a uma nova era de comunicações a laser, onde as missões terão acesso sem precedentes a informações obtidas de satélites e sondas no espaço.