Et gigabit fra 36.000 kilometers højde med kun 2 watt
Forskere har forbundet en geostationær satelit med Jorden via en laserstråle på blot 2 watt og opnået en overføringshastighed på 1 Gb/s – et niveau, man normalt forbinder med fiberoptiske kabler, ikke forbindelser fra kredsløbsbane 36.000 kilometer over Jordens overflade.
Den hastighed er op til fem gange højere end de typiske forbindelser, som Starlink tilbyder i dag. Eksperimentet fandt sted ved observatoriet i Lijiang i den bjergrige provins Yunnan i det sydvestlige Kina, med satellitten hængende fast over ækvator på en geostationær bane – samme orbitklasse som klassiske telekommunikations- og tv-satellitter.
Atmosfæren: projektets største fjende
I stedet for en konventionel radioforbindelse anvendte forskerne en optisk forbindelse – altså en laser. Strålen skulle først krydse det kosmiske vakuum og derefter det sværeste stykke: flere titusinder kilometer gennem Jordens turbulente atmosfære.
Efter at have passeret atmosfæren lignede strålen ikke længere den rette, rene linje fra en fysikbog. Luftstrømmene strakte, deformerede og spredte den. Modtageren på Jorden fik lyset i form af et fragmenteret mønster, som data først måtte udtrækkes fra. Hele pointen med testen var netop at skabe en stabil forbindelse ud af et ødelagt signal – ikke blot et enkeltstående rekordresultat under ideelle betingelser.
Observatoriet som et kæmpe øje: teleskop og 357 mikrospegle
De kinesiske forskere opstillede et meget avanceret modtagersystem på Jordens overflade. I hjertet af det befinder sig et teleskop med en diameter på 1,8 meter – i praksis et enormt øje designet til at opfange så meget af den spredte stråle som muligt. Et endnu mere bemærkelsesværdigt element var et system bestående af 357 mikrospegle, der justerede sig i realtid.
Det drejer sig om såkaldt adaptiv optik – en teknologi, der kendes fra moderne astronomiske teleskoper, hvor den korrigerer for atmosfærisk forvrængning af billeder af stjerner og planeter. Her udførte den noget meget lignende, men prioriteten var korrekt transmission af databits frem for et flot billede.
Forskerne beskrev deres tilgang som en synergi mellem to metoder: adaptiv optik og såkaldt modusdivergens ved modtagelse. I praksis betød det, at de i stedet for at lade som om atmosfæren ikke eksisterer, accepterede at strålen ville blive ødelagt på forskellig vis – og designede systemet præcis til sådanne betingelser.
- Teleskop på 1,8 m – indsamler maksimalt lys fra satellitten
- 357 mikrospegle – korrigerer løbende lysbølgens form
- Laser på 2 W – effekt svarende til en lille pære, ikke en kraftig radiosender
- Hastighed på 1 Gb/s – som hjemmets fiberkabel, men fra rummet
- Geostationær kredsløbsbane – 36.000 km over ækvator
- Observatoriet Lijiang – provinsen Yunnan i det sydvestlige Kina
- Optisk forbindelse – mere præcis og sikker end radiobølger
- Atmosfærisk turbulens – den primære hindring for stabil transmission
Opdeling af strålen i kanaler: fra kaos til stabil forbindelse
Efter den indledende korrektion ramte laseren en enhed kaldet en flermoduskonverter. Denne komplekse optiske komponent opdelte det forvrængede lys i otte grundlæggende modi – otte separate kanaler. Modtageren forsøgte ikke at rekonstruere én ideel stråle ud af dem.
I stedet målte systemet, hvilke tre kanaler der bar det meste af det brugbare signal, og kombinerede dem derefter programmatisk under datadekodning. Resten blev ignoreret som for svag eller for støjfyldt. Takket være kombinationen af optisk korrektion og kanalvalg steg andelen af brugbart signal fra 72 procent til 91,1 procent, hvilket viste sig direkte i forbindelsens hastighed og stabilitet.
Det er en helt anden filosofi end den, der kendes fra de fleste eksperimenter med optiske forbindelser. I stedet for at kæmpe for en ideel bølgeform accepterede ingeniørerne, at turbulens under alle omstændigheder ville ødelægge den. Nøglen lå i at trække de fragmenter ud af uordenen, der kunne læses pålideligt, og samle dem til fuldstændige data.
Starlink over for en laser fra geostationær kredsløbsbane
Sammenligningen med Starlink dukkede op i de første kommentarer – og det er ikke svært at forstå hvorfor. Starlink er i dag det mest kendte netværk af internetsatellitter i lav kredsløbsbane. Det opererer i en højde på et par hundrede kilometer, altså mere end 60 gange tættere på Jorden end den kinesiske satellit i eksperimentet.
Afstandsforskellen er imponerende. Et radio- eller optisk signal svækkes omtrent med kvadratet af afstanden, så det er langt vanskeligere at sende en hurtig forbindelse fra en geostationær bane end fra en lav bane – især med en sender med så lav effekt.
De kinesiske forskere beskrev selv den opnåede kapacitet på en anskuelig måde: ved denne hastighed kan du overføre en HD-film fra Shanghai til Los Angeles på under fem sekunder. Det lyder som reklame for fibernet, ikke som en test af en forbindelse til en satellit 36.000 kilometer over ækvator. Starlink tilbyder typisk hastigheder på 50–200 Mb/s, mens det kinesiske eksperiment nåede en stabil gigabit.
Derfor er den geostationære bane så krævende
En geostationær satelit bevæger sig i en bane synkron med Jordens rotation. For en observatør på overfladen ser det ud, som om den hænger ubevægeligt over ét punkt på ækvator. Det er en enorm fordel: en antenne på Jorden behøver ikke at følge mange hurtigt bevægende satellitter, som det er tilfældet med Starlink. Den skal blot indstilles én gang.
Prisen for denne bekvemmelighed er afstanden. Strålen skal flyve titusinder af kilometer gennem vakuum og til sidst trænge igennem det mest lunefulde lag – flere titusinder kilometer atmosfære fyldt med lufthvirvler, temperaturforskelle, støv og vanddamp. Det er netop på dette sidste stykke, at laseren mister sin ideelle form.
Derfor tiltrækker eksperimentet fra Lijiang opmærksomhed fra telekommunikationsingeniører. Det viser, at en veldesignet jordstation kan gøre selv en geostationær satellit konkurrencedygtig med konstellationer i lav kredsløbsbane hvad angår kapacitet – og det uden gigantiske sendere om bord. Forskerne fra Kinesisk Videnskabsakademi offentliggjorde resultaterne i tidsskriftet Optics Express.
Hvad en sådan forbindelse realistisk set kan bruges til
Det er vigtigt at understrege: vi taler ikke om en terminal på størrelse med en parabolantenne på et hustag. Systemet fra Lijiang er en stor, præcis videnskabelig installation, der minder mere om en netværksknudepunkt i rygradsnettet end om udstyr til at streame Netflix i en lejlighed.
Sådanne stationer kan i fremtiden fungere som vigtige knudepunkter – de modtager enorme mængder data fra observationssatellitter, interplanetariske sonder eller store konstellationer og videresender dem til jordbaserede optiske netværk. De mest oplagte anvendelser af lasersatellit-forbindelser er højkapacitets rygrads-forbindelser, kommunikation mellem satellitter, militær datatransmission og kommunikation med missioner i det fjerne rum.
En laser frem for radiobølger har flere vigtige fordele. Laserstrålen er meget smal, hvilket gør den svær at aflytte eller forstyrre. Den overfører også langt mere information ved en given effekt. Til gengæld kræver den ekstremt præcis sigtning og gode atmosfæriske forhold.
Hvad denne test fortæller om internettets fremtid fra rummet
Testen fra Lijiang viser, at kapløbet om næste generation af satellit-forbindelser ikke stopper ved tusindvis af satellitter i lav kredsløbsbane. Sideløbende udvikles teknologier, der øger mulighederne for individuelle højt-hængende satellitter – netop takket være lasere og intelligente jordstationer.
For den almindelige bruger er det gode nyheder. Jo flere transmissionskanaler og jo mere forskelligartede teknologier, desto større er chancen for billigere, hurtigere og mere robust internet – både i store byer og langt fra civilisationen.
Stater, der i dag investerer i optiske satellit-forbindelser, opbygger en alternativ kommunikationskanal, der er svær at forstyrre. Det kan have enorm betydning i krisesituationer – fra naturkatastrofer til væbnede konflikter. I de kommende år kan du forvente stadig hyppigere nyheder om gigabits fra rummet og laserdatabroer. Det er meget sandsynligt, at de første til fuldt ud at udnytte sådanne systemer ikke vil være forbrugervirksomheder, men forskere, forsvarssektoren og operatører af globale rygradsnetværk.
