14 พฤศจิกายน 2023 เป็นเวลา 1 เดือนหลังจากที่ยานอวกาศ Psyche กับภารกิจการสำรวจดาวเคราะห์น้อย Psyche ถูกปล่อยออกจากโลกด้วยจรวด Falcon Heavy ก็ได้มีการทดสอบเทคโนโลยีการส่งข้อมูลด้วยแสง หรือที่ตั้งชื่อว่า Deep Space Optical Communications (DSOC) ซึ่งเป็นหนึ่งในการทดลองเทคโนโลยีที่ JPL พัฒนาขึ้นมา เพื่อรับส่งข้อมูลกับยานอวกาศผ่าน Laser Communication โดยใช้คลื่นแสงในย่านอินฟราเรดใกล้ (Near-Infrared) ที่ความยาวคลื่นประมาณ 1.55 µm (ไมโครเมตร) แทนที่การส่งสัญญาณยอดนิยมอย่างการใช้คลื่นไมโครเวฟ ที่ใช้ในระบบ Deep Space Network โดยในการทดสอบนั้น JPL ประสบความสำเร็จในการเชื่อมต่อกับแสงแรก (First Light) ได้สำเร็จ
ในวันที่ 11 ธันวาคม JPL ได้ประสบความสำเร็จในการ Stream ข้อมูลขนาดใหญ่จากยานกลับสู่โลก เป็นวิดีโอแมวชื่อ Taters เล่นกับเลเซอร์ ซึ่งเป็นวิดีโอความคมชัดสูง ความยาวประมาณ 15 วินาที ซึ่งวิดีโอดังกล่าวได้รับการอัพโหลดเข้าไปในอุปกรณ์บนตัวยานก่อนปล่อย เพื่อทดสอบ Stream Downlink ลงมาบนโลก
แม้นี่จะไม่ใช่ครั้งแรกที่เราได้เห็นการใช้งาน Laser Communication ในอวกาศ และก็ไม่ใช่ครั้งแรกที่โลกใช้การสื่อสารแบบ Optical (เพราะอินเทอร์เน็ตที่เราใช้กันอยู่ก็วิ่งผ่านสาย Fiber Optic) แต่นี่ก็นับได้ว่าเป็นความสำเร็จครั้งแรกในการทำ Laser Communication กับยานอวกาศที่อยู่ห่างออกไปกว่า 31 ล้านกิโลเมตร
สาเหตุที่มีการนำ Laser Communication มาใช้นั้นก็เพราะว่าการฝากข้อมูลไปกับระบบ Optical นั้น สามารถให้ Bandwidth หรือประมาณของข้อมูลได้เยอะกว่าการฝากไปกับคลื่นวิทยุ อย่างไรก็ตามที่เราไม่ค่อยเห็นการทำ Laser Communication บนโลกก็เพราะว่าแสงอาจได้รับการรบกวนจากบรรยากาศในโลก หรือถูกแทรกสอดด้วยแสงอื่น ๆ ในธรรมชาติ หรือมีตึกบัง มีแมลงบินผ่าน คนเดินตัดหน้า แต่พอเป็นในอวกาศเราไม่เจอปัจจัยรบกวนพวกนี้ แต่จะบอกว่าโลกไม่ได้ใช้ Optical ก็ไม่ใช่เสียทีเดียว เพราะเราก็ใช้ Optical กันผ่านสาย Fiber Optic ที่ให้แสงเดินทางสะท้อนไปมาในเส้นใยแก้วที่สามารถบิดโค้งได้ และไม่มีปัจจัยภายนอกมารบกวนนั่นเอง
ก่อนหน้านี้ NASA เคยทดสอบการทำ Laser Communication ระหว่างโลกกับดวงจันทร์โดยใช้อุปกรณ์ Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD) บนยานอวกาศ LADEE ที่ถูกส่งไปสำรวจดวงจันทร์ในปี 2013 มาแล้ว ส่วนบนสถานีอวกาศนานชาติ ก็ได้มีการส่งอุปกรณ์ Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) ขึ้นไปติดตั้งบนสถานีอวกาศนานชาติ ในปี 2021 และล่าสุดปี 2023 ก็ได้มีการส่ง Low Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T) ขึ้นไปเพื่อทดสอบการทำ Laser Communication กับสถานีอวกาศนานาชาติ
สรุปก็คือ NASA เคยทดสอบการทำ Laser Communication ในแบบ Two-way และ One-Way กับยานอวกาศบนดวงจันทร์ และบนสถานีอวกาศนานชาติแล้ว แต่ยังไม่เคยทำในระดับการสื่อสารระหว่างดาวมาก่อน ยาน Psyche จึงเป็นโอกาสให้ NASA ได้ทดสอบเทคโนโลยีดังกล่าว โดยระยะทางระหว่างโลกกับ Psyche นั้นห่างจากที่เคยทดสอบกับยานบนดวงจันทร์ถึง 80 เท่า
สำหรับ อุปกรณ์ DSOC บนยาน Psyche นั้น ได้รับการพัฒนาโดย JPL ตั้งแต่ปี 2015 โดยมีความหวังมาใช้เป็นทางเลือก นอกเหนือจากระบบ Deep Space Network ซึ่งเป็นการใช้คลื่นไมโครเวฟแบบเดิม (JPL เป็นศูนย์กลางที่ดูแลระบบ Deep Space Network สำหรับการใช้ติดต่อกับยานอวกาศต่าง ๆ ในสหรัฐฯ และให้กับชาติพันธมิตรบางโครงการ) โดยอุปกรณ์นั้นได้รับการพัฒนาจนเสร็จในปี 2021 แต่ตัวยาน Psyche นั้นถูกเลื่อนการปล่อยจากปี 2022 มาเป็นปี 2023 ทำให้เราเพิ่งมาได้เห็นการทดสอบในอวกาศครั้งแรกจริง ๆ ในปี 2023
การทำงานของ DSOC นั้น ใกล้เคียงกับระบบ Laser Communication อื่น ๆ ที่จะต้องมีทั้งตัวรับและตัวส่ง ติดตั้งอยู่บนโลก และบนยานอวกาศอย่างละชุด โดยตัวที่อยู่บนยานอวกาศเราจะเรียกว่า Flight Terminal
ทีนี้ มันจะซับซ้อนหน่อย เพราะว่าในการทดสอบ DSOC นั้น JPL ได้วางระบบ Uplink สำหรับยิง Laser ไปยังยานอวกาศอยู่ที่ Optical Communications Telescope Laboratory (OCTL) ซึ่งเป็นหอดูดาวขนาดกระจก 1 เมตร ที่ตั้งอยู่บน Table Mountain ทางตอนเหนือของรัฐแคลิฟอร์เนีย ใกล้กับเมือง Sacramento ในขณะที่สัญญาณที่ Downlink ลงมาจากยานอวกาศ จะถูกรับที่หอดูดาว Palomar ที่ติดตั้งกระจก 5 เมตร อยู่ทางตอนใต้ของของนคร Los Angeles
สาเหตุที่ออกแบบให้เป็นแบบนี้ก็เพราะว่า ตัว Uplink ของ DSOC นั้น จะยิง Laser โดยใช้กำลัง 5 กิโลวัตต์ ดังนั้นไม่จำเป็นต้องใช้การรวมแสงมาก ทำให้ใช้กระจกขนาดเล็กได้ ในขณะที่ตัว Flight Terminal บนยาน Psyche นั้น มีขนาดเพียงแค่ 22 เซนติเมตร อาจจะสามารถรับสัญญาณจาก Uplink 5 กิโลวัตต์ได้สบาย ๆ แต่สำหรับการ Downlink ลงมานั้น Flight Terminal จะใช้ไฟได้จากยานอวกาศได้มากสุดไม่เกิน 100 วัตต์ เอามาทำเลเซอร์ได้อยู่ที่ประมาณ 4 วัตต์ (ใช่ เราไม่ได้ลืมใส่คำอุปสรรค) ทำให้แสงนั้นริบหรี่มาก ๆ และจำเป็นต้องใช้กระจกขนาดใหญ่ในการช่วยรับแสง ดังนั้นหอดูดาว Palomar พร้อมกระจก 5 เมตร จึงถูกนำมาใช้สำหรับงานนี้นั่นเอง
นอกจากกระจกขนาดใหญ่แล้ว ตัวรับสัญญาณที่ Palomar ยังต้องใช้การหล่อเย็นที่อุณหภูมิ 1 เคลวินด้วย เพราะใช้ Superconducting Nanowire Photon Counting Detector ขนาด 256 พิกเซล ในการสร้างอัตราส่วนข้อมูลดีกับข้อมูลอะไรก็ไม่รู้ (Signal to Noise Ratio) ให้แสงที่รับมาสามารถแปลความได้
อยากเปรียบเทียบให้เห็นภาพกันว่าจริง ๆ 4 วัตต์นั้น ไม่น้อยเลยนะ เราต้องอย่าลืมว่ากฎของการเกิดเป็นเลเซอร์คือมันจะต้องเป็น Single Directional ไม่ใช่ Omni-directional สมมติเราไปห้างซื้อหลอดไฟ 4 วัตต์ เอากลับมาบ้านเราอาจจะบอกว่าไฟมันไม่ค่อยสว่าง แต่ถ้าเราทำเลเซอร์ 4 วัตต์มาส่องตา ตาบอดแน่ หรือเทียบให้เห็นภาพอีกก็คือปกติเครื่องเลเซอร์ขนที่ใช้กันตามคลินิก จะอยู่ที่ประมาณ 3-5 กิโลวัตต์ ซึ่งก็ประมาณตัว OCTL Uplink นั่นหมายความว่า ถ้าคุณมีเครื่องเลเซอร์ขนกับกระจกหอดูดาว 1 เมตร คุณก็ส่งสัญญาณหา Psyche ได้แล้ว
อีกหนึ่งความท้าทายของการทำ Laser Communication คือต้องทำให้อุปกรณ์อยู่นิ่ง ๆ และชี้มายังจุดรับได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นก็ต้องมีการพัฒนาอุปกรณ์พวก Vibration Isolation ประกอบเข้ามาด้วย
อีกอย่างที่อยากบอกก็คือ ในการรับสัญญาณ Laser Communication มันไม่ได้ง่ายเหมือนการดูดาว เพราะการดูดาวมันดูเพื่อเอา Spectrum แล้ว Spectrum ของแสงดาวหรือการกระพริบของดาวมันไม่ได้ใส่ข้อมูลมา แต่พอเป็นการทำ Communication มันก็จะมีการออกแบบ Protocal การสื่อสาร (ก็เหมือนกับ Fiber Optic นั่นแหละ) มีการเช็คว่า Package ของ Data ที่ได้รับมาครบหรือเปล่า ต้องทำ Error Correction อย่างไร มี Lost (ในทาง Streaming คือ Frame Drop) เท่าไหร่ ซึ่งก็จะต้องอาศัย Software มาช่วยประมวลผลด้วย
โดยในการทดสอบส่งคลิปแมวเมื่อวันที่ 11 ธันวาคม 2023 นั้น JPL รายงานว่า อัตรารับข้อมูลที่ได้คือ 267 Mbps (เมกะบิตต่อวินาที) ก็ประมาณ WiFi บ้านเลย ถือว่าเป็นอัตราที่น่าทึ่งมาก และก่อนหน้านี้ JPL เองก็เคยทดสอบ Speed Test ระบบ DSOC รวมข้อมูลที่เคยถูกรับส่งแล้วมากกว่า 1.3 terabits (ประมาณ 162 GB) อย่างไรก็ตามด้วยระยะห่างจากยานอวกาศทำให้ระบบนี้ มี Latency หรือความหน่วงของสัญญาณถึง 101 วินาทีเลยทีเดียว ซึ่งก็ทำอะไรไม่ได้เนื่องจากแสงเดินทางได้เร็วที่สุดเท่านี้แล้ว
และ JPL ก็ยังได้ขี้โม้เพิ่มเติมอีกเล็กน้อยว่า นี่อาจจะมีความเกี่ยวข้องกับการทดสอบการส่งสัญญาณโทรทัศน์ครั้งแรกในปี 1928 ของ NBC ที่ตอนนั้นมีการทดสอบ Broadcast ภาพของตัวการ์ตูน Felix the Cat ด้วย (พยายามมาก)
และเมื่อพูดถึงการทำ Stream จากอวกาศ ก่อนหน้านี้ 27 กันยายน 2022 ภารกิจ DART ที่เดินทางไปพุ่งชนดาวเคราะห์น้อยก็ได้ Stream วิดีโอแบบสด ๆ ระหว่างการพุ่งชนที่ Bandwidth 3 Mb/s มาแล้ว โดยอาศัยคลื่นไมโครเวฟ X-Band ปกติผ่านระบบ Deep Space Network จากระยะห่าง 459 ล้านกิโลเมตร
และเมื่อเราเปรียบเทียบระยะห่างของ DART กับ Psyche (ณ วันนี้ที่ทดสอบ) ที่ 31 ล้านกิโลเมตร จะสังเกตเห็นว่า ระยะห่างยังห่างกันอยู่พอสมควร ซึ่งถ้าเราอยากรู้ว่าหาก Psyche ไปอยู่ที่ระยะไกลกว่านี้ ซักเกินร้อยล้านกิโลเมตรขึ้นไป JPL จะสามารถทำ Bandwidth ได้อยู่ที่เท่าไหร่ ก็ต้องติดตามการทดสอบ DSOC กันต่อไป
สามารถศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมของระบบ DSOC ได้จาก Deep Space Optical Communications (DSOC) , DSOC Technical Review
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
