ในปัจจุบัน ดาวเทียม ยานอวกาศ ยานสำรวจ ต่าง ๆ ไม่ว่าจะในวงโคจรของโลก วงโคจรดวงจันทร์ ดาวอังคาร หรือนอกระบบสุริยะต่างก็สื่อสารกับโลกผ่านคลื่นวิทยุ (Radio Frequency) ด้วยจานส่งสัญญาณขนาดใหญ่บนโลกและจานส่งสัญญาณบนยาน อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีการสื่อสารใหม่ ๆ ต่างก็กำลังถูกพัฒนามาเพื่อแทนที่การสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุ หนึ่งในตัวแทนที่น่าสนใจที่สุดก็คือการสื่อสารด้วยแสง
แสงเลเซอร์ดีกว่าคลื่นวิทยุยังไง
หลาย ๆ คนอาจจะไม่รู้ว่า “แสง” ก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ชนิดหนึ่ง คลื่นวิทยุก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นกัน นั้นหมายความว่าพวกมันเดินทางด้วยความเร็วแสงนั่นเอง หมายความว่าคลื่นวิทยุก็เดินทางด้วยความเร็วแสงเช่นกัน
เนื่องจากทฤษฎีปัจจุบันซึ่งก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ระบุไว้ว่า “เราไม่สามารถเร่งวัตถุใด ๆ ให้มีความเร็วมากกว่าแสงได้” นั้นหมายความว่าความเร็วเป็นความเร็วที่เร็วที่สุดแล้ว แล้วเหตุใดถึงจะเอาแสงมาแทนที่วิทยุในเมื่อมันก็มีความเร็วเท่ากันนั่นก็คือความเร็วแสง
นั่นเป็นเพราะว่าแสงมีคุณสมบัติหนึ่งที่คลื่นวิทยุไม่มี นั่นก็คือ “แสงเดินทางเป็นเส้นตรง” จริง ๆ แล้วคลื่นวิทยุก็เดินทางเป็นเส้นตรงเช่นกัน แต่แสงตรงกว่า ที่ว่าแสงตรงกว่าไม่ใช่ว่าคลื่นวิทยุเดินทางเป็นเส้นตรงได้น้อยกว่าแสง แต่เทคโนโลยีปัจจุบันที่ใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุนั้นเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้คลื่นวิทยุไม่สามารถเดินทางไปยังเป้าหมายที่เราต้องการได้อย่างแม่นยำ
ยานอวกาศรวมถึงจานสื่อสารภาคพื้นดินสื่อสารกับโลกด้วยจานส่งสัญญาณแบบ Directional ซึ่งเป็นการสื่อสารแบบส่งสัญญาณไปยังทิศทางใดทิศทางหนึ่ง การส่งสัญญาณทำด้วยการยิงสัญญาณออกจาก Transmitter ที่บริเวณฐานจานให้ไปกระทบกับ Subreflector แล้วสะท้อนไปยัง Primary Dish ก่อนที่จะสะท้อนอีกครั้งออกไปนอกอวกาศ
การส่งสัญญาณแบบนี้จะทำให้สัญญาณที่ส่งออกไปค่อย ๆ เลี้ยวเบน (Diffraction) ออกไปเรื่อย ๆ ยิ่งระยะทางที่ส่งไกลเท่าไหร่สัญญาณก็จะยิ่งกระจัดกระจายมากยิ่งขึ้นทำให้สัญญาณที่รับได้ก็จะอ่อนลง ปลายทางก็จะต้องมีจานรับสัญญาณที่ใหญ่ขึ้นเพื่อเพิ่มความเข้มของสัญญาณด้วยการขยายหน้าจานให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อรวมสัญญาณ นอกจากนี้ Transmitter หรือตัวส่งสัญญาณบนยานอวกาศก็จะต้องมีกำลังส่งที่มากขึ้นด้วยเพื่อให้มั่นใจว่าโลกหรือดาวเทียมจะสามารถรับสัญญาณจากอีกฟังได้ชัดเจนนั่นเอง
ในขณะที่การสื่อสารด้วยเลเซอร์นั้นใช้ตัวส่งเลเซอร์กำลังสูงในช่วงคลื่น Infrared นั้นมีแนวโน้มที่จะเกิดการเลี้ยวเบนน้อยกว่าทำให้แสงที่ออกมาจากเลเซอร์นั้นยิงไปที่ไหนก็จะไปตกที่ที่นั้นเป๊ะ ๆ หากจะเปรียบเทียบง่าย ๆ สมมุติเรามีกำแพงอันหนึ่งที่มีจุดขนาดเล็ก ๆ อยู่ตรงกลาง เป้าหมายอย่างเดียวของเราคือส่องไฟไปที่จุดนั้น ๆ โดยไม่จำกัดว่าจะสว่างเท่าใดขอแค่มีคลื่นแสงมาตกกระทบ
การส่งสัญญาณด้วยคลื่นวิทยุก็จะเหมือนกับการเอาไฟฉายไปส่องจุดจุดนั้น ในขณะที่การส่งสัญญาณด้วยคลื่นแสงก็จะเหมือนกับการเอาเลเซอร์ยิงไปที่จุดจุดนั้น สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนคือแสงจากไฟฉายบางส่วนนั้นจะไม่ตกลงที่จุด ถ้าให้โลกเป็นจุดก็หมายความว่าแสงบางส่วนจะผ่านโลกไปซึ่งก็จะเท่ากับเสียฟรี ในขณะที่แสงจากเลเซอร์นั้นจะตกลงจุดพอดีซึ่งก็คือตกลงโลกพอดีนั่นเอง ซึ่งถือเป็นการลด “Footprint” ของการส่งสัญญาณที่จานสื่อสารอันอื่นอาจรับได้อีกด้วยซึ่งจะใช้ลดสัญญาณรบกวนจากแหล่งสัญญาณไม่พึงประสงค์ (เช่น ยานที่ดาวอังคารของ NASA ส่งสัญญาณวิทยุกลับโลก แต่รัสเซียดันรับได้ซะงั้น)
การส่งสัญญาณด้วยเลเซอร์ที่มีการกระจายตัวน้อยนั้นหมายถึงเราจะสามารถส่งข้อมูลผ่านลำแสงเลเซอร์ได้เยอะขึ้นเนื่องจากไม่ต้องมาคอยกังวลเหมือนคลื่นวิทยุว่าสัญญาณจะสามารถฟังได้หรือไม่ และเนื่องจากเลเซอร์นั้นมีการกระจายตัวน้อยทำให้สามารถสร้างตัว Transmitter ให้มีขนาดเล็กลงและใช้พลังงานน้อยลงได้ในขณะที่สามารถส่งข้อมูลได้มากขึ้นนั่นเอง
นอกจากนี้ยังมีเรื่องของสัญญาณรบกวนด้วย การส่งสัญญาณผ่านคลื่นวิทยุก็เหมือนกับการส่งสัญญาณผ่านสาย Co-axial หรือ สายทองแดงบนโลก เหตุผลที่จานรับสัญญาณบนโลกต้องไปตั้งอยู่ในหุบเขาเพราะว่ามันต้องลดสัญญาณรบกวนให้มากที่สุด เนื่องจากสัญญาณจากโทรศัพท์มือถือของเรายังแรงและเข้มข้นกว่าสัญญาณที่ส่งมาจากยานอวกาศเสียอีก ในขณะที่การส่งสัญญาณด้วยเลเซอร์นั้นก็เหมือน Fiber Optic ที่ไม่ต้องมากังวลเรื่องสัญญาณรบกวนอีกต่อไป
หมายความว่าการสื่อสารด้วยเลเซอร์นั้นไม่ได้เร็วไปกว่าการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุ เพียงแต่การสื่อสารด้วยเลเซอร์นั้นเปิดโอกาสให้ยานอวกาศสามารถส่งข้อมูลได้เยอะขึ้นกว่าเดิมในขณะที่ใช้พลังงานน้อยในการส่งและการรับน้อยลง เหมือนกับอินเทอร์เน็ตที่มีความเร็วเท่าเดิมแต่มี Bandwidth เพิ่มขึ้นนั่นเอง
NASA บอกว่า Laser Communication จะส่งข้อมูลได้มากขึ้นขึ้น 10 ถึง 100 เท่าของการส่งข้อมูลด้วยคลื่นวิทยุ ข้อมูลขนาดใหญ่อย่างแผนที่ของดาวอังคาร หากส่งผ่านคลื่นวิทยุอาจใช้เวลาถึง 2 เดือนในการส่งกลับโลก ในขณะที่การส่งผ่านเลเซอร์จะใช้เวลาเพียง 9 วันเท่านั้นเอง
อย่างไรก็ตามข้อเสียของการสื่อสารด้วยเลเซอร์ก็มีเช่นกันนั่นก็คือระบบการรับสัญญาณและส่งสัญญาณจะต้องแม่นยำมากเนื่องจากหากแสงเลเซอร์ที่ส่งมาเบี้ยวไปแม้แต่นิดเดียว (น้อยกว่า 1 องศา) แสงเลเซอร์ก็จะพลาดปลายทางไปอย่างสิ้นเชิงนั่นเอง นั่นก็คือการทดลองส่องไฟฉายกับเลเซอร์ของเรานั่นเอง หากลองขยับไฟฉายให้มันเบี้ยวนิดหน่อยก็จะยังมีแสงส่วนหนึ่งไปตกอยู่ ในขณะที่หากเลเซอร์เบี้ยวไปนิดเดียว แสงก็จะไม่ตกจุดจุดนั้นเลย
Laser Communications Relay Demonstration
Laser Communications Relay Demonstration หรือ LCRD เป็นการสาธิตเทคโนโลยี Optical Communications ของ NASA เพื่อทดสอบการสื่อสารผ่านเลเซอร์ในอวกาศระหว่างโลก ดาวเทียม LCRD และยานอวกาศ โดย LCRD จะทำหน้าที่เป็นตัวกลางการสื่อสารนั่นเอง
LCRD Payload อันแรกจะถูกติดตั้งไว้กับ Space Test Program Satellite 6 (STPSat-6) ของกระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกา โดย LCRD มีกำหนดการปล่อยวันที่ 23 มิถุนายน 2021จาก Cape Canaveral บนจรวด Atlas V 551 สู่วงโคจร Geosynchronous Orbit (GSO) ที่ความสูงประมาณ 35,000 กิโลเมตร
การที่มันทำหน้าที่เป็นตัวกลางหมายความว่าจะต้องมียานอวกาศที่ติดตั้งระบบสื่อสารผ่านเลเซอร์ในการสื่อสารด้วยซึ่งตอนนี้ยังไม่มียานอวกาศลำไหนที่มีความสามารถดังกล่าว LCRD จึงจะต้องทดลองทำการสื่อสารกับสถานีภาคพื้นไปก่อนโดยสถานีภาคพื้นจากถูกส่งผ่านสัญญาณวิทยุ ส่วน LCRD จะตอบกลับมาด้วยการส่งสัญญาณผ่านเลเซอร์ โดยข้อมูลที่จะส่งก็จะเป็นข้อมูลของยานเอง เช่น ระบบติดตาม ระบบ Telemetry และเซนเซอร์ต่าง ๆ
ดาวเทียมดวงแรกที่จะได้ทดลองใช้งานระบบ LCRD ก็คือ ILLUMA-T (Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal) ซึ่งจะถูกส่งไปยัง ISS ในปี 2022 ซึ่งจะทำหน้าที่เป็น Terminal ในการส่งข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ไปยังดาวเทียม LCRD ที่ความเร็วกว่า 1.2 gigabits ต่อวินาที ซึ่ง LCRD ก็จะส่งข้อมูลดังกล่าวต่อไปยังสถานีภาคพื้นที่ความเร็วเท่ากันผ่านการสื่อสารด้วยเลเซอร์ทั้งขามาจาก ISS และขาลงมาสถานีภาคพื้นนั่นเอง ซึ่ง 1.2 Gbps นั้นก็เท่ากับประมาณ 125 MB/s เลยทีเดียว (Internet ดาวเทียมผ่านคลื่นวิทยุบน ISS มีความเร็วแค่ 75 MB/s แถม Latency สูงมาก)
ความเร็ว 125 MB/s นั้นเร็วกว่าการสาธิตเทคโนโลยีการสื่อสารผ่านเลเซอร์จากดวงจันทร์ (Lunar Laser Communications Demonstration) ถึงเกือบ 2 เท่า ซึ่ง LLCD มีความเร็วเพียง 77.75 MB/s เท่านั้น
อย่างไรก็ตามยังคงจะใช้เวลาอีกหลายปีกว่าที่ดาวเทียมและยานอวกาศทั้งหมดจะหันมาใช้การสื่อสารด้วยเลเซอร์เนื่องจากเลเซอร์ไม่สามารถทะลุเมฆได้นั่นหมายความว่าจะต้องมีดาวเทียมสื่อสารด้วยเลเซอร์มากพอที่จะสามารถ Divert หรือเปลี่ยนเส้นทางของสัญญาณใหม่ได้หากเกิดพายุขึ้น นั่นหมายถึงเราอาจจะต้องมีโครงข่ายการสื่อสารด้วยเลเซอร์คล้าย ๆ Starlink นั่นเอง (Starlink Constellation บางส่วนเองก็สื่อสารด้วยเลเซอร์ได้เรียกว่า Laser Links)
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
What is the Laser Communications Relay Demonstration?
