激光搭建太空“互聯(lián)網(wǎng)”

國(guó)際空間站站長(zhǎng)克里斯·哈德菲爾德也許會(huì)讓你對(duì)形象刻板的宇航員刮目相看---他經(jīng)常在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布一些有趣的太空生活視頻和照片。盡管他已于今年五月份返回地球，但他返回前，以地球和太空為背景，在空間站零重力的奇妙環(huán)境下，演繹的太空站版MV《太空怪人》卻吸引粉絲無(wú)數(shù)。隨著人類(lèi)未來(lái)太空活動(dòng)的更加頻繁，在不久的將來(lái)，現(xiàn)有的微波通訊方式將不能滿足需求。那時(shí)，大量的數(shù)據(jù)將依靠什么技術(shù)從空間站、月球甚至火星傳回到地球呢？

激光將使衛(wèi)星通訊趕上高速光纖

事實(shí)上，國(guó)際空間站的航天員非常喜歡與地面建立實(shí)時(shí)連接，因?yàn)檫@是他們枯燥的太空生活中的一大調(diào)劑。而由于工作需要，空間站的航天員也需要經(jīng)常和地面建立聯(lián)系，例如，召開(kāi)視頻會(huì)議、瀏覽網(wǎng)頁(yè)和傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)。

目前，國(guó)際空間站的互聯(lián)網(wǎng)帶寬為300MB，是多數(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬的10倍以上，雖然能適用于當(dāng)前的需要，但隨著未來(lái)人類(lèi)太空活動(dòng)的增加，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬將不適應(yīng)需求。

美國(guó)宇航局正在開(kāi)發(fā)新型激光太空通信系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)“太空―地球”遠(yuǎn)距、大數(shù)據(jù)通信。這種技術(shù)能將衛(wèi)星通信的速率提高到相當(dāng)于地球上高速光纖網(wǎng)絡(luò)的水平。這一套系統(tǒng)的主要部件包括激光器、望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器組合以及信號(hào)處理線路。一旦開(kāi)始工作，在一個(gè)萬(wàn)向架的支承下，望遠(yuǎn)鏡或平面反射鏡、中繼光學(xué)組件、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)以及信號(hào)探測(cè)組件與激光器和二色分光鏡結(jié)合起來(lái)構(gòu)成接收和發(fā)射系統(tǒng)，可同時(shí)發(fā)射和接收激光，隨之實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟蹤和信號(hào)輸出。

美國(guó)宇航局計(jì)劃在未來(lái)十年對(duì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)太空通訊的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）進(jìn)行更新升級(jí)。作為多顆中繼衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)至地球的集線中心，第一代TDRSS建立于20世紀(jì)80年代末至90年代初，2013年初已發(fā)射第三代TDRSS的第一部分。未來(lái)，太空旅游和太空旅館將帶來(lái)更多的太空游客，在太空登陸互聯(lián)網(wǎng)將是他們太空生活的重要一部分，激光通訊和TDRSS系統(tǒng)將是理想的太空---地球互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)這些技術(shù)在太空生活的人們，將可以與地球上的家人、朋友進(jìn)行高清晰視頻聊天，互發(fā)微博等。

激光通訊設(shè)備可減輕空間站負(fù)載

使用激光太空通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而這種速率是之前使用的微波通信系統(tǒng)所達(dá)不到的。同時(shí)，由于通信光束嚴(yán)格聚焦，激光太空通信系統(tǒng)的抗干擾和防竊聽(tīng)能力非常強(qiáng)，而這種高度準(zhǔn)直的光束完全可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。另外，激光波長(zhǎng)比微波短，因而可以借助較小的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生嚴(yán)格聚焦的光束，與相同性能的射頻系統(tǒng)所需的微波天線相比，這種發(fā)射望遠(yuǎn)鏡要小整整一個(gè)量級(jí)。對(duì)于在空間站上控制通信系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，這意味著工作大大簡(jiǎn)化，同時(shí)，空間站的重量和負(fù)載空間都因激光太空通信系統(tǒng)擁有更小的信號(hào)傳送器而大大節(jié)省。

但是，太空的環(huán)境對(duì)于實(shí)現(xiàn)激光通訊所需的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常嚴(yán)酷。首先光學(xué)系統(tǒng)必須足夠牢固，才能經(jīng)受航天器發(fā)射時(shí)的沖擊和振動(dòng)。一旦進(jìn)入軌道，起飛加速器產(chǎn)生的氣體、航天器的潤(rùn)滑劑和密封墊的排氣，都有可能污染光學(xué)系統(tǒng)，從而影響激光通訊。不過(guò)，采用密封光學(xué)系統(tǒng)和萬(wàn)向架支承的望遠(yuǎn)鏡可以解決這個(gè)問(wèn)題，這種望遠(yuǎn)鏡有抗污染的屏障窗口，因此污染物只會(huì)沉淀在外窗上，不會(huì)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有影響。

使用激光通訊系統(tǒng)還要對(duì)付長(zhǎng)期的宇宙輻射，這可以采用摻鈰玻璃或石英制成的透鏡屏蔽關(guān)鍵元件，以及采用輻射強(qiáng)化的電子元件來(lái)防御這種威脅。

激光太空通信系統(tǒng)高保密性、高存活力與抗干擾的優(yōu)勢(shì)，既能讓太空通訊的“網(wǎng)速”加快，又能減輕重量負(fù)擔(dān)和能量需求。這種技術(shù)將來(lái)還有可能應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)海底的通信，以及兩架飛機(jī)之間的溝通，例如，用在空中加油機(jī)和需要加油的戰(zhàn)斗機(jī)上。也許不久的將來(lái)，每個(gè)人都將會(huì)有機(jī)會(huì)像國(guó)際空間站站長(zhǎng)克里斯·哈德菲爾德一樣，傳回自拍的太空站版MV了！

以激光為基礎(chǔ)的太空通信系統(tǒng)

去年10月，國(guó)際空間站的俄羅斯區(qū)段首次通過(guò)激光將寬帶信息傳輸?shù)降孛嬲�。傳輸�?shù)據(jù)量為2.8GB，傳輸速度達(dá)到每秒125MB。該激光通信系統(tǒng)從太空發(fā)射激光信號(hào)，再由地面接收站將激光解調(diào)成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

而美國(guó)的工程師正在研究另一項(xiàng)技術(shù)---延遲容忍網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將使太空網(wǎng)絡(luò)更好地處理傳輸和接收之間的時(shí)間間隔。美國(guó)麻省理工大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還能夠消除航天器微小的擺動(dòng)，這是遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)和跟蹤所要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)之一。他們相信，未來(lái)太空任務(wù)將利用激光通信技術(shù)的輕質(zhì)和低功率特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)通信和3D高清晰度視頻提供更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

激光太空通信系統(tǒng)的運(yùn)用為快捷、可靠的太空通信手段開(kāi)辟了道路。美國(guó)宇航局也于今年開(kāi)始研討新一代太空通信系統(tǒng)。他們的計(jì)劃是用激光代替微波進(jìn)行通信，以便更快、更有效地發(fā)送數(shù)據(jù)。他們希望能建立激光太空互聯(lián)網(wǎng)，為未來(lái)太空旅客提供便捷網(wǎng)絡(luò)通信。未來(lái)，利用激光通信技術(shù)，人類(lèi)或?qū)㈤_(kāi)啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)，甚至還可以連接至火星和更遙遠(yuǎn)的星球。

激光或可解決大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存難題

澳大利亞斯威本科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種全新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，他們利用激光技術(shù)解決了大數(shù)據(jù)難以?xún)?chǔ)存的問(wèn)題，可將1PB（1024TB）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一張僅DVD大小的聚合物碟片上。

利用現(xiàn)有的存儲(chǔ)方式，如果我們要將1ZB的數(shù)據(jù)存在藍(lán)光光盤(pán)上，需要1000張，堆疊起來(lái)約有1米高，而使用目前常用的普通光盤(pán)，那么光盤(pán)的高度能達(dá)到24千米。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型的有機(jī)聚合催化劑，可對(duì)光產(chǎn)生2種不同的反映，從而回避了光的固有波長(zhǎng)的限制。他們使用的800nm的激光可令這種催化劑