NASA's ILLUMA-T: Pionierarbeit für das nächste Zeitalter der Laser-Kommunikation im Weltraum.

Die Nutzlast ILLUMA-T der NASA kommuniziert über Laserstrahlen mit LCRD. Quelle: NASA/Dave Ryan

Die NASA wird bald ILLUMA-T zur Internationalen Raumstation schicken, um die Laserkommunikation im Weltraum zu verbessern. In Zusammenarbeit mit dem zuvor gestarteten LCRD verspricht dieses System schnellere Datenübertragungsraten mit Hilfe von Infrarotlicht. Der Start, die Tests und die Vorführungen von ILLUMA-T bauen auf vergangenen Missionen auf und treiben die Vision der NASA für fortgeschrittene Laserkommunikation in zukünftigen Weltraumprojekten voran.

Die NASA nutzt die Internationale Raumstation (ISS) - ein raumgroßes Raumschiff, das die Erde umkreist - um mehr über das Leben und Arbeiten im Weltraum zu erfahren. Seit über 20 Jahren bietet die Raumstation eine einzigartige Plattform für Untersuchungen und Forschungen in Bereichen wie Biologie, Technologie, Landwirtschaft und mehr. Sie dient als Heimat für Astronauten, die Experimente durchführen, einschließlich der Weiterentwicklung der Kommunikationsfähigkeiten der NASA im Weltraum.

ILLUMA-T Nutzlast der NASA in einem sauberen Goddard-Reinraum. Die Nutzlast wird auf der Internationalen Raumstation installiert und höhere Datenraten mit der Laser Communications Relay Demonstration der NASA demonstrieren. Quelle: Dennis Henry

Im Jahr 2023 schickt die NASA eine Technologiedemonstration namens Integrated LCRD Low Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T) zur Raumstation. Zusammen mit der im Dezember 2021 gestarteten Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) wird ILLUMA-T das erste bidirektionale Laserrelaissystem der NASA vervollständigen.

Mit ILLUMA-T wird das Space Communications and Navigation (SCaN)-Programmbüro der NASA die Leistung der Laserkommunikation von der Raumstation aus demonstrieren. Mit unsichtbarem Infrarotlicht senden und empfangen Laserkommunikationssysteme Informationen mit höheren Datenraten. Durch höhere Datenraten können Missionen mehr Bilder und Videos in einer einzigen Übertragung zur Erde senden. Sobald ILLUMA-T auf der Raumstation installiert ist, wird es die Vorteile höherer Datenraten für Missionen in niedriger Erdumlaufbahn demonstrieren.

Nahaufnahme des optischen Moduls von ILLUMA-T, das von einer Schutzabdeckung umgeben ist. Quelle: NASA/Dennis Henry

"Laserkommunikation bietet Missionen mehr Flexibilität und einen schnelleren Weg, Daten aus dem Weltraum zurückzubekommen", sagt Badri Younes, ehemaliger stellvertretender Associate Administrator für das SCaN-Programm der NASA. "Wir integrieren diese Technologie in Demonstrationen in der Nähe der Erde, auf dem Mond und im tiefen Weltraum."

Zusätzlich zu höheren Datenraten sind Lasersysteme leichter und verbrauchen weniger Energie - ein entscheidender Vorteil bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen. ILLUMA-T hat etwa die Größe eines handelsüblichen Kühlschranks und wird an ein externes Modul der Raumstation befestigt, um seine Demonstration mit LCRD durchzuführen.

Zurzeit demonstriert LCRD die Vorteile eines Laserrelais in geosynchroner Umlaufbahn - 22.000 Meilen von der Erde entfernt - indem es Daten zwischen zwei Bodenstationen überträgt und Experimente durchführt, um die Laserfähigkeiten der NASA weiter zu verbessern.

"Sobald ILLUMA-T auf der Raumstation ist, wird das Terminal Daten in hoher Auflösung, einschließlich Bilder und Videos, mit einer Rate von 1,2 Gigabit pro Sekunde an LCRD senden", sagte Matt Magsamen, stellvertretender Projektleiter für ILLUMA-T. "Dann werden die Daten von LCRD zu Bodenstationen in Hawaii und Kalifornien gesendet. Diese Demonstration wird zeigen, wie Laserkommunikation Missionen in niedriger Erdumlaufbahn zugute kommen kann."

ILLUMA-T wird als Nutzlast auf der 29. kommerziellen Versorgungsmission von SpaceX für die NASA gestartet. In den ersten beiden Wochen nach dem Start wird ILLUMA-T aus dem Stauraum der Dragon-Raumkapsel entfernt, um auf der japanischen Versuchseinheit für das Experimentmodul der Station (JEM-EF), auch bekannt als "Kibo" - was auf Japanisch "Hoffnung" bedeutet - installiert zu werden.

Nach der Installation der Nutzlast wird das ILLUMA-T-Team vorläufige Tests und Überprüfungen im Orbit durchführen. Sobald dies abgeschlossen ist, wird das Team einen Testlauf für die erste Beleuchtung der Nutzlast durchführen - einen entscheidenden Meilenstein, bei dem die Mission ihren ersten Laserstrahl durch ihr optisches Teleskop an LCRD sendet.

Nach dem Erreichen des ersten Lichts werden die Datenübertragung und die Laserkommunikationsexperimente beginnen und während der geplanten Mission fortgesetzt.

NASA's Laserkommunikations-Roadmap. Quelle: NASA / Dave Ryan

In Zukunft werden Betriebs-Laserkommunikationssysteme die Radiosysteme ergänzen, die heute von den meisten Weltraummissionen verwendet werden, um Daten nach Hause zu senden. ILLUMA-T ist nicht die erste Mission, die Laserkommunikation im Weltraum testet, bringt die NASA aber näher an die operative Nutzung dieser Technologie heran.

Aside from LCRD, ILLUMA-T’s predecessors include the 2022 TeraByte InfraRed Delivery system, which is currently testing laser communications on a small CubeSat in low Earth orbit; the Lunar Laser Communications Demonstration, which transferred data to and from lunar orbit to the Earth and back during the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer mission in 2014; and the 2017 Optical Payload for Lasercomm Science, which demonstrated how laser communications can speed up the flow of information between Earth and space compared to radio signals.

The Goddard ILLUMA-T team in front of the payload in a cleanroom. Credit: NASA/Dennis Henry

Testing the ability of laser communications to produce higher data rates in a variety of scenarios will help the aerospace community further refine the capability for future missions to the Moon, Mars, and deep space.