Sau hơn một năm thử nghiệm trên quỹ đạo, Trung Quốc đã đạt bước đột phá quan trọng trong thử nghiệm liên lạc laser giữa Trái đất và Mặt Trăng.
Các nhà nghiên cứu đã thiết lập thành công đường truyền laser hai chiều trên khoảng cách khoảng 400.000 km giữa Trái đất và Mặt Trăng, đánh dấu lần đầu tiên hình thức liên lạc laser tốc độ cao như vậy được thực hiện giữa hai thiên thể.
Bước đột phá này đánh dấu một bước tiến đáng kể trong công nghệ liên lạc laser không gian của Trung Quốc, mở rộng ứng dụng từ quỹ đạo gần Trái đất sang không gian cận Mặt Trăng.
Liên lạc laser trong không gian truyền thông tin bằng các chùm tia laser. So với liên lạc vi ba truyền thống, công nghệ này có nhiều ưu điểm như băng thông lớn hơn, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, độ chính xác định hướng tốt hơn và khả năng bảo mật cao hơn.
Thiết bị liên lạc laser cũng nhỏ gọn và nhẹ hơn, hỗ trợ truyền và nhận dữ liệu tốc độ cao hai chiều với khả năng truyền dẫn linh hoạt. Tuy nhiên, khoảng cách truyền càng lớn thì các thách thức kỹ thuật càng đáng kể.
“Liên lạc không gian sâu có thể trải dài hàng trăm nghìn km, đặt ra yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt về độ chính xác định hướng chùm tia. Khi tín hiệu laser truyền qua khoảng cách rất lớn để tới mặt đất, tín hiệu bị suy hao nghiêm trọng, trở nên cực kỳ yếu và khó phát hiện. Đồng thời, công nghệ truyền dữ liệu tốc độ cao cũng gặp những giới hạn khiến việc nâng tốc độ truyền trở nên khó khăn,” Yang Lei, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ và Kỹ thuật Sử dụng Không gian thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) và trưởng nhóm thí nghiệm liên lạc laser, cho biết.
Định hướng chính xác trên khoảng cách cực lớn là trở ngại lớn đầu tiên. Liên lạc giữa Trái đất và Mặt Trăng được ví như “xỏ kim từ khoảng cách hàng nghìn dặm” khi phải hướng một chùm ánh sáng cực hẹp tới một mục tiêu đang chuyển động nhanh ở cách khoảng 400.000 km. Chỉ một sai lệch góc rất nhỏ ở đầu phát cũng có thể khiến vị trí chùm tia lệch vài km khi tới khu vực thiết bị thu dự kiến.
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu phát triển phương pháp thu nhận và bám bắt hai chiều mới, được thiết kế cho khoảng cách cực lớn và tín hiệu cực yếu. Bằng cách tính toán và hiệu chỉnh có hệ thống nhiều yếu tố, gồm quỹ đạo vệ tinh, sai số do giá đỡ kính thiên văn và biến dạng của thiết bị, hiện tượng khúc xạ khí quyển và thời gian truyền của tia laser, nhóm nghiên cứu giúp cả vệ tinh trên quỹ đạo và kính thiên văn mặt đất duy trì sự căn chỉnh chính xác trong khi chuyển động, bảo đảm chùm tia laser đến đúng mục tiêu.
Sau khi giải quyết bài toán định hướng, nhóm nghiên cứu tiếp tục đối mặt với một trở ngại khác: phát hiện và nhận dạng tín hiệu cực yếu. Sau khi truyền khoảng 400.000 km tới mặt đất, tín hiệu laser suy giảm chỉ còn vài photon, khiến kính thiên văn mặt đất có rất ít tín hiệu để phát hiện.
Để xử lý vấn đề này, nhóm nghiên cứu sử dụng các bộ dò siêu nhạy có khả năng phát hiện từng photon và phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Những công nghệ này giúp lọc lượng nhiễu rất lớn và trích xuất chính xác tín hiệu hữu ích.
Tốc độ truyền cũng cần được nâng lên. Sau khi đạt khả năng tiếp nhận tín hiệu ổn định, nhóm nghiên cứu tiếp tục cải thiện hiệu quả xử lý dữ liệu. Thí nghiệm ban đầu đạt tốc độ truyền lên Mặt Trăng 1,25 Mbps (megabit/giây) và tốc độ truyền xuống 100 Mbps.
Yang cho biết: “Lấy một ảnh độ phân giải cao 8K của bề mặt Mặt Trăng làm ví dụ. Với đường truyền vi ba thông thường 5 Mbps, việc truyền ảnh xuống mất 4-5 phút. Với liên lạc laser 100 Mbps, thời gian chỉ còn khoảng 12 giây.”
Thí nghiệm do Trung tâm Công nghệ và Kỹ thuật Sử dụng Không gian chủ trì, với sự tham gia của Zhejiang Lab, Đài Thiên văn Vân Nam thuộc CAS và Viện Công nghệ Vi hệ thống và Thông tin Thượng Hải thuộc CAS.
“‘Cao tốc thông tin’ Trái đất-Mặt Trăng hiện đã đi vào hoạt động. Trong thời gian tới, chúng ta sẽ có thể thu thập thêm nhiều bộ dữ liệu khoa học nguyên bản,” Yang nói. Ông cho biết khả năng truyền dữ liệu nhẹ, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và tốc độ cao được phát triển qua thí nghiệm cũng sẽ cung cấp phương thức truyền thông tin tốc độ cao mới cho các sứ mệnh có người lái lên Mặt Trăng.
Hình minh họa đường truyền liên lạc laser hai chiều giữa Trái đất và Mặt Trăng. Ảnh: CAS
