Pada bulan Desember 2023, satelit kecil berlapis emas memancarkan video seekor kucing kucing oranye bernama Taters yang mengejar penunjuk laser ke atas dan ke bawah sofa. Jika Anda mengira sedang gencar-gencarnya memamerkan hewan peliharaan Anda, petualangan Taters yang berdurasi 15 detik itu ditransmisikan dari jarak 19 juta mil dari Bumi. Beberapa bulan kemudian, foto dan video hewan peliharaan karyawan NASA terbang melintasi ruang angkasa, dikemas dengan rapi di dalam sinar laser yang membutuhkan waktu 101 detik untuk mencapai Bumi dengan kecepatan cahaya.
Selain untuk meningkatkan kesadaran setiap pemilik hewan peliharaan di Bumi, demonstrasi NASA ini dirancang untuk menguji sistem komunikasi optik sebagai cara mentransmisikan data ke pesawat ruang angkasa yang jauh dengan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada gelombang radio. “Ini telah menjadi sesuatu yang telah dilakukan selama beberapa dekade,” Meera Srinivasan, kepala operasi Deep Space Optical Communications (DSOC) NASA di Jet Propulsion Laboratory (JPL), mengatakan kepada Gizmodo. “Kami perlu mengembangkan teknologi tersebut dan membuatnya cocok untuk operasi, dan khususnya, di lingkungan luar angkasa.”
Era baru komunikasi luar angkasa
Butuh penelitian selama bertahun-tahun dan demonstrasi teknologi yang lebih kecil yang mengirimkan data dalam jarak yang lebih pendek, seperti dari Bumi ke Bulan, sebelum DSOC siap terbang. Pemancar laser penerbangan DSOC diluncurkan pada Oktober 2023, dipasang pada pesawat ruang angkasa Psyche (yang sedang menjalankan misinya sendiri untuk menjelajahi asteroid dengan nama yang sama).
Meskipun Psyche mengandalkan komunikasi radio tradisional, transceiver laser DSOC adalah demonstrasi pertama komunikasi optik dari jarak sejauh Mars. Pada bulan November, instrumen tersebut melihat cahaya pertamanya dan pancaran data yang dikodekan dalam laser inframerah-dekat dari jarak hampir 10 juta mil dari Bumi.
Ya, kita berbicara tentang sinar tak kasat mata yang bergerak dengan kecepatan cahaya, membawa data definisi tinggi dari luar angkasa ke Bumi. Begini cara kerjanya: Sistem komunikasi optik mengemas data ke dalam osilasi gelombang cahaya di laser, menyandikan pesan menjadi sinyal optik yang dibawa ke penerima melalui sinar inframerah yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia.
Cara kerja komunikasi optik
Sejak peluncuran satelit pertama pada tahun 1950-an, NASA dan badan antariksa lainnya mengandalkan komunikasi frekuensi radio untuk mengirim data ke dan dari luar angkasa. Sinyal radio dan sinyal laser merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik dan bergerak dengan kecepatan yang sama, namun masing-masing memiliki panjang gelombang yang berbeda. Laser mengirimkan data dalam bagian spektrum elektromagnetik inframerah-dekat, sehingga memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dan frekuensi yang lebih tinggi. Artinya, terdapat lebih banyak panjang gelombang inframerah dibandingkan radio pada jarak tertentu, sehingga memungkinkan lebih banyak data untuk dikemas dalam gelombang inframerah.
“Ini mempengaruhi jumlah data yang dapat Anda masukkan,” kata Srinivasan. “Dan tentu saja hal ini memungkinkan data beresolusi lebih tinggi karena Anda dapat mengirim lebih banyak bit dalam jangka waktu yang sama.” Eksperimen DSOC bertujuan untuk menunjukkan kecepatan transmisi data 10 hingga 100 kali lebih besar daripada sistem frekuensi radio yang digunakan oleh pesawat ruang angkasa saat ini, menurut NASA.
Jika Anda mempertimbangkan video kucing kucing, pemancar radio tradisional Psyche, yang memiliki kecepatan data 360 kilobit per detik, akan membutuhkan waktu 426 detik untuk mengirimkan video tersebut. Sedangkan laser transceiver DSOC hanya membutuhkan waktu 0,58 detik untuk mengirimkan video dengan kecepatan data 267 megabit per detik. Namun, baik radio maupun laser membutuhkan waktu yang sama untuk mencapai Bumi dengan kecepatan cahaya.
“Dengan komunikasi optik, pada dasarnya Anda menggunakan teleskop dan laser untuk berkomunikasi, dan Anda memancarkan sinar laser ini,” kata Srinivasan. Eksperimen DSOC memiliki transceiver laser penerbangan dan dua stasiun bumi: Teleskop Hale dengan bukaan 200 inci (5 meter) di Observatorium Palomar Caltech di San Diego, yang bertindak sebagai stasiun downlink, dan Laboratorium Teleskop Komunikasi Optik di Table Mountain JPL fasilitas di California, stasiun uplink.
Stasiun uplink mengirimkan sinyal laser berdenyut ke terminal penerbangan, yang dilengkapi dengan kamera yang memiliki kemampuan menghitung foton individual. Terminal penerbangan menggunakan pemancar darat sebagai suar, menguncinya untuk mengarahkan ke tempat yang mengarahkan sinar laser. Dengan menggunakan pemancar darat, terminal penerbangan mengirimkan datanya dalam bentuk pulsa laser sebagai downlink ke Bumi.
Tantangan dan masa depan laser luar angkasa
Kedengarannya cukup mudah, jadi mengapa selama ini NASA tidak mengandalkan laser luar angkasa yang keren ini? Komunikasi optik bukannya tanpa tantangan. Saat sinar laser mencapai Bumi, sinar laser tersebut jauh lebih sempit daripada sinar radionya, dan lebarnya hanya beberapa ratus mil dibandingkan dengan sinyal radio yang lebarnya sekitar 1,5 juta mil (2,5 juta kilometer). Lebarnya yang sempit memerlukan akurasi lebih untuk mencapai stasiun penerima di Bumi, mengarahkan sinar laser ke titik di mana teleskop berbasis darat akan berada di orbit planet pada saat sinyal mencapainya.
Komunikasi optik telah digunakan untuk mengirimkan data dari orbit Bumi dan Bulan, namun pengujian baru-baru ini menandai jarak terjauh yang ditempuh oleh sinar laser, seiring dengan upaya NASA untuk menyempurnakan keterampilan komunikasinya menjelang misi mendatang ke luar angkasa. Namun, jarak yang lebih jauh mempersulit laser luar angkasa untuk mencapai target di Bumi secara tepat—tantangan terbesar NASA dalam mengandalkan laser untuk mengunduh data dari luar angkasa.
Saat pesawat ruang angkasa Psyche melanjutkan perjalanannya sejauh 2,2 miliar mil (3,6 miliar kilometer) menuju sabuk asteroid, tim teknik di belakang DSOC akan terus menjalankan pengujian sistem komunikasi dan melakukan pemeriksaan mingguan dengan transceiver laser. Semakin jauh Psyche melakukan perjalanan menuju target asteroidnya, sinyal foton lasernya akan semakin redup.
Sejauh ini, eksperimen tersebut memecahkan rekor seiring jaraknya yang semakin jauh dari Bumi. Pada bulan Juli, DSOC mengirimkan sinyal laser dari Bumi ke pesawat ruang angkasa Psyche dari jarak sekitar 290 juta mil (460 juta kilometer), yang merupakan jarak yang sama antara Bumi dan Mars ketika kedua planet berada pada jarak terjauh satu sama lain.
Srinivasan dari NASA mengantisipasi bahwa misi akan mulai mengandalkan laser dalam 10 tahun ke depan, menyoroti kebutuhan untuk membangun teleskop yang didedikasikan untuk komunikasi optik agar memiliki sejumlah pilihan lokasi darat yang dapat menerima data.
“Saya pikir ini akan menjadi solusi keduanya [radio and laser communication]”kata Srinivasan. “Dengan komunikasi laser, ini adalah saluran berkecepatan data tinggi yang digunakan untuk menyampaikan video definisi tinggi, data sains yang jauh lebih kaya, dan sebagainya, namun akan selalu ada tempat untuk komunikasi frekuensi radio.”