通過激光給家裡打電話
隨著NASA做出重返並常駐月球的嚴肅決定，人們自然想知道，已經習慣了使用無處不在的高速互聯網的人們，在到達月球后，是否需要重新習慣令人意識麻木的慢速網絡。今天，絕大多數衛星和宇宙飛船的數據傳輸速率都能達到每秒幾千比特。但在月球長期居住的居民可能就會對有限的帶寬感到不滿意，例如，阿波羅宇航員使用的網絡帶寬就很小。
為滿足高清視頻和數據密集型科學研究的需要，NASA及其他空間機構正在努力讓空間研究中使用的傳統無線電頻帶的作用發揮到極致。例如，“獵戶座”宇宙飛船將在2022年執行NASA“阿耳特彌斯2號”（Artemis 2）任務期間載著宇航員環繞月球，並使用S波段無線電以50兆比特/秒的速度將關鍵任務信息傳輸給地球。“這是宇宙飛船上配備的最複雜的飛行管理系統。”NASA空間通信和導航項目的首席架構師吉姆•希爾（Jim Schier）說。為本任務視頻流分配的無線電速度將僅為1兆比特/秒。這一速度大約是網飛公司傳輸高清電影所需速度的1/5。
提高數據傳輸速率意味著突破無線電的速度限制，並開發使用激光進行太空數據傳輸的光通信系統。除了S波段無線電，“獵戶座”飛船還將配備激光通信系統，用於將超高清4K視頻傳回地球。此外，NASA的“門戶”還將建立一個長期的激光通信中心，實現地球及其衛星的鏈接。
要實現激光通信並非易事。宇宙飛船的輕微顛簸就會導致激光束嚴重偏離，飄過的雲彩也可使其中斷。但激光通信一旦實現，那麼藉助光通信的穩健性，未來任務中的軟件更新幾分鐘內就能完成，而不再需要幾天的時間。宇航員在太空中工作時也能與外界取得聯繫，緩解孤獨感，而且科學界將可以在地球與月球之間進行前所未有的數據流傳輸。
如今，各空間機構喜歡使用S波段（2～4千兆赫）和Ka波段（26.5～40千兆赫）的無線電進行宇宙飛船和指揮中心之間的通信，同時通過機載無線電將過程信息、環境狀況以及來自諸多航天系統的數據傳回指揮中心。Ka波段非常珍貴，NASA負責監督無線電和光學技術開發的唐•康維爾（Don Cornwell）將其稱為“無線頻率中的凱迪拉克”，因為其傳輸速度可高達每秒幾千兆比特，而且在空間中的傳播性能非常好。
任何宇宙飛船的數據傳輸能力都會受到電磁頻譜某些不可避免的物理特性的限制。舉例來說，無線電頻譜是有限的，用於空間通信的珍貴波段在商業應用中同樣珍貴。藍牙和無線局域網使用的是S波段，5G蜂窩網絡使用的是Ka波段。
第二個大問題是無線電信號在真空中會發生分散。當Ka波段信號從月球到達地球時，其分散面積的直徑大概為2000千米，差不多等於整個印度的國土面積。這樣一來，信號就會變得較弱，解決方法要麼是在地球接收方安裝敏感的接收器，要麼是在月球發射方安裝強大的無線電發射機。
激光通信系統也存在分散問題，光束交叉會導致數據混亂。不過，從月球發射出來的激光束，到達地球時分散面積的直徑為6千米。這說明，兩個激光束髮生交叉的可能性較小，激光束不會與本已擁擠的其他頻譜發生衝突。康維爾說，利用激光幾乎可以傳輸無限量的數據。“光學頻譜是不受限制的。激光束非常狹窄，不同激光束之間幾乎不可能相互干擾。”
頻率較高也就意味著波長較短，由此產生的益處也更多。Ka波段的信號波長為7.5毫米至1釐米，但是，NASA計劃使用波長為1550納米的激光，與地球上光纖網絡所用的波長相同。事實上，空間激光通信的很大一部分發展都是以現有光纖工程為基礎的。波長較短（頻率較高）意味著每秒可傳輸的數據量更多。
多年前，人們就已經瞭解了激光通信的優勢，但是直到近年來，工程師們才構建出了超越無線電的系統。例如，2013年，NASA的月球激光通信演示證明，光信號確實可以將信息從月球軌道傳回地球。NASA進行了為期一個月的實驗，在月球大氣與塵埃環境探測器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer）上安裝了一個發射機，以622兆比特/秒的速度將數據傳回地球，這一速度相當於“獵戶座”飛船所用S波段速度的十多倍。
“對於‘獵戶座’飛船將攜帶S波段無線電返回月球，我感到非常震驚。”馬薩諸塞州列剋星敦市麻省理工學院林肯實驗室的光通信專家布萊恩•魯濱遜（Bryan Robinson）說。林肯實驗室在NASA諸多激光通信系統的開發中發揮了重要作用，其開發工作始於2001年GeoLITE類衛星的早期光通信演示。“人類已經習慣了地球和近地軌道的通信方式。我很高興他們能幡然醒悟並在這項任務中加入激光通信系統。”
作為對S波段無線電通信的補充，在執行阿耳特彌斯2號任務期間，“獵戶座”飛船將攜帶一個名為“獵戶座光學”（O2O）的激光系統。NASA不打算將O2O用於關鍵任務的通信。該系統的主要任務是將月球的超高清視頻傳回地球，供好奇的公眾觀看。在月球軌道上，O2O將以80兆比特/秒的速度接收數據，以20兆比特/秒的速度進行數據傳輸。為什麼O2O的數據傳輸速度只有20兆比特/秒，而6年前的演示項目中數據傳輸速度卻能達到622兆比特/秒？原因很簡單，因為“獵戶座”開發人員“從未要求我們將速度提高至622兆比特/秒”，肯實驗室光學通信團隊的法爾扎納•卡特里（Farzana Khatri）說。康維爾證實說，O2O的下行傳輸速度至少為80兆比特/秒，但該系統能夠達到更高的數據傳輸速率。
如果能夠成功，O2O將開啟未來載人航天任務中大數據通信的大門，宇航員將能夠和家人視頻聊天、諮詢私人醫生，甚至是在休息時觀看現場直播的體育賽事。人們在月球上停留的時間越長，這些網絡連接對他們的精神健康就越重要。最終，拍攝視頻將成為深空探測宇航員的關鍵任務。
在對O2O進行太空測試之前，它首先必須完成這次旅程。安裝在宇宙飛船上的激光系統使用望遠鏡來發送和接收信號。這些望遠鏡需要精準地安放一系列反光鏡以及其他移動部件。O2O的望遠鏡將採用離軸卡塞格倫望遠鏡設計，這種望遠鏡有兩面反光鏡，安裝在旋轉框架內以聚焦捕獲的光線。林肯實驗室的研究人員之所以選擇這種設計，是因為它可以將望遠鏡與光收發機分離，使整個系統更模塊化。工程師們必須確保運載“獵戶座”飛船的太空發射系統火箭不會將整個精準擺放的陣列振亂。林肯實驗室的研究人員已開發出掛鉤和底座，希望能夠降低動盪發射過程中的振動，使一切都完好無損。
一旦O2O到達太空，就必須精確地對準它。如果無線電信號的橫截面積相當於一個大國的國土面積，那麼就不容易錯過接收器。直徑為6千米的信號卻可能因為宇宙飛船的輕微顛簸而無法發射到地球上。“如果在緊張得手抖時使用激光筆，激光筆的光點就會到處跑。”康維爾說。
“獵戶座”飛船的機載設備也將產生持續的微小振動，其中任何一種振動都足以使光學信號偏離軌道。因此，NASA和林肯實驗室的工程師們會把光學系統固定在一個抗振平臺上。該平臺會對宇宙飛船的振動強度進行測量，並以相反的振動模式將其抵消，“就像抗噪耳機那樣。”康維爾說。
信號返回地球時需要穿越地球外圍的雲層，這是O2O需要克服的最後一個障礙。O2O使用的1550納米紅外線波長，很容易被雲層吸收。在沒有阻礙的情況下，激光束可傳播約40萬千米，只會受到地球表面雲層的阻隔。如今，防止信號在穿越層積雲時丟失的最佳方式是將信號定向傳輸給多個接收器。以O2O為例，它將使用位於加州桌山和新墨西哥州白沙的地面衛星接收站。
“門戶”空間站計劃於本世紀20年代建成，它將為高速空間激光通信的實現提供更大的機會。NASA將在加拿大、歐洲、日本及俄羅斯同行的幫助下，在月球軌道上建設該空間站；該空間站將作為月球探測行動的集結待命區和通信中繼站。
NASA的希爾猜測，在“門戶”空間站進行的研究和技術演示每秒將產生5～8千兆比特/秒需要傳回地球的數據。這一數據傳輸速度將令太空中現有的一切傳輸速度相形見絀——國際空間站（ISS）向地球發送數據的速度為25兆比特/秒。“（5～8千兆比特/秒）的意思就是，如果你將所有數據傳到（國際空間站），那麼2秒後，緩衝區還沒加載完成，你就可以運行這些數據了。”希爾說。
“門戶”為地球和月球之間永久光學幹線的建設提供了契機。NASA希望利用“門戶”將其定位、導航和定時信息傳輸給月球表面的車輛。“手機如果要正常工作，需要4個全球定位通信衛星同時運行。”希爾說，“而月球上不具備這種條件。”不過，來自“門戶”的單波束可以為月球探測車提供準確的距離、方位和定時等相關數據，使其能夠確定自身在月球表面的確切位置。
此外，使用光通信也可以為科學研究釋放足夠的無線電頻譜。魯濱遜指出，月球背面是架設無線電天文望遠鏡的最佳位置，因為此處可以屏蔽來自地球的顫動。如果月球上所有的通信系統都採用光通信，他說，那就沒有什麼能阻斷觀察結果的傳輸了。
除此之外，科學家和工程師們仍然不確定自己還能怎樣挖掘“門戶”的潛在數據傳輸速度。“還有很多事情可以做，我們仍在學習。”康維爾說。
未來幾年將會有其他任務來測試激光通信在外太空中能否良好運行。例如，NASA對小行星“靈神星”的勘探任務將有助於確定光通信系統的精確度，以及在不毀壞信號傳輸望遠鏡的前提下確定激光的傳輸性能。不過言歸正傳，在月球上工作和生活所需的通信只能通過激光實現。幸運的是，激光通信的前景看起來一片明朗。
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