요약:
과거에는 달 궤도에서 8K 초고화질 달 파노라마 사진이 전송되기까지 지상 인력이 4~5분을 기다려야 했습니다. 오늘날에는 동일한 사진을 약 12초 만에 전송할 수 있습니다. 이러한 변화를 가져온 것은 최근 완료된 지구-달 양방향 고속 레이저 통신 테스트였습니다. 이번 테스트는 40만km 거리에서 지구와 달 사이에 안정적인 고속 레이저 링크를 구축했는데, 이는 지구와 달 사이에 '정보 고속도로'를 구축하는 것과 맞먹는다.
지구-달 규모의 양방향 레이저 통신 개략도. 이미지 출처: 중국과학원 우주응용기술기술센터
시스-달 레이저 통신의 장점은 무엇인가요? 지구와 달 간의 양방향 레이저 통신을 달성하려면 어떤 기술적 어려움을 극복해야 합니까? 어떤 변화가 따르나요? 과학기술일보 기자들이 9월 1일 이 문제를 집중적으로 분석해 관련 전문가들을 인터뷰했다.
첫 번째 질문: 지구-달 레이저 통신의 장점은 무엇입니까?
기존의 무선 주파수 통신은 전파에 의존하는 반면, 레이저 통신은 광파 전송을 사용하므로 원칙적으로 광섬유 광대역에 더 가깝습니다. 레이저 통신의 가장 큰 장점은 넓은 대역폭과 빠른 속도입니다. 위성에 설치되는 장비의 크기, 무게, 전력 소모량이 유사할 경우 레이저 통신 속도는 기존 마이크로파 통신보다 10~100배 빨라질 수 있다.
"무선 주파수는 차선이 제한되어 있고 교통량이 쉽게 포화되는 일반 고속도로와 같습니다. 레이저는 동시에 훨씬 더 많은 양의 데이터를 전송할 수 있는 다중 차선 고속도로와 같습니다." 중국과학원 우주응용공학기술센터 연구원 양 레이(Yang Lei)는 지구와 달 사이의 거리에서는 전통적인 무선 주파수 통신이 고화질 비디오나 대용량 과학 데이터를 전송하기가 매우 어려운 반면, 레이저 통신은 쉽게 할 수 있다고 설명했다.
레이저 통신의 또 다른 장점은 비밀 유출이 쉽지 않다는 점입니다. 레이저 빔은 특히 집중되어 있어 전파처럼 주변에 "전파"되지 않습니다. 에너지는 모든 곳으로 이동하지 않으므로 다른 사람이 신호를 중간에 가로채기가 어렵습니다. "레이저는 손전등과 같아서 어디에서나 빛납니다. 마이크로파는 확성기 방송과 비슷하며 범위가 넓지만 누구나 들을 수 있습니다." 양레이가 생생하게 말했다.
두 번째 질문: 400,000km의 양방향 레이저 통신에서 극복해야 할 문제는 무엇입니까?
400,000km는 지구의 적도 둘레의 10배에 해당하며, 빛이 달에서 지구까지 이동하는 데 1초 이상이 걸립니다. 이러한 장거리에서 양방향 레이저 통신을 달성하려면 약한 신호, 조준의 어려움, 느린 전송이라는 세 가지 장애물을 극복해야 합니다.
레이저 광선은 한 방향으로 집중되어 있지만 400,000km를 이동한 후에는 여전히 많이 퍼집니다. 지상 망원경에 도달하면 발사 당시의 상태가 약간만 있을 수 있으며 매우 약해질 것입니다. 지상 수신단은 배경 소음에서 약한 광자를 "인식"하기 위해 매우 민감한 감지기를 사용해야 합니다. "이를 위해 우리는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기 어레이를 구축했습니다. 이는 광자를 포착할 수 있는 극도로 민감한 '눈'과 같습니다. 노이즈가 거의 없고 매우 빠르게 반응합니다. 자체 개발한 신호 처리 알고리즘과 결합하면 신호가 너무 약해서 노이즈에 거의 '익사'하더라도 많은 간섭으로부터 '낚아챌' 수 있습니다." 양 레이가 말했다.
동시에 레이저 광선은 매우 좁고 지구와 달은 끊임없이 움직이며 위성 플랫폼 자체도 약간 진동합니다. 지상국과 위성은 항상 정확하게 정렬되어야 합니다. 조금이라도 어긋나면 링크가 깨질 수 있습니다. Yang Lei는 다음과 같이 비유했습니다. "이것은 베이징에서 달의 작은 이동 지점을 겨냥하고 고정된 상태로 유지하는 레이저 빔과 같습니다."
이미지 출처: Visual China
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 여러 가지 방법을 생각해 냈습니다. 첫째, 위성의 궤도를 정확하게 계산하고 위치를 미리 예측하여 양측의 망원경이 어디를 가리킬지 알고 목표를 놓치지 않도록 하는 것입니다. 둘째, 지상국은 여러 개의 레이저 빔을 하나로 결합하여 보냅니다. , 온도 및 고도 각도 변화에 따라 실시간으로 방향을 수정하여 위성의 안정적인 착륙을 보장합니다. 셋째, 송신단과 수신단 모두에서 강력한 광학적 격리를 수행하여 방출된 강한 레이저가 검출기를 가리는 것을 방지하여 광 신호의 동시 수신과 수신이 서로 간섭하지 않도록 합니다.
신호가 수신되었으며 전송 속도를 유지해야 합니다. 어려운 점은 이러한 광자가 규칙적인 대기열로 들어오는 것이 아니라 희박하고 간헐적으로 나온다는 것입니다. 이를 완전한 정보로 통합하려면 시간이 피코초 수준까지 매우 정확해야 합니다. 피코초의 개념은 무엇입니까? 1조분의 1초는 눈을 깜박이는 데 걸리는 시간보다 셀 수 없이 짧은 시간입니다. 팀은 피코초 수준의 시간 인식 및 광대역 통신 처리 기술을 특별히 개발했습니다. 이는 각 광자에 매우 정확한 '타임 스탬프'를 할당하는 것과 동일하여 혼란 없이 원활하게 결합될 수 있습니다.
질문 3: 이 기술이 미래의 달 탐사와 심우주 탐사에 어떻게 도움이 될까요?
"앞으로 우리는 국제 달 과학 연구 기지를 건설하고 그 위에서 다양한 과학 실험(테스트)을 하게 될 것입니다. 이러한 과학 실험(테스트)은 엄청난 양의 데이터를 생성하게 됩니다. 데이터가 어떻게 지구로 다시 전송될 수 있는지는 항상 과학 연구의 진행을 제한하는 통신 병목 현상이었습니다. 이러한 기술적 혁신은 병목 현상을 해소하는 데 큰 의미가 있습니다." 중국과학원 우주응용공학기술센터 부국장 Wang Qiang이 말했습니다.
더 중요한 것은 지구와 달 사이의 거리가 단지 시작점일 뿐이라는 점입니다. Yang Lei는 이번에 검증된 고정밀 추적, 약한 신호 감지, 고속 단일 광자 신호 처리 등의 기술은 화성, 소행성 및 더 깊은 우주 임무로 확장될 수 있으며 우리나라의 심우주 탐사를 효과적으로 지원하여 보다 독창적인 과학적 결과를 얻을 것이라고 말했습니다.
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