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빛으로 데이터를 전송하면 우주 탐사선 및 위성과의 통신이 더욱 효과적이고 강력해진다.
1992년, 지구에서 방출된 레이저 펄스는 6백만 킬로미터 떨어진 목성으로 향하던 갈릴레오에 도달. 2016년 ESA는 시스템의 첫 번째 일반 '레이저 노드'인 EDRS-A를 설치.
2019년에 두번째 중계국 EDRS-C가 뒤따랐다.

빛을 궤도로 / 우주에서의 레이저 통신

궤도에서의 레이저:
냉전 시대에 레이저는 전쟁 행위로 해석되었을 것이다.
그러나 오늘날의 목적은 통신하는 것이니다. 빛으로 데이터를 전송하면 우주 탐사선 및 위성과의 통신이 더욱 효과적이고 무엇보다 강력해진다.

▲ 첫 번째 테스트:NASA의 지상국은 2013 년 레이저 빔을 사용하여 LADEE 우주 탐사선과 통신했다. © NASA

우주에서의 데이터 혼잡

문제는 우주 임무가 지구로 보내는 데이터의 양이 기하급수적으로 증가하고 있다는 것이다. 더 높은 해상도의 카메라와 더욱 개선된 계측기는 전송 및 수신해야 하는 더 많은 양의 데이터를 생성한다. 지금까지 사용된 전파 연결이 한계에 도달했다.

예를 들어 NASA Mars 탐사선 ‘Mars Reconnaissance Orbiter(MRO)는 이미 HiRISE 카메라의 모든 이미지를 한 번에 지구로 전송할 수 없다. 대신, 그것들을 나누어야 한다.
또한 유성 스패닝 안테나 네트워크는 특히 먼 공간 프로브의 경우 널리 분산된 신호를 캡처해야 한다.

데이터를 빛의 파동으로

레이저 데이터 전송으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.
높은 에너지 밀도, 강한 번들링 및 상당히 짧은 파장은 공간의 진공에서 레이저 빔이 거의 산란되거나 약화되지 않도록 한다. 이것은 이미 1992년에 입증되었다.
그 당시 지구에서 방출된 레이저 펄스는 6백만 킬로미터 떨어진 우주 탐사선 갈릴레오에 도달했다. 갈릴레오는 목성으로 가는 길에 있었다.

또한 레이저 광을 사용해 광범위한 데이터를 전송할 수 있다.
빛의 편광, 주파수 또는 진폭을 변조하여 엄청난 양의 데이터를 인코딩 할 수 있다.
레이저 광은 궤도 각운동량을 제공하는 더 많은 가능성을 준다.
이로 인해 광파가 자체 축을 따라 나선형으로 나타난다.
이 코르크 병따개 같은 빛은 각운동량을 미세한 물체로 전달할 수 있지만, 많은 양의 디지털 데이터를 무선으로 인코딩하고 전송할 수도 있다.

▲ EDRS의 원리 : 지구 관측 위성은 데이터를 레이저로 정지 릴레이 위성에 전송한다. © ESA

궤도에서 얽힌 양자

NASA는 2013년 달 탐사선 LADEE가 레이저를 통해 지상국과 데이터를 교환하면서 우주에서 레이저 통신을 향한 첫걸음을 내딛었다.

이를 위해 우주선에는 0.5와트 적외선 레이저가 탑재됐다. 진폭 변조를 통해 데이터를 인코딩하여 약 38만5000km의 지구로 여행했다.
이 데이터 전송은 초당 622Mbps의 기록 속도에 도달했으며 지상국의 업로드는 20Mbps를 관리했다. NASA의 Badri Younes는 “우리는 차세대 우주 통신의 길을 가고 있다”고 말했다.

그러나 '정상적인'디지털 데이터는 달이나 궤도로 전송 될 수 있을뿐만 아니라 양자 통신 시대도 우주에서 시작됐다. 2017 년 여름, 중국의 연구 위성 'Micius'는 처음으로 천마일 떨어진 지구 표면에 있는 2개의 수신 기지국에 얽힌 광자를 보냈다.

얼마 후, 최초의 대륙간 화상 회의가 이어졌다. 이 회의는 궤도에서 얽힌 양자로 암호화되었다.

궤도에 있는 중계국

유럽 또한 우주 통신 분야에서 레이저 시대를 열었다.

EDRS(European Data Relay System)를 사용해 지구 궤도 근처에서 위성의 일반적인 문제를 해결하려고 한다. 지상국 범위 내에있는 경우에만 지구로 데이터를 전송할 수 있다.

정지 궤도의 중계 위성에 이제 해결책을 제공할 수 있다.

그들은 레이저 빔으로 저(低)비행 '동료'의 데이터를 수신한 다음 약 3만6000 킬로미터의 높이에서 지구로 보낸다. 지구 표면과 관련된 고정 위치 덕분에 항상 지상국에 도달한다.

2014년에 궤도에서 이미지 데이터의 첫 장거리 전송이 얼마나 잘 작동하는지 실행됐다.

송신기는 유럽 지구 관측 위성인 Sentinel 1A로 보드에 장착된 레이저 통신-터미널을 사용해 정지 궤도에서 Alphasat I-XL 통신 위성으로 데이터를 전송했다.  

 

2016년 ESA는 시스템의 첫 번째 일반 '레이저 노드'인 EDRS-A를 설치했다.
이 레이저 릴레이는 Eutelsat 9B 통신 위성에서 '승객'으로 앉아있다.
2019년에 두번째 중계국 EDRS-C가 뒤따랐다. 

[더사이언스플러스=문광주]

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