Laser-satellietcommunicatie heeft – in ieder geval in theorie – de toekomst. En een consortium – onder leiding van het Nederlandse TNO – toont nu aan dat het ook in de praktijk werkt.

Het is onderzoekers gelukt om tijdens een veldproef een stabiele en betrouwbare optische lasercommunicatieverbinding tot stand te brengen tussen de KNMI-testlocatie bij Lopik en de 10 kilometer verderop gelegen Gerbrandytoren in IJsselstein. Hierbij werden met onzichtbare lichtsignalen data van de ene locatie naar de andere locatie verstuurd. Een mijlpaal. Maar vooral ook de opmaat naar meer. Want in de toekomst wil men dezelfde technologie gaan gebruiken om data tussen satellieten en de aarde heen en weer te sturen. Deze laser-satellietcommunicatie is hard nodig, omdat er een groeiende vraag is naar meer data en het huidige radiofrequentiespectrum die vraag niet aankan; het is te beperkt qua datadoorvoer en er maken al veel mensen gebruik van.

Communiceren met licht
Om schaarste en storingen te voorkomen, werken onderzoekers daarom al enige tijd aan een alternatief: de laser-satellietcommunicatie. In de basis lijkt de aanpak wel een beetje op de radiogolven die nu gebruikt worden om data van satellieten naar de aarde te versturen (en vice versa). Want net zoals radiosignalen bestaan ook lichtsignalen uit golven. “En net als bij radiofrequentie kunnen we met behulp van licht informatie versturen door de amplitude (lichtintensiteit), polarisatie en/of de fase te variëren in tijd. Deze variaties vormen de bits die overgezonden worden, waarbij bijvoorbeeld ‘licht uit’ een 0 is en ‘licht aan’ een 1,” legt Wimar Klop, System Engineer Optomechantronics bij TNO, uit.

En zo kunnen al variërend dus bits, oftewel data, verzonden worden. Het is een prachtige oplossing, die behoorlijk wat voordelen heeft ten opzichte van de radiofrequenties die nu gebruikt worden om informatie te versturen. Zo is lasercommunicatie een stuk veiliger, legt Klop uit. “Radiofrequente signalen worden verstuurd in alle richtingen, dat betekent dat als je mee wilt luisteren je niet per se in het pad tussen de zender en ontvanger hoeft te zitten en er zelfs vrij ver vandaan kan zijn. Bij licht wordt er gewerkt met een hele smalle directionele bundel.” Het betekent dat iemand die ‘mee wil luisteren’ direct in het optisch pad van die smalle bundel moet zitten. Daardoor zal de ontvanger de aanwezigheid van zo’n luistervink snel opmerken “omdat als de luistervink er niet net naast zit de eigenlijke ontvangstterminal geen signaal meer ontvangt”. Andere voordelen van lasercommunicatie zijn dat er ook nog eens veel grotere hoeveelheden data, veel sneller verstuurd kunnen worden. Zo moet het uiteindelijk mogelijk zijn om informatie met een snelheid van 1 terabit per seconde te versturen. Om dat wat concreter te maken: dat is vergelijkbaar met het overdragen van 5 blu-rayfilms per seconde!

Het addertje
Het klinkt geweldig. Maar natuurlijk zit er wel een klein addertje onder het gras. Lasercommunicatie wordt namelijk enigszins bemoeilijkt door turbulentie in de atmosfeer. “Om de aarde zit lucht met een bepaalde dichtheid. Als de dichtheid verandert, gaat de brekingsindex (de buiging van licht) mee. Door thermische variaties in de lucht (turbulentie) wordt zowel fase als amplitude verstoord en dat is een effect dat door de tijd heen en van plaats tot plaats varieert.” Om dat te ondervangen, wordt er gewerkt met adaptieve optiek. “Dit is een combinatie van een sensor die de verstoring van de binnenkomende lichtbundel meet en een vervormbare spiegel die een correctie toepast op de lichtbundel.”

Veldproef
En nu is dus ook in de praktijk gebleken dat het – met behulp van adaptieve optiek en errorcorrectie-methoden – daadwerkelijk mogelijk is om een stabiele en betrouwbare lasercommunicatieverbinding tot stand te brengen. Tijdens de veldproef werd een terminal in Lopik geplaatst, terwijl de terminal die in de toekomst op satellieten moet komen, op de hoge Gerbrandytoren in IJsselstein werd gemonteerd. Hoewel die toren qua hoogte niet in de buurt komt van de hoogte waarop satellieten om de aarde cirkelen, komt de verstoring die de grondverbinding tussen Lopik en IJsselstein te verstouwen kreeg, wel het dichtst in de buurt van de verstoring waarmee een echte verbinding tussen de aarde en een satelliet te maken krijgt. Maar ondanks relatief hoge turbulentie slaagden de onderzoekers er in een nagenoeg foutloze laser-communicatieverbinding op poten te zetten en ook enkele minuten in stand te houden. Het is een mijlpaal. En ook een unieke proef; eerder zijn de toegepaste technologieën afzonderlijk van elkaar getest, maar het is voor het eerst dat ze samen hun vuurdoop ondergaan.

De ruimte in
De succesvolle veldproef is zoals gezegd de opmaat naar meer; uiteindelijk willen de onderzoekers natuurlijk gaan demonstreren dat het ook mogelijk is om een laser-communicatieverbinding tussen een satelliet en de aarde op poten te zetten. Daarvoor zal er – onder leiding van Airbus Defence & Space Netherlands – een demonstratiemodel ontwikkeld moeten worden dat met een satelliet in de ruimte kan communiceren. “De eerste in orbit demonstratie wordt verwacht in 2024. Vanuit daar zal het nog wel enkele jaren duren voordat het commercieel beschikbaar is. Waarschijnlijk ergens tussen 2025 en 2030.”

De technologie kan dan op verschillende manieren worden ingezet. Bijvoorbeeld voor veiliger internetbankieren, maar ook voor snel en goed internet in vliegtuigen, op offshore platforms of in afgelegen en dunbevolkte gebieden. Wij als eindgebruiker gaan verder waarschijnlijk weinig merken van deze revolutie in satellietcommunicatie; een oplettende gebruiker zal zich tegen het eind van dit decennium enkel realiseren dat de data-overdracht aanzienlijk sneller verloopt dan in het verleden.