Voor het eerst is er met een Nederlands instrument informatie vanaf een satelliet naar een grondstation verstuurd via lasercommunicatie. Dit is een stap naar snellere en veiligere communicatie.
Wereldwijd wisselen we dagelijks enorme hoeveelheden data uit, van telefoongesprekken en e-mails tot (katten)filmpjes en gps-coordinaten voor de navigatie. Veel van die informatie wordt verstuurd via radiosignalen.
Terwijl onze datahonger en communicatiedrang alleen maar verder toenemen, begint het radiospectrum zijn grens te bereiken. Laser-satellietcommunicatie kan dat probleem verhelpen. Met deze techniek kan er via onzichtbare lasersignalen data van en naar satellieten worden verstuurd. Dit is sneller en veiliger dan de huidige communicatie via radiosignalen.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Onlangs demonstreerde de Nederlandse onderzoeksorganisatie TNO deze techniek met een Nederlands satellietinstrument.
Sneller en veiliger
Dat lasercommunicatie sneller is, heeft te maken met de frequentie van de signalen. Radio- en lasersignalen reizen beide met de lichtsnelheid. Maar omdat de frequentie van laserlicht zeker duizend keer hoger is, kun je er veel meer datapakketjes per seconde mee versturen dan met radiosignalen. Als je bijvoorbeeld een kaart van het Marsoppervlak naar de aarde wilt sturen, dan duurt dat met de huidige radiocommunicatiesystemen ongeveer negen weken. Met lasersignalen zou dat in negen dagen kunnen.
Lasercommunicatie is ook veiliger, omdat laserbundels smaller zijn dan radiobundels. Daardoor is het lastiger om de informatie af te tappen. En als het je lukt, dan moet je bijna midden in de bundel licht onderscheppen om een voldoende duidelijk signaal te krijgen. Als ontvanger ontvang je dan een sterk afgezwakt signaal. Daaruit kun je afleiden dat iemand je signaal heeft afgetapt.
Bovendien maakt lasercommunicatie een nieuwe, superveilige manier van encryptie mogelijk die gebruikmaakt van quantumverstrengeling: quantum key distribution. Die veiligheid is relevant bij het versturen van onder meer medische en financiële informatie. Het is ook de reden dat defensie geïnteresseerd is in de techniek.
Nederlands instrument
Landen zoals Duitsland, de Verenigde Staten en Japan werken al langer aan lasercommunicatie met satellieten. Ook het commerciële ruimtevaartbedrijf SpaceX, van Elon Musk, beweert dat zijn Starlink-satellieten onderling via lasersignalen kunnen communiceren. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA stuurde eind vorig jaar met lasers zelfs een kattenfilmpje vanuit een ruimtesonde op 31 miljoen kilometer afstand naar de aarde.
‘Als TNO wilden wij daar ook iets mee, omdat we potentie zagen voor de Nederlandse High Tech Industrie om hierin een rol van betekenis te spelen op wereldniveau’, zegt Dick de Bruijn. ‘Daarom hebben we die kennis ons in de afgelopen jaren eigen gemaakt.’
En met succes. In april 2023 werd het Nederlandse lasercommunicatiesysteem SmallCAT gelanceerd aan boord van een satelliet van de Noorse ruimtevaartorganisatie NOSA. De bedoeling was om met dit testsysteem contact te leggen met het grondstation van TNO in Den Haag.
Compact, goedkoop en licht
Verbinding leggen tussen de satelliet en een grondstation is niet eenvoudig. Het grondstation moet allereerst weten wanneer de satelliet precies overkomt. Dat wordt berekend aan de hand van gps-informatie die de satelliet uitzendt. Vervolgens zendt het grondstation een lichtsignaal uit op het moment dat de satelliet overkomt, als herkenningspunt. Zodra het lasercommunicatiesysteem dat signaal detecteert, stuurt het een lasersignaal naar het grondstation. Als deze verbinding is gelegd tussen de twee, dan kan de satelliet data naar de aarde sturen. Dat alles gebeurt terwijl de satelliet met een snelheid van 28.000 kilometer per uur op een hoogte van 500 kilometer voorbijvliegt.
TNO is er inmiddels meerdere keren in geslaagd om op deze manier een verbinding tot stand te brengen tussen de satelliet en het grondstation. Hierbij werd er data naar de aarde verstuurd met een snelheid van maximaal 1 gigabit per seconde. ‘Hiervoor hoeft de satelliet niet precies boven Den Haag te vliegen’, zegt De Bruijn. ‘Een paar weken geleden hadden we verbinding terwijl hij op 800 kilometer afstand over Schotland vloog.’
‘Het is voor het eerst dat lasercommunicatie met een satelliet gedemonstreerd is met een Nederlands instrument’, vertelt De Bruijn. ‘Bovendien combineerden we een hoge datasnelheid met een relatief compact, klein, lichtgewicht en goedkoop instrument.’
Wolken
De lasercommunicatie bevindt zich nog in de testfase. Verbinding krijgen lukt niet altijd en de lasersignalen komen bijvoorbeeld niet door wolken heen. Op een bewolkte dag is er dus geen communicatie mogelijk. ‘Als we dit willen gaan toepassen, dan moet de kwaliteit van de verbinding omhoog en dan hebben we ook een netwerk van grondstations en meerdere satellieten nodig’, zegt De Bruijn. Daarmee vergroot je namelijk de kans dat ergens een onbewolkt grondstation is op het moment dat er een satelliet overkomt. De satellieten en grondstations kunnen de informatie dan verder onderling uitwisselen.
Volgens TNO zal de communicatie met lasersignalen de radiosignalen niet vervangen. Als het erg bewolkt is, blijft radiocommunicatie handiger. Het zal een aanvulling zijn, die extra snelle en veilige verbindingen mogelijk maakt, bijvoorbeeld voor de ruimtevaart en defensie.
