En gigabit från 36 000 kilometers höjd med bara 2 watt

Forskare har kopplat samman en geostationär satellit med jorden via en laserstråle på endast 2 watt och uppnått en överföringshastighet på 1 Gb/s – en nivå som vanligtvis associeras med fiberoptiska kablar, inte med anslutningar från en omloppsbana 36 000 kilometer ovanför jordytan.

Den hastigheten är upp till fem gånger högre än de typiska anslutningar som Starlink erbjuder idag. Experimentet genomfördes vid observatoriet i Lijiang i den bergiga provinsen Yunnan i sydvästra Kina, med satelliten hängande fast över ekvatorn i en geostationär bana – samma typ av omloppsbana som klassiska telekommunikations- och TV-satelliter.

Atmosfären: projektets största fiende

Istället för en konventionell radioanslutning använde forskarna en optisk förbindelse – alltså en laser. Strålen var tvungen att först korsa det kosmiska vakuumet och därefter den svåraste delen: flera tiotals tusen kilometer genom jordens turbulenta atmosfär.

Efter att ha passerat atmosfären liknade strålen inte längre den raka, rena linjen från en fysikbok. Luftströmmarna sträckte, deformerade och spred den. Mottagaren på jorden fick ljuset i form av ett fragmenterat mönster, som data först måste extraheras från. Hela poängen med testet var just att skapa en stabil anslutning ur en förstörd signal – inte bara ett enstaka rekordresultat under ideala förhållanden.

Observatoriet som ett gigantiskt öga: teleskop och 357 mikrospeglar

De kinesiska forskarna monterade ett mycket avancerat mottagarsystem på jordytan. I hjärtat av det finns ett teleskop med en diameter på 1,8 meter – i praktiken ett enormt öga designat för att fånga upp så mycket som möjligt av den spridda strålen. Ett ännu mer anmärkningsvärt element var ett system bestående av 357 mikrospeglar, som justerade sig i realtid.

Det handlar om så kallad adaptiv optik – en teknologi som är känd från moderna astronomiska teleskop, där den korrigerar för atmosfärisk förvränging av bilder av stjärnor och planeter. Här utförde den något mycket liknande, men prioriteten var korrekt överföring av databitar framför en fin bild.

Forskarna beskrev sin metod som en synergi mellan två tekniker: adaptiv optik och så kallad modusdiversitet vid mottagning. I praktiken innebar det att de istället för att låtsas att atmosfären inte existerar, accepterade att strålen skulle förstöras på olika sätt – och designade systemet exakt för sådana förhållanden.

Teleskop på 1,8 m – samlar in maximalt ljus från satelliten
357 mikrospeglar – korrigerar kontinuerligt ljusvågens form
Laser på 2 W – effekt motsvarande en liten lampa, inte en kraftfull radiosändare
Hastighet på 1 Gb/s – som hemmets fiberkabel, fast från rymden
Geostationär omloppsbana – 36 000 km över ekvatorn
Observatoriet Lijiang – provinsen Yunnan i sydvästra Kina
Optisk anslutning – mer exakt och säker än radiovågor
Atmosfärisk turbulens – det primära hindret för stabil överföring

Uppdelning av strålen i kanaler: från kaos till stabil förbindelse

Efter den inledande korrigeringen träffade lasern en enhet som kallas en flermodskonverterare. Denna komplexa optiska komponent delade upp det förvrängda ljuset i åtta grundläggande moder – åtta separata kanaler. Mottagaren försökte inte rekonstruera en ideal stråle ur dem.

Istället mätte systemet vilka tre kanaler som bar det mesta av den användbara signalen, och kombinerade dem sedan programmatiskt under datadekodningen. Resten ignorerades som för svaga eller för brusiga. Tack vare kombinationen av optisk korrigering och kanalval steg andelen användbar signal från 72 procent till 91,1 procent, vilket visade sig direkt i anslutningens hastighet och stabilitet.

Det är en helt annan filosofi än den som är känd från de flesta experiment med optiska förbindelser. Istället för att kämpa för en ideal vågform accepterade ingenjörerna att turbulensen under alla omständigheter skulle förstöra den. Nyckeln låg i att dra ut de fragment ur oordningen som kunde läsas pålitligt, och sätta ihop dem till fullständiga data.

Starlink kontra en laser från geostationär omloppsbana

Jämförelsen med Starlink dök upp i de första kommentarerna – och det är inte svårt att förstå varför. Starlink är idag det mest kända nätverket av internetsatelliter i låg omloppsbana. Det verkar på en höjd av några hundra kilometer, alltså mer än 60 gånger närmare jorden än den kinesiska satelliten i experimentet.

Skillnaden i avstånd är imponerande. En radio- eller optisk signal försvagas ungefär med kvadraten på avståndet, så det är betydligt svårare att sända en snabb anslutning från en geostationär bana än från en låg bana – särskilt med en sändare med så låg effekt.

De kinesiska forskarna beskrev själva den uppnådda kapaciteten på ett åskådligt sätt: med denna hastighet kan du överföra en HD-film från Shanghai till Los Angeles på under fem sekunder. Det låter som reklam för fibernät, inte som ett test av en anslutning till en satellit 36 000 kilometer över ekvatorn. Starlink erbjuder typiskt hastigheter på 50–200 Mb/s, medan det kinesiska experimentet nådde en stabil gigabit.

Därför är den geostationära banan så krävande

En geostationär satellit rör sig i en bana synkron med jordens rotation. För en observatör på ytan ser det ut som om den hänger orörlig över en punkt på ekvatorn. Det är en enorm fördel: en antenn på jorden behöver inte följa många snabbt rörliga satelliter, som är fallet med Starlink. Den behöver bara ställas in en gång.

Priset för denna bekvämlighet är avståndet. Strålen måste flyga tiotals tusen kilometer genom vakuum och till slut tränga igenom det mest nyckfulla lagret – flera tiotals tusen kilometer atmosfär fylld med luftvirvlar, temperaturskillnader, damm och vattenånga. Det är just på denna sista sträcka som lasern förlorar sin ideala form.

Därför väcker experimentet från Lijiang uppmärksamhet från telekommunikationsingenjörer. Det visar att en väldesignad jordstation kan göra även en geostationär satellit konkurrenskraftig med konstellationer i låg omloppsbana vad gäller kapacitet – och det utan gigantiska sändare ombord. Forskarna från Kinesiska vetenskapsakademin publicerade resultaten i tidskriften Optics Express.

Vad en sådan anslutning realistiskt kan användas till

Det är viktigt att understryka: vi talar inte om en terminal på storleken av en parabolantenn på ett hustak. Systemet från Lijiang är en stor, precis vetenskaplig installation, som mer påminner om en nätverksnod i stomnätet än om utrustning för att streama Netflix i en lägenhet.

Sådana stationer kan i framtiden fungera som viktiga knutpunkter – de tar emot enorma mängder data från observationssatelliter, interplanetära sonder eller stora konstellationer och vidarebefodrar dem till markbaserade optiska nätverk. De mest uppenbara tillämpningarna av lasersatellitförbindelser är högkapacitets stomförbindelser, kommunikation mellan satelliter, militär dataöverföring och kommunikation med uppdrag i avlägsna rymden.

En laser framför radiovågor har flera viktiga fördelar. Laserstrålen är mycket smal, vilket gör den svår att avlyssna eller störa. Den överför också betydligt mer information vid en given effekt. Å andra sidan kräver den extremt exakt riktning och goda atmosfäriska förhållanden.

Vad detta test säger om internets framtid från rymden

Testet från Lijiang visar att kapplöpningen om nästa generation av satellitanslutningar inte stannar vid tusentals satelliter i låg omloppsbana. Parallellt utvecklas teknologier som ökar möjligheterna för enskilda högt hängande satelliter – just tack vare lasrar och intelligenta jordstationer.

För den vanliga användaren är det goda nyheter. Ju fler överföringskanaler och ju mer varierande teknologier, desto större är chansen för billigare, snabbare och mer robust internet – både i storstäder och långt från civilisationen.

Stater som idag investerar i optiska satellitförbindelser bygger upp en alternativ kommunikationskanal som är svår att störa. Det kan ha enorm betydelse i krissituationer – från naturkatastrofer till väpnade konflikter. Under de kommande åren kan du förvänta dig allt oftare nyheter om gigabitar från rymden och laserdatabroar. Det är mycket troligt att de första som till fullo utnyttjar sådana system inte kommer att vara konsumentföretag, utan forskare, försvarssektorn och operatörer av globala stomnätverk.