Es gab nur eine Frage (eigentlich zur Astronomie), warum die Datenrate von New Horizons niedrig ist.
Selbst bei den meisten Richtfunkantennen ist die Streuung natürlich enorm.
Ich denke, konzeptionell gesehen hätte eine Art Lasersignalisierungssystem eine enorm geringere Verbreitung. (Oder Null-Spread? Ich weiß es nicht).
Da die Erde schlecht sieht, schlage ich vor
Auf New Horizons eine Art Lasermodem
Auf unserem Mond eine Art Lasermodem-Empfangsstation
Wie lauten hier die Zahlen? Wenn (1) New Horizons über eine Leistung von 1 NHPU verfügt, wie viele NHPU würden dann für mein Schema an Bord benötigt? Ist es überwältigend zu viel oder nur "ein bisschen mehr"? (Ist es viel weniger? Wie „eine wirklich gute LED“ oder so etwas? Schließlich ist die Richtungsabhängigkeit eine fantastische Energieeinsparung im Abstrakten.)
Wie komplex müsste Moon Base Laser sein? Was ich meine ist, (2) wäre es eher "überraschend klein" als die riesigen Größen, die bei Funkantennen benötigt werden. Wäre es im Grunde ......... ein Teleskop?? Mit einem aufgeklebten 200-Dollar-Nikon-Kameragehäuse, oder ist "ein Laserempfänger" irgendwie anders als "ein Teleskop mit einem CCD"?)
Wäre der Moon Base Laser also ein schickes Gerät (ich denke, etwa in der Größe eines Autos ), das wir mit aktuellen Systemen leicht auf den Mond werfen könnten, oder wäre es eher "eine große Konstruktion". dh so etwas wie aktuelle große Erdteleskope??
Ich weiß, dass wir bereits (knifflige) Geräte haben, die Laser empfangen, die von einem Spiegel auf dem Mond abprallen ... wäre eines davon fertig, um die Arbeit zu erledigen, oder ...?
Bei unseren aktuellen großartigen Funkschüsseln müssen sie (viel) größer werden, wenn das Raumschiff weiter kommt ... wäre (3) dies bei Moon Base Laser der Fall oder wäre das Problem nicht so schlimm? Wäre die Empfangs- / Datenrate so ziemlich die gleiche wie das Fahrzeug, das sich durch unser Sonnensystem bewegt ("da Laser gerichtet sind!") Oder ist das alles falsch?
Hat irgendjemand vorgeschlagen, oder verwenden wir (4) tatsächlich bereits, laserartige Kommunikation im Weltraum?
Gibt es andere Kommunikationskonzepte mit engem Paradigma, die ich nicht kenne, außer "Laser"? Was könnten wir anstelle des guten alten Streufunks verwenden??
(Ich schätze, vorgeschlagene Multi-Craft-Flotten wie LISA tun dies tatsächlich, oder?)
Zusammenfassung,
Wie viele NHPUs würden für dieses Schema an Bord benötigt? was ist die Größenordnung?
Welche Größe würde der Moon Base Receiver haben? Koffergröße? stadtgroß?
müsste der Moon Base Receiver mit Entfernungen im Sonnensystem dramatisch an Größe zunehmen (ebenso wie Funkschüsseln)
machen wir das schon?
PS Ich gehe nur davon aus, dass dies von der Erde aus wertlos wäre, also gehe ich nur davon aus, dass ein Mondempfänger (oder ich denke, ein umlaufender Empfänger) ein Muss ist.
Aktions-Update! : Die beste aktuelle Antwort scheint zu sein: "Es würde 100 kb / s statt 1 kb / s bieten (bei gleicher Leistung, 12 W)"
Es könnte absolut passieren, aber es würde eine präzisere Ausrichtung erfordern , als New Horizons hat. Laser irgendeiner Art sind die besten für die hohe Datenauflösung. Das Raumschiff, das am häufigsten Laser in der Kommunikation einsetzt, ist der Lunar Reconnaissance Orbiter . Es wurde auch lange als Ziel für einen Mars-Kommunikationssatelliten gesprochen, der viel mehr Daten vom Mars zurückgeben würde. Das Problem ist, dass die Ausrichtungsanforderungen ziemlich extrem sind, Sie müssen sogar wissen, welchen Ort auf der Erde Sie anvisieren werden, der Laserstrahl wird vom Mars aus nicht den gesamten Planeten Erde abdecken. Zum Beispiel hat MRO eine Zeigegenauigkeitsanforderung von 0,0032 mrad. Die Ausrichtungsanforderungen für ein Lasersystem sind in der Tat dieser Anforderung ähnlich, sie erfordern jedoch Stabilität für viel mehr Zeit. HiRISE benötigt es nur für wenige Millisekunden, während ein Laserkommunikationssystem es im Wesentlichen unbegrenzt benötigt.
Im Fall von New Horizons wird es einfach nicht benötigt. Ja, es wird lange dauern, die Daten zurückzubekommen, aber das ist kein Problem, es gibt viel Zeit zum Warten.
Als Referenz benötigen Laserleistungssysteme im Allgemeinen weniger Leistung als funkbasierte Systeme, da sie die Leistung direkter übertragen und somit weniger Energie verschwenden.
Lassen Sie uns versuchen, einige Zahlen zu machen. Wir müssen ein paar Annahmen treffen. Ich wähle diejenigen aus, die die Berechnungen vereinfachen, eine Variation kann zu einer Variation von einem Faktor von 10 oder 100 in der Antwort führen.
Jetzt erhalten wir also eine Strahlbreite von
Bei sechs Milliarden km ist dies eine Strahlbreite in Erdnähe von .
Unser Detektor spricht also an des Balkens.
Also müssen wir ungefähr übertragen Photonen pro Bit.
Bei dieser Wellenlänge hat ein Photon ca Joule Energie, also müssen wir übertragen Joule pro Bit Laserlicht.
Jetzt haben wir also einen Kompromiss zwischen Leistung und Datenrate. Mit der gleichen Leistung (12 W) wie der aktuelle Funksender könnten wir ungefähr auskommen Unter der Annahme eines perfekt effizienten Lasers wahrscheinlich 10 bis 50 % davon in der Praxis. Bei 100 % der Leistung des RTG (190 W) könnten wir etwa 3 Mb/s und so weiter erhalten.
Steve Lintons Antwort ist ausgezeichnet, wenn auch möglicherweise etwas konservativ. Informationen wurden im Labor per Laser mit einer Rate von 1 Bit pro Photon übertragen. Für vorgeschlagene Verwendungen sind Fehlererkennungs- und Korrekturcodes definitiv angegeben.
Hat irgendjemand vorgeschlagen, oder verwenden wir (4) tatsächlich bereits, laserartige Kommunikation im Weltraum?
Ja zu beiden, wenn auch nur knapp. Im Jahr 2013 wurde die Lunar Laser Communication Demonstration erfolgreich in einer LADEE-Mission betrieben. Die Vorlaufzeiten für die Nutzung von Technologie in Weltraummissionen sind sehr lang, mindestens ein Jahrzehnt, daher wird es eine Weile dauern, bis tatsächliche Missionen mit dieser Technologie gestartet werden. Nichtsdestotrotz schwitzen Astronomen beim Gedanken an hochauflösende Bilder mit hoher Bildrate.
Dies hängt eng mit dem Konzept des Antennengewinns zusammen , der für die Funkübertragung misst, wie schmal ein Strahl die Antenne fokussieren kann. Je schmaler der Strahl ist, desto genauer müssen Sie ihn ausrichten.
Jeder Laser- oder Funkstrahl ist jedoch immer noch divergent – er breitet sich aus, je weiter er entfernt ist. Und es breitet sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus, wobei sich der Strahldurchmesser jedes Mal verdoppelt, wenn sich die Entfernung verdoppelt. Dies führt dazu, dass die Fläche des Strahls um das Quadrat der Entfernung zunimmt, was das Gesetz des umgekehrten Quadrats ergibt .
Ein schmalerer Strahl verbessert nur die anfängliche Signalleistung - z. B. ergibt eine 10-mal kleinere Strahlfläche eine 10-fache Sendeleistung. Wenn Sie den Kuipergürtel erreichen, ist das Signal nur 1/400 000 000-mal so stark wie in einer Mondumlaufbahn. Eine 10- oder sogar 100-fache Verbesserung im schmalen Strahl verblasst dagegen.
Oder einfacher ausgedrückt: Ein schmaler Strahl ist schneller, aber wenn Sie so weit gehen, wird er sowieso langsam.
Will man einen Laser genau auf einen Punkt auf der Erde richten, müsste man den genauen Querimpuls jedes Photons kennen. Das Unbestimmtheitsprinzip besagt, dass Sie dafür eine unendliche Unsicherheit über seine Querposition haben müssen, was bedeutet, dass Sie einen unendlich großen Sender benötigen.
Als grobe Schätzung der Größenordnung der Ausbreitung des Strahls können Sie (Entfernung des Strahls) * (Wellenlänge des Lichts) / (Breite des Senders) nehmen. New Horizons ist 6*10^12 m entfernt und etwa 2 m breit. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von etwa 5*10^-7. Ein Laser im sichtbaren Lichtspektrum hat also eine untere Ausbreitungsgrenze von etwa 3000 km. Um Ihre zweite Frage zu beantworten: Selbst wenn Sie einen Laser mit sehr geringer Streuung bauen und einen Punkt auf der Erde genau anvisieren könnten, würde es gegen die grundlegende Physik verstoßen, einen Empfänger genau zu treffen, es sei denn, der Empfänger hat ungefähr die gleiche Größe wie der Mond , und um Ihre dritte Frage zu beantworten: Wenn New Horizons weiter entfernt wird, würde die Größe zunehmen. Und je kleiner die Wellenlänge, desto mehr Energie wird benötigt, um jedes Photon zu erzeugen.
Die Antwort auf Ihre dritte Frage lautet also ja, sogar ein Laser wäre erforderlich
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TripeHound
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Alchimista