在太空中进行通信可能充满挑战。但在12月7日凌晨，NASA发射了其激光通信中继演示（LCRD），该演示计划利用一种流行的科幻概念——不可见激光——来改善太空到地面的通信。
基于NASA 2013年月球激光通信演示的技术，LCRD将以每秒1.2吉比特的速度向地球传输数据，大约是其前身中继速率的两倍。这速度快到可以在不到一分钟的时间内下载一部丹尼斯·维伦纽瓦的电影。
LCRD载荷项目经理格伦·杰克逊（Glenn Jackson）表示，这项演示未来有一天可能有助于在月球甚至火星上建立互联网网络。“目前我们使用射频来传输数据和视频到地球，”杰克逊说。“激光通信增加了带宽，使我们能够从宇航员和科学任务中获得更多数据到地球。”
激光通信是如何工作的？
激光通信，也称为光通信，使用光来传输信息。这项技术在地球上的日常用品中已经存在，如电视遥控器和加热灯，但其规模通常比NASA计划在探索太阳系时要建造的小得多。
几十年来，宇航员和工程师们一直依赖无线电波或电磁频率在航天器和地球之间发送信息。但是，由于无线电信号以光速传播，它们会像光一样在长距离上传播时扩散。
这种扩散可能导致传输延迟，如果科学家无法及时联系到航天器以帮助其摆脱困境，可能会危及任务。通信故障中最著名的事件之一发生在2020年，当时深空站43（Deep Space Station 43）——地球上唯一能够与NASA运行时间最长的太空任务“旅行者2号”通信的射频天线——因维护而关闭。该机构立即失去了向这艘老牌航天器发送指令的能力，直到将近一年后才重新建立联系。
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为了避免此类灾难并加速太空通信，该机构最新的演示计划使用红外激光将信息发送回地球。与无线电波不同，激光产生非常集束的光束，这意味着它们可以在不扩散的情况下传播很远的距离。这些光束也是不可见的，除非直接射入眼睛，因为在太空中，没有东西可以反射它们。
通过使用比无线电波更短的能量波长，激光通信将使科学家能够发送比传统无线电系统多10到100倍的数据。但这到底是如何工作的呢？
LCRD内部装有强大的高速电子设备，有助于控制其性能，以及两个各有用途的光学模块，即望远镜。一个望远镜接收来自用户航天器的数据，而另一个则将数据传输回地面。根据NASA的数据，目前航天器上的无线电系统传输一张完整的火星地图大约需要九周时间，而激光技术可以将这个时间缩短到九天。
LCRD的具体任务是什么？
在因燃料储存系统漏煤油而多次推迟原定的卡纳维拉尔角发射后，本周LCRD终于获准作为美国太空部队空间测试计划卫星6号任务的两项有效载荷之一发射。当火箭达到足以离开地球大气层的速度（超过每小时2200英里）后，在升空后的约两分钟内可以看到Atlas V火箭。
目前，LCRD位于地球上方22000多英里（约月球距离的十分之一）的地球同步轨道上，它将在那里进行为期两年的测试和实验，然后才开始支持科学任务。它将于1月份开始通电，NASA科学家应该能在3月份进行实验。
对于该机构首次端到端的*光学中继*，绕地球运行的卫星将把数据传输到加利福尼亚和夏威夷的两个地面站。但激光并非完全无敌——正如云会阻挡太阳一样，它们也会干扰激光信号——这意味着NASA的地面站需要建在高海拔、天气一贯良好的地区。如果一切按计划进行，到2022年，国际空间站上的宇航员将是首批使用LCRD将各种仪器的科学数据传输回地球的人之一。
在发射过程中，NASA空间运行任务理事会副署长凯西·吕德斯（Kathy Lueders）表示，LCRD的演示不仅是太空到地面通信的重要飞跃，这项技术对于美国载人任务的下一代——阿尔忒弥斯（Artemis）的成功至关重要。
“我们需要改进我们的通信系统，以便在月球周围进行载人航天活动，”吕德斯说。她指出，如果这次演示失败，可能会将NASA的通信发展推迟五年到十年。
为什么这是一个大事件？
随着太空变得越来越拥挤，卫星收集的数据越来越多，激光通信为现有技术提供了更经济、更快捷的替代方案。虽然该系统在短期内不会取代传统方法，但吕德斯表示，很容易将无线电想象成拨号连接，而激光则像是高速互联网。
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尽管整个载荷大约相当于一张特大号床垫的大小，但它仍然比最强大的无线电系统更紧凑，功耗更低，这使其成为需要额外载货空间的任务的理想选择。而在太阳系中，这些细节可能决定任务的成败。
“（激光通信）减少了航天器和太空探索中通信所需的重量和能源，”杰克逊说。这意味着有更多的空间用于燃料、成像工具，甚至未来可能还有宇航员。
麻省理工学院电气工程和计算机科学教授华生·陈（Vincent Chan）认为，光学通信成为商业产品的日子可能会相对较快地到来。他说，由于SpaceX和Blue Origin等公司的影响，激光技术的未来充满希望。
“远距离光学通信总是有优势的，”陈说。除了LCRD，NASA还计划开发更多测试激光能力的任务，包括猎户座阿尔忒弥斯II号光学通信系统（Orion Artemis II Optical Communications System）以及搭载在灵神星（Psyche）上的载荷。灵神星是一艘将测试激光在深空环境中表现的航天器。
