Efisiensi Komunikasi dan Pengukuran Jarak di Ruang Angkasa dengan Laser Bidirectional
Dalam dunia teknologi ruang angkasa, pengembangan sistem komunikasi data yang efisien dan akurat menjadi semakin krusial, terutama dalam mendukung proyek-proyek besar seperti deteksi gelombang gravitasi. Artikel yang ditulis oleh Peiquan Chen, Yibin Zhang, Rujie Deng, Heshan Liu, dan Ziren Luo berjudul "Experimental demonstration of bi-directional laser ranging and data communication for space gravitational wave detection" menghadirkan solusi inovatif dengan menggabungkan sistem pengukuran jarak laser bidirectional dan komunikasi data dalam satu rangkaian yang terintegrasi. Pada penelitian ini, sistem yang mereka kembangkan berhasil mencapai akurasi pengukuran jarak hingga 82.1 cm dengan tingkat kesalahan bit di bawah 10^-6, menawarkan efisiensi luar biasa dalam transmisi data pada kecepatan 19.5 kbps.
Keberhasilan sistem tersebut mengindikasikan adanya peningkatan dalam kemampuan pengolahan data dan pengukuran jarak, terutama dalam kondisi ruang angkasa yang penuh tantangan. Dengan hanya menggunakan 1% dari daya laser yang tersedia untuk transmisi sinyal, sistem ini mampu mengelola komunikasi data dan pengukuran jarak yang presisi, sebuah terobosan yang signifikan dalam teknologi luar angkasa.
Pendekatan modulasi Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) dan Bi-Phase Shift Keying (BPSK) yang digunakan memperlihatkan potensi besar untuk aplikasi dalam proyek deteksi gelombang gravitasi berskala global seperti Taiji dan TianQin, yang masing-masing dijadwalkan mulai beroperasi pada dekade mendatang. Dengan akurasi yang ditargetkan di bawah 1 meter dan kemampuan sinkronisasi jam antar satelit, penelitian ini menunjukkan arah yang jelas bagi kemajuan lebih lanjut dalam teknologi interferometri laser berbasis satelit. Teknologi ini diharapkan dapat mendorong penemuan baru dalam studi alam semesta melalui deteksi fenomena gelombang gravitasi.
***
Penelitian yang dilakukan oleh Chen et al. (2024) mengusulkan metode baru dalam mendeteksi gelombang gravitasi melalui sistem laser bidirectional. Dengan memanfaatkan teknologi modulasi Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) dan Bi-Phase Shift Keying (BPSK), mereka berhasil mengatasi tantangan utama dalam komunikasi data di ruang angkasa, seperti keterbatasan daya laser dan interferensi sinyal. Sistem ini hanya menggunakan 1% daya laser untuk komunikasi data, sedangkan sisanya digunakan untuk pengukuran jarak dalam interferometri. Ini adalah peningkatan besar dari teknologi yang digunakan sebelumnya, di mana konsumsi daya yang lebih tinggi seringkali menjadi penghalang utama dalam desain sistem komunikasi satelit.
Dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, penelitian ini menawarkan solusi yang lebih efisien dalam sinkronisasi antar satelit. Proyek seperti Laser Interferometer Space Antenna (LISA) dan TianQin mengalami tantangan besar dalam menjaga sinkronisasi waktu antar satelit, terutama dengan pergerakan orbital yang menyebabkan perbedaan waktu pengiriman sinyal. Dalam proyek Taiji, yang pertama kali diusulkan oleh Akademi Ilmu Pengetahuan China pada 2016, teknologi Time Delay Interferometry (TDI) digunakan untuk mengatasi masalah ini, namun penyesuaian yang diperlukan memerlukan waktu dan sumber daya yang signifikan. Sistem baru yang dikembangkan oleh tim Chen, yang menggunakan jam ultra-stabil, menunjukkan bahwa mereka berhasil mempertahankan akurasi pengukuran jarak hingga 82.1 cm, bahkan dengan perbedaan waktu sebesar 26s/s di antara satelit. Ini merupakan pencapaian besar mengingat bahwa tujuan deteksi gelombang gravitasi adalah mencapai akurasi picometer (10^-12 meter).
Tidak hanya itu, kecepatan transmisi data sebesar 19.5 kbps dengan tingkat kesalahan bit di bawah 10^-6 memastikan bahwa sistem ini mampu mentransfer informasi secara andal meskipun berada dalam lingkungan penuh gangguan. Dalam eksperimen yang dilakukan, sistem ini menggunakan dua jenis clock berbeda---on-board oscillator dan ultra-stable clock---dan menemukan bahwa penggunaan ultra-stable clock menghasilkan akurasi yang jauh lebih baik, dengan kesalahan pengukuran berkurang menjadi hanya 5 cm pada panjang fiber optik 100 meter. Ini menunjukkan bahwa stabilitas frekuensi clock memainkan peran yang sangat penting dalam mencapai hasil pengukuran yang akurat.
Penelitian ini tidak hanya berkontribusi pada teknologi deteksi gelombang gravitasi, tetapi juga membuka peluang baru untuk pengembangan sistem komunikasi data dalam misi luar angkasa lainnya. Dengan kemampuannya untuk mentransmisikan data dan melakukan pengukuran jarak secara bersamaan, sistem ini bisa diadaptasi untuk berbagai keperluan ilmiah, termasuk eksplorasi planet, sinkronisasi waktu presisi tinggi, dan misi antariksa yang memerlukan koneksi antar satelit dengan akurasi tinggi. Dalam beberapa tahun mendatang, pengembangan lebih lanjut pada stabilitas jam dan peningkatan bandwidth komunikasi diperkirakan akan membuat teknologi ini menjadi standar baru dalam misi luar angkasa yang memerlukan ketepatan tinggi.
***
Penelitian yang dilakukan oleh Chen dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa sistem komunikasi laser bidirectional yang mereka kembangkan menawarkan solusi efektif untuk deteksi gelombang gravitasi ruang angkasa. Dengan akurasi pengukuran jarak hingga 82.1 cm dan tingkat kesalahan bit yang rendah, mereka berhasil menunjukkan potensi besar teknologi ini untuk digunakan dalam proyek-proyek besar seperti Taiji dan TianQin. Penggunaan modulasi DSSS dan BPSK terbukti efisien, terutama dalam memanfaatkan daya laser yang terbatas, sekaligus mempertahankan kinerja yang andal dalam kondisi luar angkasa yang penuh tantangan.