La luce è la chiave per comprendere l’universo. I processi fotonici permettono di conoscere le galassie lontane, la composizione dell’atmosfera terrestre e i meccanismi del cambiamento climatico. Ma soprattutto consentono trasferimenti di dati a banda larga su molti milioni di chilometri, nonché di misurazioni precise e il posizionamento dei satelliti. Queste tecnologie sono protagoniste della fiera Laser World of Photonics, che si tiene dal 24 al 27 giugno a Monaco di Baviera.
Il laser aveva meno di dieci anni quando l’esplorazione dell’universo portò al primo allunaggio con equipaggio il 20 luglio 1969. Ma il modulo lunare della missione Apollo 11 aveva già a bordo un riflettore laser, che Buzz Aldrin collocò sulla Luna per le future misurazioni del Lunar Laser Range (LLR). A tutt’oggi, questo riflettore realizzato con uno speciale vetro di quarzo Heraeus ha sfidato le fluttuazioni di temperatura e le intense radiazioni della Luna. I suoi 100 prismi tripli riflettono i raggi laser inviati dalla Terra fino al loro punto di partenza. Il tempo di transito della luce rivela l’esatta distanza tra la Terra e la Luna. Cinque di questi riflettori sono in uso; la nuova generazione è in fase di installazione nelle missioni in corso. Dopo tutto, le serie di misurazioni a lungo termine generano dati importanti sull’allontanamento della Terra e della Luna, sulla rotazione del satellite terrestre e sulle forze gravitazionali e di marea che vi agiscono.
Oggi i processi laser forniscono dati sulla posizione di satelliti e detriti spaziali con precisione millimetrica o misurano la topografia di pianeti e lune. I dati vengono raccolti in una rete crescente di stazioni terrestri e satelliti con laser sempre più potenti e rilevatori più sensibili.
Traffico dati nei satelliti e su molti milioni di chilometri
Anche la trasmissione di dati senza fili è un importante campo di applicazione per il laser. optoSiC, che espone a Laser World of Photonics, sta fornendo specchi a sterzata rapida (FSM) per la missione Psyche della NASA, che ha recentemente trasmesso segnali laser su una distanza record di 460 milioni di chilometri. I laser da kilowatt sulla Terra hanno inviato i segnali alla sonda spaziale Psyche, che dal 2029 esplorerà un asteroide distante 3,5 miliardi di chilometri dalla Terra. La fotonica fornisce le attrezzature necessarie per l’esplorazione dell’universo: una fotocamera multispettrale, un magnetometro e uno spettrometro gamma neutro. Allo stesso tempo, la missione sta testando la comunicazione ottica nello spazio profondo (DSOC). Per i flussi video verso la Terra, la velocità dei dati raggiunge diversi megabit al secondo nonostante l’enorme distanza.
Anche l’Agenzia Spaziale Europea sta lavorando alla comunicazione ottica tra Terra e universo. L’obiettivo, tra l’altro, è che i satelliti di comunicazione integrino le reti in fibra ottica sulla Terra e fungano da livello di ripiego per i cavi sottomarini danneggiati. Il Laser Zentrum Hannover (LZH) sta fornendo un amplificatore laser con 100 watt di potenza ottica in uscita per il wavelength division multiplexing: amplifica dieci lunghezze d’onda strettamente distanziate in una fibra per dieci canali di dati separati, garantendo così la massima velocità di trasmissione. I laser e i diodi laser per la comunicazione ottica tra e all’interno dei satelliti sono forniti, tra gli altri, da TOPTICA Eagleyard, un altro espositore. I satelliti si scambiano costantemente informazioni nel corso dell’osservazione della Terra, della comunicazione e della navigazione. Allo stesso tempo, anche i rispettivi sottosistemi sono collegati in rete. Grazie alle elevate velocità di trasmissione dei dati, alla bassa latenza e ai requisiti di bassa potenza, la trasmissione di dati basata sul laser è sempre più richiesta.
LIDAR, spettroscopia, orologi atomici e pettini di frequenza
Anche i sistemi LIDAR (Light Detection and Ranging) e gli spettrometri hanno una base fotonica. Espositori come l’LZH o gli istituti Fraunhofer per l’ottica applicata e l’ingegneria di precisione IOF di Jena e per la tecnologia laser ILT di Aquisgrana li sviluppano costantemente. La missione dell’ESA “Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring”, che utilizzerà due satelliti per misurare i livelli di CO2 e metano nell’atmosfera a partire dal 2026, mostra cosa è possibile fare. Il Fraunhofer IOF ha sviluppato un gruppo ottico che comprende due prismi e un reticolo nanostrutturato che divide la luce riflessa dalla Terra nei suoi colori spettrali. Il contenuto di CO2 può essere letto da questi spettri con una precisione inferiore a cento particelle di CO2 per un miliardo di molecole. I satelliti possono quindi determinare esattamente la quantità di gas serra emessa in una determinata regione e da quali fonti (umane). Il Fraunhofer ILT è coinvolto in un’altra missione che mira a monitorare il metano utilizzando il LIDAR. Il piccolo satellite MERLIN invierà impulsi di luce nell’atmosfera e determinerà la concentrazione di gas serra dalla luce riflessa.
Numerosi espositori Laser World of Photonics sono regolarmente coinvolti nelle missioni spaziali. Fornitori come Excelitas, Ametek Zygo, OHARA, POG Präzisionsoptik Gera e LASEROPTIK forniscono ottiche robuste progettate per le difficili condizioni ambientali nell’universo e nelle orbite terrestri basse. Altri, come AEMtec, DIAMOND, Glenair o SEDI-ATI Fibres Optiques, forniscono soluzioni o connettori micro (opto-)elettronici e in fibra ottica certificati per lo spazio. Specialisti come Acktar sono presenti con rivestimenti neri profondi per la gestione passiva del calore e la soppressione della luce diffusa o, come CILAS, forniscono filtri dicroici e specchi che sono arrivati su Marte negli strumenti fotonici high-tech del rover Perseverance.
La diversità delle soluzioni e dei fornitori dimostra che i viaggi nello spazio sono un lavoro di squadra e richiedono l’intera gamma di competenze fotoniche, dal preciso posizionamento in fibra ottica di MPS Micro Precision Systems ai pettini per astrofrequenze e ai laser di fascia alta per gli orologi atomici di Menlo Systems o TOPTICA Photonics.
Le tecnologie chiave per i viaggi nello spazio
Guardando alle missioni lunari del 1969-1972, salta all’occhio un altro espositore: Northtrop Grumman, la società madre di SYNOPTICS, che all’epoca si era aggiudicata l’appalto per la costruzione di tutti i moduli lunari del programma Apollo, in qualità di produttore di satelliti. L’azienda ha avuto un ruolo di primo piano anche nello sviluppo e nella costruzione del James Webb Space Telescope, che ha raggiunto la sua orbita a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra nel 2022. Da allora, il telescopio ha permesso di scoprire le origini dell’universo da una distanza di 13 miliardi di anni luce. Gli specchi di alta gamma focalizzano un ampio spettro di lunghezze d’onda della luce infrarossa su rivelatori fotonici di alto livello, fornendo così immagini affascinanti di galassie lontane, stelle, esopianeti e buchi neri. Il progetto è sostenuto dal lavoro di squadra di quasi 260 aziende, università e istituti di ricerca di 14 nazioni, tra cui espositori Laser World of Photonics come Coherent, Fraunhofer IOF, Physik Instrumente (PI) e Teledyne Technologies.
