Un collegamento da 36.000 chilometri con la potenza di una lampadina
Un gruppo di ricercatori ha collegato un satellite geostazionario alla Terra tramite un raggio laser da appena 2 watt, raggiungendo una velocità di trasmissione di 1 Gb/s. Si tratta di prestazioni tipiche della fibra ottica domestica, non di un collegamento dallo spazio a 36.000 chilometri di quota.
Questa velocità è fino a cinque volte superiore a quella offerta normalmente da Starlink. L’esperimento si è svolto presso l’osservatorio di Lijiang, nella provincia montuosa dello Yunnan, nel sud-ovest della Cina. Sopra la stazione, in orbita geostazionaria — la stessa utilizzata dai classici satelliti per le telecomunicazioni e la televisione — era posizionato il satellite di riferimento.
Il vero nemico: l’atmosfera terrestre
Invece del tradizionale collegamento radio, i ricercatori hanno scelto un’alternativa ottica, ovvero un laser. Il raggio ha dovuto attraversare prima il vuoto cosmico e poi la parte più insidiosa del percorso: alcune decine di chilometri di atmosfera in continuo movimento sopra la superficie terrestre.
Dopo aver attraversato l’atmosfera, il raggio non assomigliava più alla linea retta che si trova nei libri di fisica. Le turbolenze dell’aria lo avevano allungato, deformato e disperso. Il ricevitore a terra captava la luce sotto forma di uno schema frammentato, dal quale bisognava prima estrarre i dati. L’obiettivo dell’intero test era proprio questo: ricavare un collegamento stabile da un segnale compromesso, non stabilire semplicemente un record in condizioni ideali.
Un osservatorio come un occhio gigante: telescopio e 357 microspecchi
I ricercatori cinesi hanno costruito a terra un sistema di ricezione molto sofisticato. Al centro si trova un telescopio dal diametro di 1,8 metri, un vero e proprio occhio gigante progettato per catturare quanta più luce dispersa possibile. L’elemento ancora più interessante era però un sistema di 357 microspecchi che modificava la propria configurazione in tempo reale.
Si tratta della cosiddetta ottica adattiva, una tecnologia già nota dai moderni telescopi astronomici, dove serve a correggere le immagini di stelle e pianeti distorte dall’atmosfera. In questo caso ha svolto una funzione molto simile, ma invece di produrre belle fotografie l’obiettivo era garantire una trasmissione corretta dei bit di dati.
I ricercatori hanno descritto il loro approccio come una sinergia tra due metodi: l’ottica adattiva e la cosiddetta diversità dei modi di ricezione. In pratica significa una cosa sola: invece di fingere che l’atmosfera non esista, hanno accettato il fatto che essa avrebbe inevitabilmente degradato il raggio in vari modi, progettando il sistema esattamente per operare in quelle condizioni.
- Telescopio da 1,8 m — raccoglie la massima quantità di luce proveniente dal satellite
- 357 microspecchi — correggono continuamente la forma del fronte d’onda luminoso
- Laser da 2 W — potenza paragonabile a una piccola lampadina, non a un trasmettitore radio ad alta potenza
- Velocità di 1 Gb/s — pari alla fibra ottica domestica, ma dallo spazio
- Orbita geostazionaria — 36.000 km sopra l’equatore
- Osservatorio di Lijiang — provincia dello Yunnan, Cina sud-occidentale
- Collegamento ottico — più preciso e sicuro delle onde radio
- Turbolenze atmosferiche — principale ostacolo alla trasmissione stabile
Il raggio suddiviso in canali: dal caos a un collegamento stabile
Dopo la correzione iniziale, il laser colpiva un dispositivo chiamato convertitore multimodale. Si tratta di un complesso elemento ottico che ha suddiviso la luce distorta in otto modi fondamentali, ovvero otto canali separati. Il ricevitore non cercava di ricostruire da essi un unico raggio ideale.
Invece misurava quali tre canali trasportavano il segnale utile più intenso, per poi combinarli in fase di decodifica dei dati, scartando gli altri come troppo deboli o rumorosi. Grazie alla combinazione di correzione ottica e selezione dei canali, la quota di segnale utile è salita dal 72% al 91,1%, con effetti tangibili sulla velocità e sulla stabilità del collegamento.
Si tratta di una filosofia ben diversa da quella adottata nella maggior parte degli esperimenti con collegamenti ottici. Invece di combattere per preservare la forma ideale dell’onda, gli ingegneri hanno accettato che le turbolenze l’avrebbero comunque distrutta. La chiave stava nell’estrarre dal disordine i frammenti leggibili con affidabilità e riassemblarli in dati completi.
Starlink contro il laser geostazionario
Il confronto con Starlink è emerso immediatamente nei primi commenti al progetto. Del resto Starlink è oggi la rete di satelliti internet più conosciuta al mondo, operante in orbita bassa a poche centinaia di chilometri dalla Terra — più di 60 volte più vicina rispetto al satellite cinese dell’esperimento.
La differenza di distanza è impressionante. Un segnale radio o ottico si indebolisce approssimativamente con il quadrato della distanza, quindi inviare un collegamento veloce dall’orbita geostazionaria è enormemente più difficile che farlo dall’orbita bassa. Tanto più con una potenza del trasmettitore così ridotta.
I ricercatori cinesi hanno illustrato efficacemente la velocità raggiunta con un esempio concreto: a questo ritmo sarebbe possibile trasferire un film in qualità HD da Shanghai a Los Angeles in meno di cinque secondi. Sembra uno slogan pubblicitario per la fibra ottica, non il resoconto di un test con un satellite a 36.000 chilometri sopra l’equatore. Starlink offre di norma velocità comprese tra 50 e 200 Mb/s, mentre l’esperimento cinese ha raggiunto un gigabit stabile.
Perché l’orbita geostazionaria è così difficile da sfruttare
Un satellite geostazionario percorre un’orbita sincronizzata con la rotazione terrestre. Visto dalla superficie, sembra immobile sopra un punto fisso dell’equatore. Questo è un vantaggio enorme: un’antenna a terra non deve inseguire decine di satelliti in rapido movimento come avviene con Starlink — basta orientarla una volta sola.
Il prezzo di questa comodità è la distanza. Il raggio deve percorrere decine di migliaia di chilometri nel vuoto e poi attraversare lo strato più capriccioso di tutto il percorso: alcune decine di chilometri di atmosfera piena di vortici d’aria, gradienti di temperatura, polvere e vapore acqueo. Proprio in quest’ultimo tratto il laser perde la sua forma ideale.
Per questo l’esperimento di Lijiang attira l’attenzione degli ingegneri delle telecomunicazioni. Dimostra che con una stazione di terra ben progettata anche un satellite geostazionario può competere in termini di banda passante con le costellazioni in orbita bassa, senza ricorrere a trasmettitori enormi a bordo. I ricercatori dell’Accademia cinese delle scienze hanno pubblicato i risultati sulla rivista Optics Express.
A cosa serve concretamente un collegamento simile
È importante sottolinearlo: non si parla di un terminale delle dimensioni di un’antenna parabolica sul tetto di casa. Il sistema di Lijiang è un’installazione scientifica enorme e di precisione, che assomiglia molto più a un nodo dorsale di rete che a un apparecchio per guardare Netflix in salotto.
Stazioni di questo tipo potrebbero in futuro fungere da nodi magistrali, ricevendo enormi quantità di dati da satelliti di osservazione, sonde interplanetarie o grandi costellazioni e trasferendoli alle reti ottiche terrestri. Le applicazioni più evidenti dei collegamenti laser satellitari comprendono dorsali ad alta capacità, comunicazioni inter-satellite, trasmissione di dati militari e comunicazioni con missioni verso lo spazio profondo.
Il laser al posto delle onde radio offre diversi vantaggi significativi. Il fascio laser è estremamente stretto, quindi è molto difficile intercettarlo o disturbarlo. Trasporta inoltre una quantità di informazioni molto maggiore a parità di potenza. Per contro richiede una puntamento estremamente preciso e buone condizioni atmosferiche.
Cosa rivela questo esperimento sul futuro di internet dallo spazio
Il test di Lijiang dimostra che la corsa alla prossima generazione di connettività satellitare non si esaurisce nel dispiegamento di migliaia di satelliti in orbita bassa. In parallelo si stanno sviluppando tecnologie che ampliano le capacità dei singoli satelliti ad alta quota, proprio grazie ai laser e alle stazioni di terra intelligenti.
Per l’utente comune si tratta di buone notizie. Più percorsi di trasmissione dati esistono e più le tecnologie sono diversificate, maggiori sono le probabilità di ottenere un internet più economico, più veloce e più resiliente — sia nelle grandi città sia lontano da qualsiasi infrastruttura.
Sullo sfondo restano anche le questioni legate alla sicurezza e all’autonomia strategica. I paesi che oggi investono in collegamenti satellitari ottici si stanno costruendo un canale di comunicazione alternativo, difficilmente disturbabile, che potrebbe avere un’importanza enorme nelle situazioni di crisi — dalle catastrofi naturali ai conflitti armati. Nei prossimi anni si sentirà parlare sempre più spesso di gigabit dallo spazio e di ponti dati laser. E i primi a sfruttare appieno questi sistemi non saranno probabilmente le aziende consumer, bensì scienziati, settore della difesa e operatori di reti dorsali globali.
