Mona Lisas Laser
NASA-Forscher haben das Bildnis der Mona Lisa pixelweise zum Mond und zurück gebeamt – kodiert in Laser-Paketen.
Zum ersten Mal ist Wissenschaftlern die Kommunikation via Laser auf planetarer Distanz gelungen. Bisher übertragen Raumsonden Daten und Bilder per Funksignal zur Erde. Laser könnten als Backup zu diesem etablierten System dienen oder es eines fernen Tages sogar ersetzen, denn bei der Lichtübermittlung könnte eine höhere Übertragungsrate möglich werden.
Abb.: Per Laser zum Mondsatelliten und zurück – links das vom LRO rückübertragene Bild der Mona Lisa, rechts dasselbe Bild nach Anwendung eines Fehlerkorrekturalgorithmus. Der senkrechte weiße Strich in den Rohdaten ist der Sicherheit des Flugverkehrs geschuldet: Per Radar ermittelte Flugzeuge leiteten automatisch eine Unterbrechung des Laserstrahls von wenigen Sekunden ein. (Bild: X. Sun et al. / OSA / NASA)
Für den ersten Test dieser Technologie im Weltraum wählten die Forscher um Xiaoli Sun ein prominentes Objekt: die Mona Lisa. Die Information dieses Bildes sandten sie vom Goddard Space Flight Center der NASA im US-Bundesstaat Maryland aus. Das Übertragungsmedium war der auf 28 Hertz gepulste Strahl eines Nd:YAG-Lasers bei 523 Nanometern Wellenlänge und einem Strahldurchmesser von 30 Zentimetern. In rund 400.000 Kilometern Entfernung erreichten diese Laserpulse den Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) – eine Weltraumsonde, die seit 2009 den Mond umkreist.
Die Wissenschaftler nahmen eine digitale Graustufen-Version des Gemäldes von Leonardo da Vinci und unterteilten sie in 152 mal 200 Pixel bei 4096 verschiedenen Grauwerten. Letzteren übermittelte der Laser für jedes Pixel mittels pulse position modulation, also durch minimale Abweichungen vom regelmäßigen Takt: Der Grad der jeweiligen Verzögerung, die zwischen dem von LRO erwarteten nächsten Lichtpuls und seinem tatsächlichen Eintreffen lag, zeigte die Graustufe an. Die Übertragungsgeschwindigkeit dieses Laser-Verfahrens lag bei rund 300 Bits pro Sekunde, der begrenzende Faktor war hierbei vor allem der Verarbeitungszyklus des LRO.
Um zu überprüfen, wie groß der Fehler bei der Übertragung war, ließ sich die NASA das Bild vom Mondsatelliten per normaler Funkverbindung zurücksenden. Das so wieder zusammengesetzte Gemälde zeigte einige fehlerhafte Pixel, die die Wissenschaftler sowohl einem Richtungszittern des Lasersignals zuschrieben als auch atmosphärischen Turbulenzen. Dadurch lieferte das Experiment auch Daten zur Lichtsignal-Fluktuation und -Abschwächung beim Durchdringen der Erdatmosphäre. Sie bestätigen die bisherige Annahme einer logarithmischen Normalverteilung, schreiben die Forscher. Die offensichtlichen Fehler im zurückgesandten Bild ließen sich jedoch sehr gut durch das Reed-Solomon-Verfahren entfernen, ein Standard-Korrekturalgorithmus, der auch bei CDs angewandt wird.
Laura Hennemann
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