¿Es posible extender la transmisión de datos de alta velocidad con láser a la distancia de la Tierra a Marte?

No, no necesita "al menos algunos fotones por bit de datos". Se han demostrado 13 bits por fotón con comunicaciones láser. La capacidad de tasa de datos se calcula de la misma manera que lo hace con cualquier otra longitud de onda, que utiliza la potencia, el rango, las aperturas de transmisión y recepción, el ruido, el esquema de modulación y la ganancia de codificación.

Este documento resume análisis detallados de las comparaciones de potencia y masa de radios de naves espaciales para la misma tasa de datos en banda Ka y comunicaciones láser en$1.55\,\mathrm{\mu m}$. Las estaciones terrestres se equipararon en función del costo de construcción, que resultó ser un conjunto de antenas de radio con una apertura equivalente a una$80.5\,\mathrm m$antena y un telescopio óptico con$10\,\mathrm m$abertura.

También para la comparación de manzanas con manzanas, ambos sistemas asumieron el mismo requisito de precisión de puntería para la nave espacial, con el terminal láser responsable de ajustar su telescopio apuntando con la precisión adicional necesaria para el ancho de haz más pequeño.

El beneficio es mucho más dramático más allá de Marte, pero a la distancia máxima de Marte, la masa de un sistema RF de 1 Gbps sería más del doble que la de un sistema láser, y la potencia requerida para ese sistema RF sería 13 veces mayor que la del sistema láser. . No hay duda de que a 1 Gbps, incluso en Marte, usaría un sistema láser.

En general, es cierto que la tasa de error en la comunicación es proporcional a la energía por bit. Rigurosamente puedes ver esto a través de cosas como$E_b/N_0$y el teorema de Shannon Hartley . Para compensar la mayor distancia a Marte, se podría aumentar la potencia del transmisor o la ganancia de la antena para mantener la misma potencia, o transmitir cada bit durante más tiempo, acumulando así más energía en cada bit.

GEO es una distancia de aproximadamente 36e3 km, mientras que Marte está entre 55e6 km y 401e6 km, dependiendo de las órbitas relativas de Marte y la Tierra.

Aplicando la ley del cuadrado inverso, esto significa que la potencia se reducirá en algún factor de al menos

pero no más que

Reducir la tasa de bits por los mismos factores significa que el sistema de comunicación dado en el ejemplo operaría entre 648 y 12 bits por segundo, todo lo demás igual.

Eso no quiere decir que la comunicación láser a Marte no pueda funcionar, solo que la mayor distancia requiere equipo diseñado para ese propósito. Un sistema de comunicación de Marte necesariamente tendrá mayores potencias, mayores aperturas y una infraestructura más costosa que simplemente no era necesaria para un sistema GEO.