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除用在医院,X射线还将用于深空通信

2019-04-10 15:42 来源: 科技日报

日前,美国国家航空航天局(NASA)发布消息称,国际空间站将于近日试验一种新型深空通信技术——X射线通信。

参与这个研发项目的NASA工程师贾森·米切尔说,研究人员对试验这种新型通信技术期盼已久,如果试验成功,该技术有望为人类探索深空提供支持。

医院常用的X射线如何在通信领域发挥作用?这项通信技术的应用前景如何?带着这些问题,科技日报记者采访了相关专家。

“多快好省”的通信技术

深空通信的一个重要应用场合就是空间中卫星和卫星之间的通信,以及卫星和航天器之间的通信。当前承担深空通信任务的,主要是无线电通信技术及日趋成熟的激光通信技术。中国科学院西安光学精密机械研究所助理研究员苏桐告诉科技日报记者,目前深空无线电通信正朝着实现30GHz到300GHz的载波频率方向努力,也就是毫米波通信方向。

生活中,手机信号这种无线电波的波长一般是厘米级的,而X射线的波长是纳米级的。“载波频率越高,能容纳的信号带宽就越大。X射线比无线电波的频率要高7到8个量级,因此X射线通信比无线电波的理论传输容量更大。”苏桐说。

“其实,无论是无线电波还是X射线,它们都是电磁波。”苏桐表示,随着技术不断成熟,人们逐渐意识到,X射线不仅能被用于医疗或工业领域,也能被用于通信领域。

NASA研究人员称,若X射线通信试验成功,深空每秒千兆比特的高速数据传输有望成为现实。

“打个比方,如果将通信载波比作一条高速公路,那么通信带宽就可以被看作是公路上的一条条车道。如果说无线电波通信能提供的车道只有几条,那么X射线通信可提供的车道就会更多。车道越多,单位时间内能通过的车就越多;带宽越大,单位时间内能传输的数据也就越多。”苏桐说,在相同发射功率下,X射线能承载的数据更多,相对而言也更加节能,是项“多快好省”的通信技术。

助航天器解决失联问题

苏桐介绍道,X射线被用于通信领域的优势在于,其频率高、单个光子能量大、穿透力强。未来,这一通信技术的应用场景主要有两个:远距离、高速率的星际通信;特殊电磁环境下的深空通信。

“黑障区”是X射线通信大显身手的地方。“黑障区”是指航天器在返回大气层时,在航天器周围形成的一个高温等离子体鞘套,它产生于距离地球表面约40公里到100公里的高空。

苏桐介绍道,因为等离子体鞘套中电子密度极高,具有吸收和反射电磁波的能力,因而当航天器穿越“黑障区”时,无线电信号会中断,航天器也就与外界失去了联系,这个过程大概会持续4分钟至10分钟。此时,地面人员无法及时获取航天器的相关参数,可能会造成非常严重的后果。

“目前,相关研究人员已采用多种方式,试图克服‘黑障区’的通信障碍,但效果都不理想。”苏桐表示。

此前已有研究表明,X射线通信有望助力航天器克服这一难题。“X射线的频率高,能够穿透这片区域。”苏桐表示,还有研究者曾提出,X射线通信或许将为火星探测器通信提供技术支撑。

三大技术难关尚待攻克

不过,要实现上述功能并非易事,需要在多个关键技术上有所突破。

首先是发射源技术。因为X射线的频率太高,因而需要经过调制,但调制的难度比较大。

其次,实现高效率的X射线准直和聚焦难度较大。因为往外发散X射线时,射线角度会比较大,容易造成射线损耗。通过准直技术,可以将X射线汇聚成较平行的发射光束,再通过聚焦技术,使接收端尽可能收集更多X射线。

还有一个难点是X射线的捕获、跟踪、瞄准(ATP)技术。“除了X射线,其他波长较短的电磁波,如紫外线、伽马射线等,若将它们用于通信,都会面临这3方面的技术问题。区别在于,不同波长的电磁波技术方案和实现难度有所不同。”苏桐表示。

(实习记者 代小佩)

[ 编辑: 韦馨尧 ]
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