Công nghệ nào giúp NASA truyền hàng trăm GB dữ liệu 4K từ Mặt Trăng về Trái Đất chỉ trong một giờ?

5 giờ trướcBài gốc

NASA đang tích hợp công nghệ truyền thông bằng laser nhằm nâng cao năng lực liên lạc cho các nhiệm vụ không gian.

Diễn ra từ ngày 1-10.4.2026, sứ mệnh Artemis II không chỉ đánh dấu sự trở lại của con người sau hơn nửa thế kỷ, mà còn là màn trình diễn công nghệ có thể mở đường cho việc giảm dần sự phụ thuộc hoàn toàn vào sóng vô tuyến truyền thống (Radio Frequency - RF), vốn đã tiến gần tới giới hạn trong không gian sâu. Dù vậy, RF vẫn có ưu thế về độ ổn định trong điều kiện thời tiết xấu, chẳng hạn khi các trạm thu dưới mặt đất gặp mây dày hoặc sương mù.

Việc truyền thành công hơn 100 GB dữ liệu hình ảnh 4K từ khoảng cách gần 400.000 km đã giúp công nghệ Orion Artemis II Optical Communications System (O2O) chính thức thiết lập một tiêu chuẩn mới cho hạ tầng viễn thông vũ trụ. Không chỉ là một bước tiến về kỹ thuật, đây còn được xem như lời tuyên bố về sự hình thành của một “hạ tầng Internet liên hành tinh” - một xa lộ thông tin bằng laser, cho phép con người tiếp cận dữ liệu từ không gian sâu với tốc độ và độ chân thực chưa từng có.

Sóng vô tuyến đang chạm ngưỡng giới hạn trong không gian sâu.

Công nghệ O2O

Về bản chất, hệ thống O2O sử dụng tia laser hồng ngoại để truyền dữ liệu thay vì sóng vô tuyến S-band hoặc Ka-band. Đây là loại ánh sáng mắt người không thể nhìn thấy.

Khác biệt lớn nhất nằm ở bước sóng. Bước sóng của ánh sáng laser ngắn hơn hàng nghìn lần so với sóng vô tuyến, cho phép nén một lượng dữ liệu khổng lồ vào các chùm tia cực hẹp. Nhờ đó, băng thông có thể tăng từ 10 đến 100 lần.

Hệ thống O2O sử dụng tia laser hồng ngoại để truyền dữ liệu thay vì sóng vô tuyến S-band hoặc Ka-band.

Tốc độ truyền tải: Trên tàu Orion, hệ thống O2O đạt tốc độ truyền xuống (downlink) tới 260 Mbps. Nếu các hệ thống trước đây chỉ có thể truyền vài GB dữ liệu mỗi ngày, thì O2O có thể gửi hơn 100 GB chỉ trong vòng một giờ.

Khả năng này không chỉ phục vụ nghiên cứu khoa học. Hệ thống còn cho phép các phi hành gia thực hiện các cuộc gọi video HD với gia đình - một yếu tố tâm lý quan trọng khi họ làm việc trong môi trường không gian sâu kéo dài.

Đặc điểm vật lý: Về mặt vật lý, thiết bị đầu cuối của O2O trên tàu Orion chỉ có kích thước tương đương một con mèo nhà, với kính viễn vọng đường kính 4 inch. Thiết bị được lắp trên bộ chuyển đổi khoang phi hành đoàn (Crew Module Adapter), giúp tiết kiệm đáng kể diện tích và năng lượng so với các ăng-ten vô tuyến cỡ lớn.

Công nghệ đột phá này là kết quả của sự phối hợp giữa những đơn vị hàng đầu về công nghệ tại Mỹ.

Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT Lincoln Laboratory) giữ vai trò chủ lực trong nghiên cứu và thiết kế phần cứng của thiết bị đầu cuối O2O. Đây là đơn vị có truyền thống lâu năm trong việc phát triển các hệ thống quang học tiên tiến cho Bộ Quốc phòng Mỹ và Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ (NASA).

Các kỹ thuật viên đang lắp ráp Hệ thống Truyền thông Quang học cho sứ mệnh Artemis II.

Trong khi đó, Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA chịu trách nhiệm quản lý dự án và tích hợp hệ thống thông qua văn phòng LEMNOS (Laser-Enhanced Mission Communications Navigation and Operational Services). Goddard đồng thời đảm nhận việc tích hợp O2O lên tàu Orion và vận hành mạng lưới mặt đất phục vụ Artemis II.

Công nghệ này thuộc sở hữu của Chính phủ Mỹ thông qua NASA. Các bằng sáng chế liên quan đến cấu trúc bộ thu phát và thuật toán xử lý tín hiệu do NASA và MIT đồng nắm giữ.

Để bắt được chùm tia laser cực hẹp phát đi từ khoảng cách gần 400.000 km, NASA cần một mạng lưới trạm thu mặt đất có độ nhạy rất cao.

Hạ tầng mặt đất: “Mắt thần” đón chùm laser từ Mặt Trăng

O2O không thể hoạt động đơn lẻ. Để bắt được chùm tia laser cực hẹp phát đi từ khoảng cách gần 400.000 km, NASA cần một mạng lưới trạm thu mặt đất có độ nhạy rất cao.

Chương trình SCaN (Space Communications and Navigation) của NASA là đơn vị điều phối toàn bộ hệ thống liên lạc cho Artemis II.

Hiện có hai trạm thu (Ground Stations) chính được sử dụng để tiếp nhận tín hiệu laser từ tàu Orion. Trạm đầu tiên là White Sands tại bang New Mexico. Đây được xem là địa điểm lý tưởng nhờ bầu trời trong, ít mây, giúp hạn chế tình trạng tia laser bị tán xạ bởi hơi nước trong khí quyển.

Trạm thứ hai là Table Mountain tại bang California, do Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) vận hành, đảm nhận nhiệm vụ thu nhận và giải mã tín hiệu.

Ngoài ra, hiện Mỹ cũng đang sự phối hợp của các đối tác quốc tế như Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), xây dựng các trạm thu laser tại Hy Lạp và Tây Ban Nha nhằm đảm bảo việc thu nhận dữ liệu không bị gián đoạn khi Trái Đất tự quay.

Mỹ đã đầu tư hàng trăm triệu USD vào công nghệ truyền thông laser không chỉ để phục vụ Artemis II.

Không chỉ dành cho Artemis II

Mỹ đã đầu tư hàng trăm triệu USD vào công nghệ truyền thông laser không chỉ để phục vụ Artemis II, mà còn hướng tới chiến lược dài hạn cho các sứ mệnh không gian sâu.

Phát trực tiếp (Live-streaming) 4K: Một trong những ứng dụng rõ rệt nhất là phát trực tiếp hình ảnh 4K. Lần đầu tiên trong lịch sử, công chúng có thể theo dõi những thước phim trực tiếp về bề mặt Mặt Trăng và cuộc sống của phi hành đoàn với chất lượng hình ảnh gần như đang xem một bộ phim trực tuyến.

Truyền tải dữ liệu khoa học khổng lồ từ khoảng cách rất xa: Liên lạc laser cũng đặc biệt quan trọng trong việc truyền tải khối lượng dữ liệu khoa học khổng lồ. Các cảm biến bức xạ và thiết bị đo sinh học AVATAR trên tàu Orion có thể tạo ra hàng terabyte dữ liệu. Nhờ O2O, các nhà khoa học có thể nhận và phân tích gần như ngay lập tức, thay vì phải chờ tàu trở về Trái Đất.

Tiền đề cho sao Hỏa: Quan trọng hơn, NASA xem liên lạc quang học là “xương sống” cho các sứ mệnh đưa con người lên Sao Hỏa trong tương lai. Ở khoảng cách hàng triệu km, sóng vô tuyến trở nên quá yếu và quá chậm. Chỉ có laser mới đủ khả năng duy trì liên lạc video giữa các phi hành gia trên Sao Hỏa với gia đình và trung tâm điều khiển trên Trái Đất.

Một trong những bộ phận của Hệ thống Truyền thông Quang học cho sứ mệnh Artemis II.

An ninh và hiệu suất: Ngoài hiệu suất, công nghệ này còn có ưu thế về an ninh. Do chùm tia laser rất hẹp, tín hiệu khó bị gây nhiễu hoặc “nghe lén” hơn so với sóng vô tuyến phát tán trên diện rộng. Đồng thời, việc thu nhỏ thiết bị liên lạc cũng giúp giảm khối lượng tàu, dành thêm không gian cho nhiên liệu, thực phẩm và thiết bị nghiên cứu.

Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất của O2O nằm ở độ chính xác. Chỉ cần tàu Orion rung nhẹ hoặc lệch hướng rất nhỏ, chùm tia laser có thể trượt khỏi trạm thu mặt đất.

Để khắc phục điều này, hệ thống sử dụng các thiết bị ổn định siêu nhạy cùng thuật toán tự động bám đuổi (tracking), bảo đảm tia laser luôn khóa chính xác vào kính thiên văn tại New Mexico hoặc California, ngay cả khi Orion đang bay với vận tốc hàng chục nghìn km/h.

O2O không chỉ lập chuẩn mới cho hạ tầng viễn thông vũ trụ, mà còn mở ra viễn cảnh về một “Internet liên hành tinh” trong tương lai.

Cuộc đua “xa lộ thông tin laser” trong không gian

Dù NASA đang dẫn đầu với hệ thống O2O trên tàu Orion, cuộc đua xây dựng “xa lộ thông tin laser” trong không gian hiện diễn ra rất quyết liệt.

Trung Quốc đang bám sát Mỹ, thậm chí từng công bố một số bước tiến vượt trội về tốc độ truyền tải thương mại. Tháng 3.2026, nước này cho biết đã thiết lập thành công liên lạc laser hai chiều giữa mặt đất và vệ tinh quỹ đạo cao Jilin-1 ở khoảng cách hơn 40.000 km với tốc độ 1 Gbps.

Trước đó, vào tháng 1.2026, Trung Quốc tuyên bố đạt kỷ lục truyền tải dữ liệu từ vệ tinh xuống mặt đất lên tới 120 Gbps. Mục tiêu của nước này là xây dựng “Hành lang Thông tin Không gian” (Space Information Corridor) nhằm phục vụ trạm vũ trụ Thiên Cung cũng như các sứ mệnh thám hiểm Mặt Trăng (Thường Nga) và Sao Hỏa trong tương lai. Đơn vị nghiên cứu chủ lực là Viện Nghiên cứu Thông tin Hàng không Vũ trụ (AIR) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS).

Cuộc đua xây dựng “xa lộ thông tin laser” trong không gian hiện diễn ra rất quyết liệt.

Nga cũng đang theo đuổi công nghệ này nhằm xây dựng mạng lưới vệ tinh riêng, giảm phụ thuộc vào các hệ thống như Starlink. Các nghiên cứu do Đại học Kỹ thuật Vật lý Moscow và công ty Bureau 1440 thực hiện đang hướng tới thế hệ thiết bị đầu cuối laser cỡ nhỏ (compact laser terminals), có thể lắp trên các các vệ tinh nhỏ (CubeSats).

Tháng 3.2026, Nga đã phóng chòm vệ tinh Rassvet nhằm cung cấp dịch vụ Internet vệ tinh tốc độ cao, độ trễ thấp cho cả mục đích dân sự và quân sự, sử dụng liên kết quang học giữa các vệ tinh.

Trong khi đó, Israel chọn hướng đi khác. Các công ty như SpacePharma và Elbit Systems tập trung phát triển các thiết bị thu phát siêu nhỏ và những ứng dụng chuyên biệt như công nghệ Lab-on-a-chip hay các trạm điều khiển tự động từ xa. Công nghệ laser của họ được nghiên cứu để truyền dữ liệu từ các phòng thí nghiệm vi trọng lực trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) hoặc từ các vệ tinh tự hành về Trái Đất theo thời gian thực với độ bảo mật rất cao.

Phòng thí nghiệm Kính viễn vọng Truyền thông Quang học (OCTL) tại Cơ sở Table Mountain đang phát chùm tia laser tám tia (với tổng công suất 1,4 kilowatt) đến bộ thu phát laser truyền thông quang học không gian sâu (DSOC) trên tàu vũ trụ Psyche của NASA. Bức ảnh được chụp ngày 2.6. 2025, khi Psyche cách Trái đất khoảng 143 triệu dặm (230 triệu km).

Bên cạnh Mỹ, Trung Quốc, Nga và Israel, Nhật Bản và châu Âu cũng đang tăng tốc trong lĩnh vực này.

Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản (JAXA) hiện vận hành hệ thống LUCAS (Laser Utilizing Communication System), sử dụng laser để truyền dữ liệu giữa các vệ tinh quan sát Trái Đất và vệ tinh tiếp sức ở quỹ đạo địa tĩnh với tốc độ 1,8 Gbps.

Trong khi đó, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã đưa vào vận hành hệ thống EDRS (European Data Relay System), còn được gọi là “SpaceDataHighway”, cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu laser thương mại cho các vệ tinh quan sát Trái Đất.

Ấn Độ cũng đã tham gia cuộc đua với dự án Astrogate Labs, tập trung vào các lĩnh vực quan sát Trái Đất, Internet vệ tinh và truyền dữ liệu trong không gian sâu.

Lan Chi (Tổng hợp, bản quyền hình ảnh thuộc về NASA)

Nguồn Người Đô Thị : https://nguoidothi.net.vn/cong-nghe-nao-giup-nasa-truyen-hang-tram-gb-du-lieu-4k-tu-mat-trang-ve-trai-dat-chi-trong-mot-gio-52315.html