Enquanto o mundo se maravilhava com o incrível vídeo 4K transmitido de volta da órbita lunar pela missão Artemis II da NASA, no início do ano, membros da equipe da startup de comunicações ópticas Azora estavam ansiosos em um estacionamento na Califórnia.

Eles haviam percorrido cerca de 966 quilômetros, partindo de sua base em Phoenix, Arizona, até um local adjacente ao Laboratório de Comunicações Ópticas da NASA, nos arredores de Los Angeles, para demonstrar as capacidades de seu receptor portátil em terra. Projetada para permitir comunicações ópticas econômicas entre o espaço e a Terra, a máquina foi concebida durante uma corrida de duas semanas e, anteriormente, só havia sido testada com sucesso em um link com um satélite geoestacionário, a cerca de 35.406 quilômetros de distância.

Funcionaria a uma distância muito maior? Às 2h50, a equipe obteve sua resposta. Quando a cápsula Orion da NASA, que transportava os astronautas da missão Artemis II, emergiu por trás da Lua, o sistema da Azora conseguiu captar seu sinal, provando, segundo a empresa, que pode estabelecer um enlace óptico de comunicação a uma distância de 386.243 quilômetros.

O sucesso da missão Artemis II foi uma bênção para a óptica espacial livre, a ideia de que a luz, e não as ondas de rádio, pode ser empregada para transmitir informações do espaço de volta à Terra. Isso poderia permitir uma transferência muito maior de dados para e de satélites, abrindo caminho para uma economia espacial mais ampla, incluindo centros de dados espaciais.

Mas, mesmo que a tecnologia seja adotada, vários desafios significativos permanecem, principalmente porque os sinais ópticos podem ser comprometidos por condições climáticas adversas. Enquanto empresas como a Azora tentam resolver questões de custo e viabilidade, um novo laboratório criado na Universidade de Suffolk, no Reino Unido, servirá como campo de testes para desenvolver feixes de laser mais confiáveis, capazes de tornar a comunicação óptica uma realidade para a indústria espacial.

Grátis e fácil?

As informações são tradicionalmente enviadas de volta à Terra a partir do espaço por meio de comunicações por radiofrequência (RF). A tecnologia tem servido bem à indústria desde as primeiras missões Apollo na década de 1960 e é amplamente utilizada por empresas de defesa e de comunicações, tanto em terra quanto em órbita.

Mas o RF é limitado na quantidade de informações com que pode lidar, o que significa que o tipo de vídeo em alta definição transmitido pelo Artemis II (que transmitiu imagens ao vivo da missão por dez dias) não seria viável por meio de um link tradicional.

Também há questões de segurança. "A proibição de RF é um grande problema", diz o professor Martin Lavery, líder do Grupo de Pesquisa em Fotônica Estruturada e professor de óptica na Universidade de Glasgow, além de ser CTO da Azora. "Se você voa em qualquer lugar sobre a Ucrânia, não pode se conectar com o resto do mundo porque a Rússia está bloqueando todos os sinais de rádio para impedir ataques de drones.

Entra em cena a óptica do espaço livre. Usar luz, ou, mais precisamente, feixes de laser, para transmitir informações não é apenas muito mais rápido, como demonstrado por Artemis II, mas também, segundo o professor Lavery, completamente imune a interferências. "A única maneira de parar isso é ficar bem no meio do feixe", ele diz. "Ninguém vai querer fazer isso em um cenário de guerra."

Pesquisadores vêm estudando o uso da comunicação óptica para esse propósito há algum tempo e, como resultado, vários fornecedores e startups estabelecidos estão trazendo ao mercado estações terrestres capazes de transmitir e receber sinais ópticos.

Entre elas estão empresas de tecnologia aeroespacial já estabelecidas, como a Honeywell e a Airbus. A Honeywell possui uma Estação Terrestre Óptica Transportável, ou TOGS, que, segundo a empresa, pode fornecer um link de 1 Gbps para satélites em órbita terrestre baixa (LEO), do tipo usado pela Starlink, de Elon Musk, e por outros fornecedores de comunicações espaciais. O TOGS, que está alojado em um contêiner de transporte com um telescópio retrátil que pode ser aberto para rastrear satélites, também suporta comunicações quânticas seguras, o que significa que os dados podem ser transmitidos protegidos por algoritmos resistentes à quebra por computadores quânticos. Muitos especialistas consideram que computadores quânticos serão poderosos o suficiente para quebrar algoritmos tradicionais de criptografia em questão de anos. Por isso, novos padrões seguros para o quântico estão sendo desenvolvidos, e o TOGS foi desenvolvido para suportar o padrão de distribuição de chaves quânticas BB84.

A startup britânica Archangel Lightworks, por sua vez, desenvolveu uma estação terrestre óptica muito menor, com uma cabeça óptica de apenas 1,1m de altura e 0,7m de diâmetro. Isso, segundo a empresa, foi projetado para ser portátil e já foi conectado com sucesso a um satélite LEO em testes realizados no início deste ano. Segundo a Archangel, os testes de campo "utilizaram o padrão de comunicação a laser da Agência Espacial dos EUA e foram repetidos em múltiplas passagens para comprovar a confiabilidade."

A Azora também projetou seu sistema pensando na portabilidade, mas, como mostra sua recente conexão com a missão Artemis, está mirando além da órbita terrestre baixa. Ela desenvolveu um sistema modular, com uma poderosa matriz de sensores e um telescópio de abertura de apenas sete centímetros. Isso se compara a aberturas de até um metro usadas pela NASA para se conectar ao sinal óptico do Artemis II, diz Lavery.

Isso significa que um único módulo é pequeno o suficiente para caber em uma mochila grande. Vários módulos podem ser conectados para criar um sistema mais potente – Azora usou dois, conectados como um par de binóculos, para se comunicar com a missão Artemis. A empresa afirma que essa portabilidade pode ser útil em situações em rápida mudança, como conflitos, em que um enlace via satélite precisa ser rapidamente configurado e deslocado, mas seu sistema também pode ter usos domésticos.

"O objetivo final é transformar as comunicações espaciais em algo muito mais parecido com o que estamos acostumados a ver na Terra hoje", diz James Schalkwyk, CEO da Azora. "Isso significa ter acesso quase constante a qualquer dado e a qualquer ativo, em qualquer local. Para isso, você precisa de uma rede de centenas de nós em todo o mundo, pois os satélites LEO se movem muito rapidamente.

"As comunicações espaciais normalmente são operadas por alguns sistemas grandes, personalizados e caros. Queremos sair disso para essa tecnologia que pode ser fabricada e implantada em massa a baixo custo."

A Azora afirma que suas unidades exigem apenas 200 W de potência, o que significa que podem ser conectadas à rede elétrica se estiverem localizadas em um ambiente urbano, como o telhado de um prédio, ou operar com bateria em locais mais remotos. A empresa está captando capital inicial para aprimorar sua proposta antes de levar as estações terrestres ao mercado.

Períodos de teste

Comunicações ópticas já são amplamente utilizadas em outros contextos. A DCD tem reportado extensivamente sobre a crescente variedade de produtos fotônicos comercializados para data centers, prometendo oferecer redes mais eficientes nos data halls ao permitir que a informação flua por meio da luz, em vez de sinais elétricos.

No espaço, a Starlink utiliza redes ópticas para transmitir informações entre seus satélites.

No entanto, esses são ambientes relativamente controlados quando comparados ao envio de informações pela atmosfera, onde feixes de laser encontram seu maior inimigo da comunicação óptica: o clima.

"Vento e neblina são os principais fatores que interferem nos sinais ópticos", explica o professor Lavery. "A chuva também pode afetar, mas isso provavelmente causará alguma perda de sinal, em vez de uma queda completa da conexão." A turbulência do vento é um problema particular porque provoca pequenos movimentos no feixe de laser, impedindo que ele se conecte ao receptor no solo. "Para comunicações de alta velocidade, normalmente você está conectado a um pequeno detector ou a uma fibra de modo único", diz o professor Lavery. "Se seu feixe está dançando ao vento, ele não necessariamente se conecta a esse receptor."

Cientistas e empresas como a Azora estão trabalhando em maneiras de contornar esse problema, mas seus esforços têm sido prejudicados pelo fato de que o clima muda, como, bem, o clima. "Se você está no Reino Unido desenvolvendo um sistema, fica preso ao clima do Reino Unido", diz o professor Lavery. "Você não faz ideia do que vai acontecer se levar isso para a Arábia Saudita."

Para resolver esse problema, a Universidade de Suffolk, financiada por uma bolsa de £6,2 milhões (43 milhões de reais) da Agência Espacial do Reino Unido (UKSA), montou um laboratório de Descoberta em Óptica Quântica (QOD). Baseado na instalação de pesquisa Adastral Park da BT, nos arredores de Ipswich, ele está sendo utilizado tanto pela Azora (que também conta com o apoio da UKSA) quanto pela Honeywell para testar suas estações terrestres e fornecer uma ligação quântica segura via satélite entre Suffolk e a Universidade Heriot-Watt, em Glasgow.

O professor Darryl Newport, líder do projeto e diretor do Instituto de Sustentabilidade de Suffolk na Universidade de Suffolk, disse: "O Laboratório de QOD representa uma oportunidade significativa para Suffolk e o Leste da Inglaterra desempenharem um papel vital nos futuros testes, pesquisas e no desenvolvimento de comunicações ópticas – tecnologia que terá um papel cada vez mais importante na transferência segura de dados e informações."

Dentro do laboratório, os pesquisadores podem acessar dois túneis longos, por onde feixes de laser podem ser disparados. Uma série de aquecedores e resfriadores controla o ar que é empurrado para dentro do túnel, para que seu impacto possa ser monitorado. "Podemos gerar turbulência específica em qualquer um dos pontos de contato internos", diz o professor Lavery. "Isso significa que podemos alterar a configuração para simular turbulência Terra-espaço ou outras condições, como quando um feixe atinge o asfalto quente."

O segundo provavelmente será útil na próxima vez que a Azora decidir visitar o estacionamento da NASA.