Il 7 luglio 2025, l'ESA ha raggiunto un traguardo storico stabilendo il suo primo collegamento di comunicazione ottica con una sonda spaziale nello spazio profondo. Il collegamento è stato realizzato con l'esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC) della NASA a bordo della missione Psyche, che si trova attualmente a una distanza di 1,8 unità astronomiche, pari a circa 265 milioni di chilometri.
Questo è il primo di quattro collegamenti previsti per quest'estate.

Questo risultato rappresenta un'ulteriore pietra miliare nella lunga storia di mutuo supporto tra le agenzie spaziali e dimostra il potenziale di interoperabilità tra ESA e NASA nel campo delle comunicazioni ottiche, un obiettivo finora raggiunto solo con i sistemi a radiofrequenza.

“La prima dimostrazione di successo della comunicazione ottica nello spazio profondo con un segmento di terra europeo rappresenta un vero e proprio passo avanti per portare la connettività ad alta velocità, simile a quella terrestre, ai nostri veicoli spaziali nello spazio profondo. Questo risultato congiunto, insieme ai nostri colleghi e partner del settore industriale e accademico, alla Direzione Tecnologica dell'ESA e alla NASA/JPL, sottolinea l'importanza della cooperazione internazionale”, afferma Rolf Densing, Direttore delle Operazioni dell'ESA.

"È un successo incredibile. Dopo anni di progressi tecnologici, sforzi di standardizzazione internazionale e adozione di soluzioni ingegneristiche innovative, abbiamo gettato le basi per Internet nel sistema solare", afferma Mariella Spada, responsabile dell'ingegneria e dell'innovazione dei sistemi di terra dell'ESA.

 La campagna di trasmissione inizia in Grecia, dove l'ESA ha trasformato due osservatori in stazioni di terra ottiche ad alta precisione.

Dall'osservatorio di Kryoneri, nella Grecia meridionale, un potente laser è puntato sulla sonda spaziale Psyche della NASA. Sebbene non trasporti dati, il laser è progettato per essere così preciso da permettere all'esperimento DSOC a bordo di Psyche di agganciarsi ad esso e inviare un segnale di ritorno sulla Terra. Tale segnale viene ricevuto dall'osservatorio di Helmos, situato a 37 km di distanza, sulla cima di una montagna vicina.

"Per rendere possibile questo scambio ottico bidirezionale, è stato necessario superare due grandi sfide tecniche: sviluppare un laser abbastanza potente da raggiungere una sonda spaziale distante con precisione millimetrica e costruire un ricevitore abbastanza sensibile da rilevare il più debole segnale di ritorno, a volte solo pochi fotoni, dopo un viaggio di centinaia di milioni di chilometri", spiega Sinda Mejri, responsabile del progetto del sistema di ricezione laser terrestre dell'ESA.

Il telescopio Aristarco all'Osservatorio Helmos

I controllori di missione del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, che ha sviluppato e gestisce sia il DSOC che Psyche, hanno fornito la posizione della sonda utilizzando potenti tecniche di navigazione, tra cui il Delta-Differential One-Way Ranging (Delta-DOR), una tecnica utilizzata anche dall'ESA per le missioni interplanetarie, per determinare con precisione la traiettoria della sonda.

In seguito, gli esperti di dinamica di volo del Centro operativo spaziale dell'ESA (ESOC) hanno compensato variabili quali la densità dell'aria, i gradienti di temperatura e il moto planetario. Questo processo è simile a quello utilizzato nei sistemi globali di navigazione satellitare, ma con l'ulteriore complessità delle distanze dello spazio profondo e la necessità di un orientamento ultra-preciso.

Per garantire la sicurezza durante le trasmissioni laser, alcune sezioni dello spazio aereo greco sono state temporaneamente chiuse.

Il successo del collegamento è stato il risultato di anni di preparazione e collaborazione, durante i quali sono state costruite stazioni terrestri di trasmissione e ricezione ottica.

Il trasmettitore laser terrestre integra cinque laser ad alta potenza con controllori di puntamento ultra-precisi all'interno di uno speciale contenitore lungo 6 metri dotato di piattaforma elevatrice. Questo protegge le delicate apparecchiature dalla luce solare durante il giorno e le solleva all'esterno dopo il tramonto.

Il ricevitore laser a terra è costituito da un sofisticato sistema ottico talmente sensibile da poter rilevare singoli fotoni. Questo ricevitore, in grado di rilevare singoli fotoni, è saldamente fissato sul retro del telescopio Aristarchus da 2,3 metri, situato a 2.340 metri sul livello del mare presso l'Osservatorio di Helmos.

Ad aprile, il team ha condotto una campagna di test inviando un singolo segnale a bassa potenza al satellite Alphasat . Situato in orbita geostazionaria a un'altitudine di 36.000 km, il satellite rappresenta un banco di prova ideale per le tecnologie di comunicazione ottica, grazie a un terminale di comunicazione ottica appositamente costruito dall'agenzia spaziale tedesca DLR.

"Nonostante la complessità dell'operazione, l'installazione finale dei laser, del cablaggio elettrico e dei sistemi di raffreddamento è stata completata con successo poco dopo la loro consegna, avvenuta la mattina stessa", ha dichiarato Clemens Heese, responsabile delle tecnologie ottiche dell'ESA e responsabile del progetto dimostrativo DSOC dell'ESA. "Riuscire a installare i laser e a proiettare il raggio laser in sicurezza verso il cielo in un solo giorno è una prova straordinaria della precisione, del coordinamento e della dedizione del team.".

 Pochi istanti dopo, i test finali hanno permesso al team di rivedere tutte le procedure e di condurre un test laser dal vivo per ottimizzare tempi e coordinamento.

Meno di 20 persone hanno partecipato all'operazione: 7 su Kryoneri e 12 su Helmos. Le operazioni della sonda Psyche e del terminale di volo DSOC sono state gestite negli Stati Uniti dal JPL, che ha anche inviato due esperti in Grecia per assistere alle operazioni a terra.

Questa dimostrazione è più di una semplice impresa tecnica. È uno sguardo sul futuro delle comunicazioni nello spazio profondo.

"I collegamenti ottici promettono velocità di trasmissione dati da 10 a 100 volte superiori rispetto agli attuali sistemi a radiofrequenza. Combinare questa tecnologia con le nostre attuali tecnologie di comunicazione a radiofrequenza è essenziale per trasmettere il volume sempre crescente di dati provenienti dalle missioni di esplorazione dell'universo", ha affermato Andrea Di Mira, responsabile del progetto Ground-Based Laser Transmitter System dell'ESA presso l'ESOC.

“Siamo orgogliosi che l'ESA partecipi all'esperimento Deep Space Optical Communications (DSOC) a bordo della nostra missione Psyche. È un chiaro esempio di ciò che si può realizzare attraverso la cooperazione internazionale e uno sguardo al futuro delle comunicazioni nello spazio profondo”, afferma Abi Biswas, tecnologa del progetto DSOC presso il JPL della NASA.

Questo successo getta inoltre le basi per ASSIGN (Advancing Solar System Internet and Ground) , che sarà presentato alla riunione del Consiglio dell'ESA a livello ministeriale (CM25) a novembre.

"ASSIGN si propone di federare le reti a radiofrequenza e ottiche, sia esistenti che future, in una rete di reti sicura, resiliente e interoperabile per le missioni dell'ESA, nonché per le missioni istituzionali e commerciali, e di promuovere la competitività dell'industria europea per la sua implementazione e il suo futuro sfruttamento", afferma Mehran Sarkarati, responsabile della divisione di ingegneria delle stazioni di terra dell'ESA e direttore del programma ASSIGN.

La partecipazione dell'ESA alla dimostrazione DSOC è resa possibile da un consorzio di aziende europee, tra cui qtlabs (AT), Single Quantum (NL), GA Synopta (CH), qssys (DE), Safran Data Systems (FR) e NKT Photonics Ltd (UK), e dall'Osservatorio Nazionale di Atene (GR), che ha permesso la conversione dei suoi osservatori di Helmos e Kryoneri in stazioni di terra ottiche per lo spazio profondo e ha fornito le infrastrutture necessarie.

Il progetto è finanziato dal Programma di supporto tecnologico generale e dall'Elemento di sviluppo tecnologico dell'ESA .

Guardando al futuro, l'ESA sta attualmente studiando un sistema di traino elettrico per Marte, chiamato "LightShip", che trasporterebbe veicoli spaziali passeggeri sul pianeta rosso. Dopo aver sbarcato i passeggeri, LightShip si sposterebbe in un'orbita di servizio dove fornirebbe servizi di comunicazione e navigazione tramite il MARS Communication and Navigation Infrastructure (MARCONI), che includerà un dimostratore di comunicazioni ottiche come parte della roadmap per supportare le future missioni con equipaggio.