China: laser de 2 watts transmite 1 Gbit/s a partir de 36.000 quilómetros

A 36.000 quilómetros de altitude, os limites conhecidos das comunicações por satélite são subitamente postos em causa de forma radical.

No sudoeste da China, uma equipa de investigação alcançou um feito que está a captar a atenção de muitos especialistas: um satélite geoestacionário enviou para a Terra um fluxo de dados através de um laser aparentemente minúsculo, de 2 watts, superando as ligações de rádio convencionais e até a Starlink. O recorde não resulta de nenhum truque espacial, mas de um sistema terrestre engenhosamente concebido para compensar, com tecnologia, os efeitos difíceis da atmosfera terrestre.

O que aconteceu no Observatório de Lijiang

A experiência decorreu no Observatório de Lijiang, na província de Yunnan. A partir de uma órbita geoestacionária, a cerca de 36.000 quilómetros da Terra, um satélite chinês apontou um laser para um espelho de telescópio com 1,8 metros.

Ao longo do trajecto, o sinal enfrentou tudo aquilo que habitualmente transforma a comunicação óptica num desafio: camadas de ar a diferentes temperaturas desviam e agitam o feixe de luz, o sinal oscila e fragmenta-se e, ao chegar ao solo, deixa de ser um feixe limpo para se tornar num padrão de luz irregular.

“Foi precisamente deste padrão luminoso caótico que os investigadores extraíram um fluxo de dados estável de 1 Gbit/s, usando apenas 2 watts de potência de transmissão.”

Em termos de comparação, trata-se aproximadamente da velocidade de uma ligação rápida de fibra óptica numa casa, mas, neste caso, a comunicação atravessa a órbita. O caudal seria suficiente para transferir um filme em HD de Xangai para Los Angeles em menos de cinco segundos.

Porque é tão relevante a comparação com a Starlink

A Starlink, da SpaceX, recorre a milhares de satélites em órbitas baixas, normalmente a algumas centenas de quilómetros da superfície terrestre. Essa abordagem oferece percursos curtos, perdas de sinal relativamente reduzidas e baixa latência.

O ensaio chinês seguiu uma lógica totalmente diferente: o transmissor estava a 36.000 quilómetros de altitude, ou seja, a uma distância superior a 60 vezes a dos satélites Starlink típicos. Ainda assim, a velocidade de downlink comunicada foi cerca de cinco vezes superior àquela que muitos utilizadores da Starlink observam de forma realista.

• Altitude orbital da Starlink: aprox. 500–600 km
• Altitude orbital do satélite GEO: aprox. 36.000 km
• Potência de transmissão do laser: 2 watts
• Taxa de dados comunicada: 1 Gbit/s de downlink

Em termos de potência, um emissor de 2 watts está mais próximo de uma luz de presença nocturna do que dos níveis em kW usados nas ligações de rádio clássicas. Conseguir transmitir um gigabit a esta distância deixa uma mensagem clara: com domínio da óptica, é possível movimentar volumes enormes de dados usando uma quantidade surpreendentemente baixa de energia.

Primeiro truque: óptica adaptativa com 357 microespelhos

O elemento central da instalação de Lijiang é um grande telescópio equipado com um sistema especial de correcção. Este integra 357 pequenos espelhos que se deformam e inclinam continuamente, muitas centenas de vezes por segundo.

Esta tecnologia, conhecida como óptica adaptativa, procura contrariar em tempo real as frentes de luz deformadas pela atmosfera. Por outras palavras, os espelhos alteram a sua forma para que o receptor volte a receber uma frente de onda “razoavelmente recta”.

Estes sistemas são já utilizados na astronomia, por exemplo para captar estrelas com maior nitidez. Neste caso, porém, não servem para melhorar uma imagem: são usados directamente para recuperar dados.

Segundo truque: dividir o sinal e aproveitar apenas o melhor

Mesmo com esta correcção, a forte turbulência continua a ser um obstáculo. Por isso, depois da óptica adaptativa, a instalação aplica uma etapa adicional: um chamado conversor de luz multipolar.

Este componente óptico divide a luz recebida em oito “modos de base” distintos, ou seja, em oito canais separados. Todos os canais transportam o mesmo sinal de dados, mas apresentam intensidades e níveis de perturbação diferentes.

“O receptor selecciona os três canais mais fortes, sobrepõe-nos e extrai deles os dados; os restantes são ignorados.”

A conjugação destas duas técnicas - óptica adaptativa e recepção multicanal - é designada, em linguagem técnica, por sinergia AO-MDR. O ponto decisivo não está apenas nos números de velocidade, mas também nos indicadores de qualidade:

• Sinal utilizável antes de AO-MDR: 72 %
• Sinal utilizável com AO-MDR: 91,1 %

Assim, o objectivo não é apenas atingir uma velocidade elevada durante um breve momento, mas manter uma ligação estável em condições adversas.

Porque é muito mais difícil operar em órbita geoestacionária

Um satélite geoestacionário parece permanecer imóvel sobre um ponto da superfície terrestre. Para as redes de comunicação, isso é uma grande vantagem: as antenas parabólicas e as estações terrestres não precisam de seguir o satélite, porque este se mantém no mesmo local aparente.

O custo dessa vantagem é a distância enorme. Além de atravessar o longo percurso no vácuo, o sinal tem de cruzar, no final, a camada mais densa e turbulenta da atmosfera, precisamente a zona onde o ar sofre maior agitação.

Foi exactamente esse segmento final sobre o observatório de Yunnan que representou o verdadeiro obstáculo. As diferenças de temperatura, o vento e a humidade deformam ali o feixe laser de tal forma que, sem medidas de compensação, seria praticamente impossível assegurar uma transmissão de dados estável.

Não é um router doméstico, mas sim um nó de backbone

A instalação desenvolvida pelos investigadores não se destina claramente ao consumidor final. Com um espelho de 1,8 metros e uma óptica complexa, trata-se antes de um protótipo para futuros nós de rede, como:

• grandes estações terrestres capazes de ligar satélites a taxas de dados elevadas;
• ligações de backbone entre continentes;
• centros de dados para observação da Terra, aplicações militares ou investigação.

É possível imaginar cenários em que um único satélite laser geoestacionário envia quantidades gigantescas de dados para um pequeno número de estações terrestres altamente equipadas. A partir daí, a informação seguiria por fibra óptica para redes regionais ou directamente para centros de dados.

O que isto poderá significar para a internet vinda do espaço

O teste não representa um “golpe fatal” imediato para as redes de rádio no espaço, mas coloca uma alternativa em destaque. As ligações ópticas apresentam várias vantagens concretas:

Por esse motivo, as ligações laser são especialmente adequadas para poucos nós de elevada capacidade, nos quais o esforço técnico se justifica. As redes de rádio tradicionais poderiam continuar a funcionar em paralelo, garantindo o serviço base em regiões com mau tempo frequente ou para utilizadores móveis.

Até que ponto a tecnologia é fiável no dia-a-dia?

Mantém-se uma questão: o que acontece perante nuvens densas, smog ou chuva intensa? As ligações ópticas são muito sensíveis à dispersão e à absorção. Na prática, os operadores teriam de recorrer a rotas alternativas, por exemplo através de:

• várias estações terrestres distribuídas, assegurando que algumas permanecem sempre sem nuvens;
• funcionamento híbrido, com ligações de rádio e laser a operar em simultâneo;
• encaminhamento inteligente, capaz de redistribuir a carga conforme as condições meteorológicas.

Há ainda a complexidade técnica. Os microespelhos de alta precisão, o apontamento para um ponto minúsculo no céu e a sincronização exacta com o satélite exigem equipamento altamente especializado e manutenção. Por enquanto, tudo isto continua a ser demasiado caro para um produto de massa dirigido ao mercado residencial.

Conceitos importantes a conhecer

Órbita geoestacionária (GEO): órbita circular sobre o equador em que o satélite completa a volta à Terra à mesma velocidade com que o planeta roda. Por isso, parece “parado” no céu.

Óptica adaptativa: tecnologia em que espelhos móveis ou elementos ópticos corrigem, em tempo real, as ondas de luz distorcidas pela atmosfera.

Recepção por diversidade de modos: método no qual a luz dispersa é dividida em vários canais e, depois, as melhores componentes são novamente combinadas.

Sinergia AO-MDR: combinação de óptica adaptativa e recepção multicanal, utilizada na experiência de Lijiang para aumentar drasticamente a qualidade do sinal.

O que poderá acontecer a seguir

Se sistemas semelhantes se tornarem mais pequenos e menos dispendiosos no futuro, poderão surgir novos campos de aplicação. Entre as possibilidades contam-se estações de retransmissão laser em grandes navios, ilhas remotas ou regiões desérticas onde a fibra óptica não é uma opção.

As comunicações militares e críticas para a segurança também deverão acompanhar estes avanços com atenção: um feixe laser fortemente concentrado é consideravelmente mais difícil de interceptar sem ser detectado do que um sinal de rádio que se dispersa amplamente. Ao mesmo tempo, plataformas geoestacionárias proporcionam uma linha de visão estável sobre continentes inteiros.

Uma coisa é certa: com o laser de 2 watts transmitido a partir de 36.000 quilómetros de altitude, a China demonstrou que o limite da internet por satélite está ainda longe de ter sido atingido. Quem planear redes globais de dados no futuro deixará de ver a óptica e o rádio como opostos, passando a tratá-los como componentes de um sistema comum e muito mais potente.