月の軌道を回る米航空宇宙局（NASA）の宇宙船から23万9,000マイル（約38万4,600km）離れた地球に向け、2013年10月にレーザー光線が発射された。受信先として指定されたニューメキシコ州の天体観測所は数秒のうちに、裸眼では見えない赤外線を自動で追跡し始めた。

赤外線には高精度のヴィデオ映像のデータがエンコードされていた。NASAの長官チャールズ・ボールデンが短いスピーチをする様子を映したものだ。もちろんボールデンのヴィデオは地球上で撮影された。NASAはまず、この映像をレーザーで宇宙船に送り、宇宙船がまたレーザーで地上に送り返したのだ。

「宇宙との交信能力は飛躍的に向上しつつあります。これはNASAの歴史のなかでも比類なき進歩です」と、動画のなかのボールデンは米国旗とNASAの旗を両脇に、誇らしげに言った。赤外線レーザーで送られたメッセージとしては、当時もいまも最長距離である。

赤外線なら無線の3倍速で送受信できる

NASAや欧州宇宙機構（ESA）、エアバスのような民間企業のエンジニアたちは、これから数年のうちに、より野心的なレーザー通信プロジェクトを進めようとしている。無線ではなく、レーザーこそ宇宙データ開発の未来を担うと考えているからだ。彼らの思い通りに進めば、このデータが雪嵐を予測し、木星の写真が赤外線として空から降り注ぐようになるだろう。

気象観測衛星や国際宇宙ステーション、木星探査機「ジュノー（Juno）」などはいま、情報の送受信をすべて無線信号で行なっている。しかし、政府の管理する限られた範囲の無線周波数しか使用できない。「科学者たちが望む量の衛星や宇宙の映像を得るには、データ送信の選択肢がもっと必要です」とエアバス子会社Tesat-Spacecomのエンジニア、フランク・ハイネは言う。

ハイネが取り入れようとしているのは赤外線レーザーだ。彼はESAとエアバスの共同運営による、無線と赤外線を組み合わせた衛星ネットワーク「European Data Relay System」の研究に取り組んでいる。

このネットワークでは、地球の上空400マイル（約640km）強の低軌道を回る衛星が、22,000マイル（約35,400km）離れた地球同期衛星に向け、赤外線でデータを送る。次に、地球同期衛星は受けたシグナルを従来の無線周波に変換し、地球に送る。衛星から送られるのは海洋や大気などの気候データで、欧州政府の主導で進められている地球観測プログラム「コペルニクス計画」に利用される。

赤外線によるデータの送受信は、すでに毎秒1.8ギガビットまで可能となっている。スピードは無線通信のみを使った場合の約3倍だ。宇宙から直接、スペインの観測所に赤外線を送ることにも成功しているものの、赤外線を常に地上へと発信できるようになるまでには、この先5〜10年かかるだろうとハイネは言う。

衛星ネットワークが常に交信可能な距離範囲にあるようにするためには、地上ステーションを増やさなくてはならない。しかしその前に、具体的にどれだけの数が必要なのか、そしてどこに建設すべきかを考える必要がある。

送信量はHD映画30本の同時配信と同等

月からのレーザー照射を指揮したNASAのエンジニア、ドン・コーンウェルは「赤外線が無線より速いのは、はるかに大量のデータを詰め込めるからです」と話す。月と地球を結ぶNASAのレーザー通信は、最速で1秒につき622メガビットを送信できる。これはNetFlix（ネットフリックス）でHD映画30本を同時にストリーミング配信するのと同量に相当する。

その仕組みを説明しよう。コーンウェルによれば、無線も赤外線も電磁波だが、赤外線の光波は周波数に応じて数千倍あるいはそれ以上の速度で動く。情報はそれぞれの光の周期に合わせてエンコードされる。周期が速ければ毎秒、エンコードできる情報は増加する。理論上、赤外線の光波は無線周波の数千倍のデータをエンコードできるという。

さらにありがたいことに、赤外線には無線のように政府の厳しい規制がない。赤外線が新しい技術だからではない。無線では電波信号が広範囲に広がり、規制が必要なのだ。地球の低軌道から送られた信号は数千平方マイルに広がる可能性がある。

同じ周波数を聞いている人があまりに多ければ、信号同士が重なり、妨害し合うことになる。一方、レーザーの届く範囲は極めて狭い。月から放射されたレーザー光線が届くのは、わずか15平方マイル（約40平方キロメートル）である。「妨害したくても、狙いを定めるのに相当苦労するでしょう」とコーンウェルは言う。

さらに、レーザー信号の送信は無線よりも動力を必要としない。レーザーの情報送信が注射器を打つようなものだとすれば、無線は水まきをするホースのように広がってしまう。「月面の赤外線送信機が必要とする動力は、無線を使う場合の50分の1で済むでしょう」とコーンウェルは言う。

レーザー光線をキャッチするのが難しい理由

しかしこの光線の幅の狭さは作業面での課題につながる。もっとも複雑な段階のひとつが、光線の目標設定と受信だ。NASAの月面探査機が安定しているのは信号波形の揺らぎを抑える「アンチジッター機能」によるものだ。これはノイズ・キャンセリング機能付きのヘッドフォンとは構造が異なるとコーンウェルは言う。

レーザーの送信側も受信側も相手に合わせて動くので、探査機はレーザーを照射する際、受信する時点で地球がどこにあるかを予測し、その位置を狙わなくてはいけない。「アメリカンフットボールで言えば名レシーヴァーです」とNASAのエンジニア、デヴィッド・イスラエルは言う。

イスラエルは19年、衛星に赤外線レーザーシステムを搭載するプロジェクト「Laser Communications Relay Demonstration」を率いることになっている。赤外線レーザーをハワイとカリフォルニアの観測所に向け、毎秒1.2ギガビットで送信する計画だ。

NASAでは宇宙飛行士に情報を送るためにこの赤外線通信を利用したいと考えている。「HDヴィデオを遠い宇宙空間にストリーミング配信できるなら、非常に大きな意味があります」とコーンウェルは言う。宇宙飛行士はYouTubeのヴィデオを介して最新任務の指令を受け、さらに遠隔操作による健康チェックも受けられるようになるという。

100TBを送る時間を25年から数日まで短縮

マサチューセッツ工科大学（MIT）リンカーン研究室のエンジニア、ブライアン・ロビンソンは、「地球でも科学的研究の面で恩恵があるでしょう。科学者たちがデータをより速く、もっと大量に受け取ることができれば、さらに野心的な実験を考案する意欲も出てくるはずです」と話す。

彼はこれまでも、衛星データを利用して海洋や大気を研究する科学者たちに協力してきた。現時点では、研究者たちは「これだけのデータしか取り込めないから、こういうふうに機材を設計して、こういうかたちで作業しなければいけない」といった想定を行い、そこから実験を始めているのだという。

ハッブル宇宙望遠鏡が100テラバイトくらいのデータを送信するまでには、25年を要した。「この望遠鏡がこれだけの大容量の画像を数日のうちに送ることができたら、と想像してみてください」とロビンソンは言う。

彼はパン1斤分ほどの小さな衛星に、毎秒200ギガビットを送信できる赤外線レーザーシステムを取り付けようとしている。NASAの支援を受けたこのプロジェクトは「Terabyte Infrared Delivery」と名付けられ、19年にスタートする予定だ。

このシステムなら比較的安価で、科学者たちがプロジェクトを進めるためにそれぞれで購入できるのではないかと期待されている。「極めて小型のシステムなので、費用を安く抑えられるはずです」とロビンソンは言う。そうなればおそらく研究者たちも、スピーチ映像の録画よりもっと有用なものを送信するようになるだろう。