ACTUALIDAD. La NASA está recurriendo a los láseres para las comunicaciones espaciales de próxima generación

La NASA está recurriendo a los láseres para las comunicaciones espaciales de próxima generación

 

Fuente: NASA / BEN SMEGELSKY

Las primeras pruebas de comunicaciones ópticas lejos de la Tierra se realizarán a bordo de la nave espacial Psyche , que se dirige al cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.

01 diciembre 2023.- El cazador de asteroides lanzado recientemente por la NASA, Psyche , está diseñado para darnos una mirada a un cuerpo que podría parecerse a profundidades muy lejanas dentro de la Tierra, donde nunca podremos llegar. Pero un instrumento que nos acompaña en el viaje entusiasma a los científicos que se especializan en un campo completamente diferente: el de las comunicaciones espaciales. 

Desde los albores de la era espacial, han dependido de las ondas de radio, sólo una porción del espectro electromagnético. Pero los científicos esperan expandirse pronto a otra parte del espectro. Su objetivo es añadir láseres a nuestro conjunto de herramientas de comunicaciones cósmicas.

La misión principal de la nave espacial Psyche es explorar un asteroide con forma de papa de 144 millas de largo con una órbita aproximadamente tres veces más alejada del Sol que la de la Tierra. Una importante teoría sostiene que el asteroide objetivo, también llamado Psyche (16 Psyche, para ser exactos), es el núcleo metálico de un planeta que alguna vez fue esperanzador, cuya superficie rocosa fue arrancada por colisiones de impacto y fuga en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.

Si es así, oler su mezcla única de hierro, níquel y roca puede ser lo más cerca que estaremos de investigar el núcleo metálico de la Tierra.

La nave tardará seis años en llegar y descubrir si las mediciones del asteroide que sugieren una superficie metálica son correctas. Si lo son, podríamos encontrarnos con un objeto más extraño de lo que los escritores de las décadas de 1940 y 1950 jamás imaginaron, con eyecciones de metal congeladas en formas extrañas debido a encuentros con otros asteroides.

Pero los investigadores de comunicaciones espaciales empezarán a ver resultados mucho antes. La prueba de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) será la primera demostración de comunicación láser u óptica más allá de la Luna, y podría ayudar a facilitar el camino a medida que los astronautas regresan a la Luna y dan el siguiente salto gigante: a Marte. También representa un paso clave para abrir una nueva era en las comunicaciones espaciales.

Si esta y otras pruebas relacionadas funcionan como se espera, los láseres ofrecerán un impulso necesario para los límites de ancho de banda que enfrenta el principal sistema de comunicaciones fuera del planeta, llamado Deep Space Network (DSN). Los tres emplazamientos de antenas de radio del DSN, cada uno dominado por una antena parabólica de 70 metros y situados a 120 grados de distancia entre sí en España, Australia y el desierto de California, se enfrentan a un atasco de tráfico de proporciones similares a las de la hora punta de Houston, dicen algunos. 

Actualmente, las demandas de decenas de misiones espaciales, que van desde el telescopio James Webb hasta pequeños satélites comerciales (que pagan por el servicio) deben competir por el tiempo de la red.

Un vídeo explica las pruebas de comunicaciones láser previstas para el instrumento DSOC mientras Psyche viaja cientos de millones de kilómetros para encontrarse con un asteroide distante. Fuente: NASA / JPL-CALTECH / ASU

Y en un futuro próximo se pondrán en marcha otras 40 misiones espaciales, cada una de las cuales demandará mucho tiempo en la red de comunicaciones. Aún más importante, algunas de esas misiones serán tripuladas, con instrumentos que transmitirán videos de alta definición, así como lecturas metabólicas momento a momento de los astronautas mientras trabajan en la Luna, construyendo laboratorios y refugios. No querrán que les digan que dejen de lado un CubeSat comercial, los minisatélites que transmiten diversos tipos de datos científicos y proporcionan conectividad a Internet, y que han proliferado en la órbita terrestre baja.

En la demostración lanzada recientemente, los investigadores buscan aprovechar la mayor capacidad de transporte de información de la luz láser a través de las ondas de radio. Las longitudes de onda ópticas en la parte del infrarrojo cercano del espectro electromagnético son tan pequeñas (medidas en nanómetros) y las frecuencias tan altas que se puede empaquetar mucha más información en el mismo espacio, lo que aumenta las velocidades de datos de 10 a 100 veces más de lo que es posible con la radio.

Para capacidades similares, los sistemas láser también pueden ser más pequeños que los de radio, por lo que requieren menos energía, otro factor importante ya que las naves espaciales viajan a unos cientos de millones de millas de casa.

Por primera vez, la NASA probará comunicaciones con láser en el espacio profundo. Las frecuencias ópticas de la luz pueden transportar de 10 a 100 veces más información por segundo que las señales de radio. (Los gráficos inferiores comparan el volumen de datos (cuadros blancos) transportados por una onda de radio, a la izquierda, y un láser de infrarrojo cercano, a la derecha). La señal del láser (rojo) es mucho más estrecha que la de la radio (azul claro), lo que puede mejorar la seguridad de las comunicaciones en el espacio, sino que también hace que la transmisión sea sensible incluso a desajustes leves. Fuente: NASA / CENTRO DE VUELO ESPACIAL GODDARD

Durante la última década, la NASA ha estado probando la nueva tecnología en diferentes entornos, desde la órbita terrestre baja hasta la Luna. El instrumento a bordo de Psyche permitirá la primera prueba en el espacio más profundo, un hito importante ya que la comunicación óptica tiene inconvenientes. Debido a que el rayo láser es estrecho, debe apuntar hacia receptores en la Tierra con gran precisión, un desafío que sólo crece con la distancia.

Otros problemas potenciales incluyen nubes en la Tierra que pueden bloquear el haz óptico y un debilitamiento significativo de la señal a medida que aumenta la distancia y el haz se expande. Esto limita su uso en distancias más allá de Marte, al menos con la tecnología actual. Es por eso que la prueba se llevará a cabo sólo durante los dos primeros años de la misión, antes de que la nave se acerque más al asteroide.

Por estas razones, además del hecho de que hoy en día no existe una red terrestre de receptores ópticos, nadie predice un momento en que la comunicación láser reemplazará a las ondas de radio. Pero podría agregar un nuevo canal. Las operaciones futuras estarán diseñadas para la diversidad, dicen los expertos.

La nave espacial Psyche , mostrada en una concepción artística, comenzó su largo viaje hacia un asteroide del mismo nombre en octubre de 2023. La nave, que llegará en 2029, cuenta con instrumentos que analizarán la composición del asteroide y medirán su campo magnético. A diferencia de la mayoría de las rocas espaciales, se cree que el asteroide Psyche está compuesto de níquel y hierro, similar al núcleo metálico de la Tierra. Fuente: NASA/JPL-CALTECH/ASU; IMAGEN CREADA POR PETER RUBIN

Durante las pruebas a bordo de Psyche , un transmisor de cinco kilovatios en Table Mountain en el sur de California enviará un paquete de comunicación de baja velocidad (nada exótico, en su mayoría patrones aleatorios, dice Biswas) a un transceptor láser conectado al telescopio de 8,6 pulgadas de la nave espacial. El instrumento se fijará en el haz y descargará el mensaje, utilizando una cámara que cuenta las partículas de luz, o fotones, antes de transmitirlo a alta velocidad al telescopio Hale de 200 pulgadas en el Monte Palomar, cerca de San Diego, donde puede compararse en cuanto a precisión con el original.

Incluso a distancias más cercanas que Marte, la señal láser es relativamente frágil. El paquete que llegará al telescopio Hale procedente de Psyche constará de sólo unos pocos fotones, por lo que su decodificación depende de un detector de conteo de fotones extremadamente sensible, enfriado criogénicamente (fabricado con nanocables superconductores) conectado al telescopio. La prueba de comunicaciones ópticas es la culminación de un esfuerzo que lleva una década en desarrollo. 

Si bien la comunicación láser, como los carriles compartidos en las autopistas, podría no prevenir futuros atascos en la Red del Espacio Profundo, podría ayudar a que algunos mensajes eviten los atascos en el espacio.

Fuente: Knowable magazine