Descargas rápidas: por qué la NASA recurre al láser para las comunicaciones espaciales de última generación

El cazador de asteroides de la NASA Psyche, recientemente lanzado al espacio, está diseñado para ofrecernos una visión de un cuerpo que podría asemejarse a las profundidades de la Tierra, donde nunca podremos llegar. Sin embargo, un instrumento que lo acompaña en su viaje está entusiasmando a científicos especializados en un campo completamente distinto: el de las comunicaciones espaciales. Desde los albores de la era espacial, esas comunicaciones han dependido de las ondas de radio, solo una pequeña parte del espectro electromagnético. Pero los científicos esperan ampliar pronto su campo de acción a otra parte del espectro. Su objetivo es añadir el láser a nuestras herramientas de comunicación cósmicas.

La misión principal de la nave espacial Psyche es explorar un asteroide de 232 kilómetros de largo, con forma de patata y una órbita aproximadamente tres veces más alejada del Sol que la de la Tierra. Una de las principales teorías sostiene que el asteroide objetivo, llamado también Psyche, es el núcleo metálico de un posible antiguo planeta que perdió su superficie rocosa tras constantes colisiones en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.

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

La nave tardará seis años en llegar y averiguar si las mediciones del asteroide que sugieren una superficie metálica son correctas. De ser así, podríamos encontrarnos con un objeto más extraterrestre de lo que imaginaron los escritores de pulp de los años cuarenta y cincuenta, con eyecciones metálicas congeladas en formas extrañas debido a encuentros con otros asteroides.

Pero los investigadores en comunicaciones espaciales empezarán a ver resultados mucho antes. La prueba del Deep Space Optical Communications (DSOC, por sus siglas en inglés) será la primera demostración de comunicación láser u óptica más allá de la Luna, y podría facilitar el regreso de los astronautas a la Luna y dar el siguiente gran salto: a Marte. También representa un paso clave para abrir una nueva era en las comunicaciones espaciales.

Si esta y otras pruebas funcionan como se espera, los láseres ofrecerán un impulso necesario para los límites de ancho de banda a los que se enfrenta el principal sistema de comunicaciones fuera del planeta, denominado Red de Espacio Profundo (DSN, por sus siglas en inglés). Los tres sitios donde se encuentran las antenas de radio de la DSN, cada uno de ellos dominado por una antena parabólica de 70 metros y situados a 120 grados de distancia en España, Australia y el desierto de California, se enfrentan a un atasco de grandes proporciones. Actualmente, las demandas de docenas de misiones espaciales, desde el telescopio James Webb hasta pequeños satélites comerciales (que pagan por el servicio) deben competir por el tiempo de la red.

“Puede haber peticiones en conflicto entre varias misiones”, afirma Mike Levesque, director del proyecto DSN en la oficina de Comunicaciones Espaciales y Navegación (SCaN) de la NASA. “El 20 % de las peticiones no son atendibles hoy en día. El problema solo empeorará con el tiempo. Será del 40 % en 2030″.

Y en un futuro próximo se pondrán en marcha otras 40 misiones espaciales, cada una de las cuales exigirá tiempo de la red de comunicaciones. Y lo que es más importante, algunas de esas misiones serán tripuladas, con instrumentos que transmitirán vídeo de alta definición y lecturas metabólicas de los astronautas mientras trabajan en la Luna, construyendo laboratorios y refugios. No querrán que les digan que deben esperar por 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.

“Los retrasos pueden ser aceptables para la ciencia, pero para las misiones humanas necesitamos todas las manos en la masa”, afirma Jason Mitchell, ejecutivo de programas de SCaN. “A medida que veamos lo que quieren los astronautas humanos cuando vayamos a la Luna y planifiquemos para ir a Marte, los instrumentos científicos también crecerán. Podríamos enviar terabytes de datos cada día”.

En la prueba de demostración recientemente lanzada, los investigadores pretenden aprovechar la mayor capacidad de transporte de información de la luz láser sobre las ondas de radio. Las longitudes de onda ópticas en el infrarrojo cercano del espectro electromagnético son tan pequeñas —medidas en nanómetros— y las frecuencias tan altas que pueden contener mucha más información en el mismo espacio, lo que permite velocidades de transmisión de datos entre 10 y 100 veces superiores a las de la radio.

“Por eso la óptica es una opción tan buena”, afirma Mitchell. “Las velocidades de datos son altísimas”.

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

Durante la última década, la NASA ha estado probando la nueva tecnología en distintos entornos, desde la órbita terrestre baja hasta la Luna. El instrumento a bordo de Psyche hará posible la primera prueba en el espacio profundo, un hito importante ya que la comunicación óptica presenta inconvenientes. Como el rayo láser es estrecho, debe apuntarse hacia los receptores en la Tierra con gran precisión, un reto que aumenta con la distancia.

Abhijit Biswas, tecnólogo del proyecto DSOC en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que construyó el instrumento, compara la dificultad con intentar acertar un tiro a una moneda de diez centavos en movimiento desde una milla (1,6 kilómetros) de distancia. Incluso una sacudida podría interferir: para mantener el transceptor estable en Psyche, el JPL instaló puntales y actuadores especiales para aislarlo de las vibraciones de la nave espacial de 81 pies (unos 25 metros) de largo.

Otros problemas potenciales son las nubes en la Tierra, que pueden bloquear el haz óptico, y el debilitamiento significativo de la señal a medida que aumenta la distancia y el haz se dispersa. Esto limita su uso en distancias más allá de Marte, al menos con la tecnología actual. Por ello, la prueba solo se llevará a cabo durante los dos primeros años de la misión, antes de que la nave viaje más lejos, hasta el propio asteroide.

Por estas razones, así como por el hecho de que hoy en día no existe ninguna red terrestre de receptores ópticos, nadie predice un momento en que la comunicación por láser sustituya a las ondas de radio. Pero podría añadir un nuevo canal. “Las operaciones futuras se diseñarán para la diversidad”, afirma Biswas.

Durante las pruebas a bordo de Psyche, un transmisor de cinco kilovatios situado en Table Mountain, en el sur de California, enviará un paquete de comunicaciones a baja velocidad —nada exótico, principalmente patrones aleatorios, explica Biswas — a un transceptor láser acoplado al telescopio de 8,6 pulgadas (unos 22 centímetros) 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 retransmitirlo a gran velocidad al telescopio Hale de 200 pulgadas (unos 508 centímetros) situado en el monte Palomar, cerca de San Diego, donde se podrá comparar su exactitud con el original.

Incluso a distancias más cercanas que Marte, la señal láser es relativamente frágil. El paquete que llega al telescopio Hale procedente de Psyche constará de solo unos pocos fotones, por lo que su descodificación depende de un detector contador de fotones extremadamente sensible y refrigerado criogénicamente (fabricado con nanohilos superconductores) acoplado al telescopio.

Para Biswas, experto en espectroscopia láser, la prueba de comunicaciones ópticas es la culminación de un esfuerzo de una década. “Es muy emocionante”, afirma. “Hay muchas cosas que estamos haciendo por primera vez”.

Aunque la comunicación por láser, como los carriles exclusivos para vehículos con varios pasajeros en las autopistas, quizá no evite futuros atascos en la Red del Espacio Profundo, podría ayudar a que algunos mensajes eviten los atascos en el espacio.

Artículo traducido por Debbie Ponchner.

Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos.

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