Descargas r¨¢pidas: por qu¨¦ la NASA recurre al l¨¢ser para las comunicaciones espaciales de ¨²ltima generaci¨®n

El cazador de asteroides de la NASA Psyche, recientemente lanzado al espacio, esta? disen?ado para ofrecernos una visio?n de un cuerpo que podri?a asemejarse a las profundidades de la Tierra, donde nunca podremos llegar. Sin embargo, un instrumento que lo acompan?a en su viaje esta? entusiasmando a cienti?ficos 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 pequen?a parte del espectro electromagne?tico. Pero los cienti?ficos esperan ampliar pronto su campo de accio?n a otra parte del espectro. Su objetivo es an?adir el la?ser a nuestras herramientas de comunicacio?n co?smicas.

La misio?n principal de la nave espacial Psyche es explorar un asteroide de 232 kilo?metros de largo, con forma de patata y una o?rbita aproximadamente tres veces ma?s alejada del Sol que la de la Tierra. Una de las principales teori?as sostiene que el asteroide objetivo, llamado tambie?n Psyche, es el nu?cleo meta?lico de un posible antiguo planeta que perdio? su superficie rocosa tras constantes colisiones en el cinturo?n de asteroides entre Marte y Ju?piter.

Si es asi?, explorar su mezcla u?nica de hierro, ni?quel y roca puede ser lo ma?s cerca que estemos de investigar el nu?cleo meta?lico de la Tierra.

La nave tardara? seis an?os en llegar y averiguar si las mediciones del asteroide que sugieren una superficie meta?lica son correctas. De ser asi?, podri?amos encontrarnos con un objeto ma?s extraterrestre de lo que imaginaron los escritores de pulp de los an?os cuarenta y cincuenta, con eyecciones meta?licas congeladas en formas extran?as debido a encuentros con otros asteroides.

Pero los investigadores en comunicaciones espaciales empezara?n a ver resultados mucho antes. La prueba del Deep Space Optical Communications (DSOC, por sus siglas en ingle?s) sera? la primera demostracio?n de comunicacio?n la?ser u o?ptica ma?s alla? de la Luna, y podri?a facilitar el regreso de los astronautas a la Luna y dar el siguiente gran salto: a Marte. Tambie?n representa un paso clave para abrir una nueva era en las comunicaciones espaciales.

Si esta y otras pruebas funcionan como se espera, los la?seres ofrecera?n un impulso necesario para los li?mites 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 ingle?s). Los tres sitios donde se encuentran las antenas de radio de la DSN, cada uno de ellos dominado por una antena parabo?lica de 70 metros y situados a 120 grados de distancia en Espan?a, 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 pequen?os sate?lites 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 Navegacio?n (SCaN) de la NASA. ¡°El 20 % de las peticiones no son atendibles hoy en di?a. El problema solo empeorara? con el tiempo. Sera? del 40 % en 2030¡å.

Y en un futuro pro?ximo se pondra?n en marcha otras 40 misiones espaciales, cada una de las cuales exigira? tiempo de la red de comunicaciones. Y lo que es ma?s importante, algunas de esas misiones sera?n tripuladas, con instrumentos que transmitira?n vi?deo de alta definicio?n y lecturas metabo?licas de los astronautas mientras trabajan en la Luna, construyendo laboratorios y refugios. No querra?n que les digan que deben esperar por un CubeSat comercial, los minisate?lites que transmiten diversos tipos de datos cienti?ficos y proporcionan conectividad a Internet, y que han proliferado en la o?rbita 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 cienti?ficos tambie?n crecera?n. Podri?amos enviar terabytes de datos cada di?a¡±.

En la prueba de demostracio?n recientemente lanzada, los investigadores pretenden aprovechar la mayor capacidad de transporte de informacio?n de la luz la?ser sobre las ondas de radio. Las longitudes de onda o?pticas en el infrarrojo cercano del espectro electromagne?tico son tan pequen?as ¡ªmedidas en nano?metros¡ª y las frecuencias tan altas que pueden contener mucha ma?s informacio?n en el mismo espacio, lo que permite velocidades de transmisio?n de datos entre 10 y 100 veces superiores a las de la radio.

¡°Por eso la o?ptica es una opcio?n tan buena¡±, afirma Mitchell. ¡°Las velocidades de datos son alti?simas¡±.

Para capacidades similares, los sistemas la?ser tambie?n pueden ser ma?s pequen?os que los de radio, por lo que requieren menos energi?a, otro factor importante cuando las naves espaciales viajan a unos cientos de millones de kilo?metros de casa.

Durante la u?ltima de?cada, la NASA ha estado probando la nueva tecnologi?a en distintos entornos, desde la o?rbita terrestre baja hasta la Luna. El instrumento a bordo de Psyche hara? posible la primera prueba en el espacio profundo, un hito importante ya que la comunicacio?n o?ptica presenta inconvenientes. Como el rayo la?ser es estrecho, debe apuntarse hacia los receptores en la Tierra con gran precisio?n, un reto que aumenta con la distancia.

Abhijit Biswas, tecno?logo del proyecto DSOC en el Laboratorio de Propulsio?n a Chorro de la NASA que construyo? el instrumento, compara la dificultad con intentar acertar un tiro a una moneda de diez centavos en movimiento desde una milla (1,6 kilo?metros) de distancia. Incluso una sacudida podri?a interferir: para mantener el transceptor estable en Psyche, el JPL instalo? 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 o?ptico, y el debilitamiento significativo de la sen?al a medida que aumenta la distancia y el haz se dispersa. Esto limita su uso en distancias ma?s alla? de Marte, al menos con la tecnologi?a actual. Por ello, la prueba solo se llevara? a cabo durante los dos primeros an?os de la misio?n, antes de que la nave viaje ma?s lejos, hasta el propio asteroide.

Por estas razones, asi? como por el hecho de que hoy en di?a no existe ninguna red terrestre de receptores o?pticos, nadie predice un momento en que la comunicacio?n por la?ser sustituya a las ondas de radio. Pero podri?a an?adir un nuevo canal. ¡°Las operaciones futuras se disen?ara?n 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, enviara? un paquete de comunicaciones a baja velocidad ¡ªnada exo?tico, principalmente patrones aleatorios, explica Biswas ¡ª a un transceptor la?ser acoplado al telescopio de 8,6 pulgadas (unos 22 centi?metros) de la nave espacial. El instrumento se fijara? en el haz y descargara? el mensaje, utilizando una ca?mara que cuenta las parti?culas de luz, o fotones, antes de retransmitirlo a gran velocidad al telescopio Hale de 200 pulgadas (unos 508 centi?metros) situado en el monte Palomar, cerca de San Diego, donde se podra? comparar su exactitud con el original.

Incluso a distancias ma?s cercanas que Marte, la sen?al la?ser es relativamente fra?gil. El paquete que llega al telescopio Hale procedente de Psyche constara? de solo unos pocos fotones, por lo que su descodificacio?n depende de un detector contador de fotones extremadamente sensible y refrigerado crioge?nicamente (fabricado con nanohilos superconductores) acoplado al telescopio.

Para Biswas, experto en espectroscopia la?ser, la prueba de comunicaciones o?pticas es la culminacio?n de un esfuerzo de una de?cada. ¡°Es muy emocionante¡±, afirma. ¡°Hay muchas cosas que estamos haciendo por primera vez¡±.

Aunque la comunicacio?n por la?ser, como los carriles exclusivos para vehi?culos con varios pasajeros en las autopistas, quiza? no evite futuros atascos en la Red del Espacio Profundo, podri?a ayudar a que algunos mensajes eviten los atascos en el espacio.

Art¨ªculo traducido por Debbie Ponchner.

Este art¨ªculo apareci¨® originalmente en Knowable en espa?ol, una publicaci¨®n sin ¨¢nimo de lucro dedicada a poner el conocimiento cient¨ªfico al alcance de todos.

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