Cómo es el innovador sistema láser que la NASA usará para comunicarse cuando regrese a la Luna

Llegar a la Luna es una de las premisas más importantes que tiene la humanidad en los próximos años, y según la NASA se concretaría a fines de 2025 o principios de 2026.

Pero para que eso suceda se tienen que dar millones de combinaciones y pasos. Y uno concreto y muy importante es que los futuros astronautas que vuelvan a pisar el satélite natural de la Tierra y los operadores en el Centro de Control de Vuelo estén permanentemente bien comunicados.

Por eso, la NASA está trabajando con socios de la industria privada y pequeñas empresas en el programa Artemis para producir sistemas de comunicaciones avanzados. Y éstos son a base de tecnología láser, los cuales podrían permitir una mayor exploración y descubrimiento más allá de la Tierra para el beneficio de toda la humanidad.

Es que está comprobado al día de hoy que las comunicaciones láser u ópticas proporcionan a las misiones espaciales mayores velocidades de datos, que las que utilizan ondas de radio tradicionales.

Cuando una nave espacial utiliza comunicaciones láser para enviar información, la luz infrarroja empaqueta los datos en ondas más estrechas para que las estaciones terrestres en la Tierra puedan recibir más datos a la vez. Así, los sistemas de comunicaciones láser pueden proporcionar velocidades de datos de 10 a 100 veces más altas que los sistemas de radio utilizados en las misiones espaciales actuales.

Por eso, la NASA está trabajando en el programa de navegación y comunicaciones espaciales SCaN, para la Red del Espacio Cercano y la Red del Espacio Profundo garantizando la disponibilidad y asignación del espectro de radiofrecuencia para todos sus programas.

Así, SCaN es responsable de desarrollar una arquitectura integrada de navegación y comunicaciones espaciales para respaldar los programas de exploración humana y científica hasta 2040. Esta fecha no solamente contempla el intento de volver a la Luna para establecer en ella una colonia, sino también el ambicioso proyecto de pisar por primera ver otro planeta: Marte.

Los científicos afirman que a medida que los instrumentos científicos evolucionen para capturar datos de alta definición, las misiones necesitarán formas más rápidas de transmitir información a la Tierra. Se necesitarían aproximadamente 9 semanas para transmitir un mapa completo de Marte a la Tierra con los sistemas de radiofrecuencia actuales. Con los láseres, sólo se necesitarían unos 9 días.

Tanto las ondas de radio como la luz infrarroja son radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda en diferentes puntos del espectro electromagnético.

La luz infrarroja utilizada para las comunicaciones láser se diferencia de las ondas de radio porque empaqueta los datos en ondas significativamente más estrechas, lo que significa que las estaciones terrestres pueden recibir más datos a la vez. Si bien las comunicaciones láser no son necesariamente más rápidas, se pueden transmitir más datos en un enlace descendente.

El paso crítico hacia las comunicaciones ópticas proporcionará numerosos beneficios a las misiones de usuarios de la NASA. A pesar de todos sus beneficios, las comunicaciones ópticas aún enfrentan varios desafíos.

A pesar de todos sus beneficios, las comunicaciones ópticas aún enfrentan varios desafíos. A diferencia de las comunicaciones por radio, que pueden enviarse en un haz amplio que cubre las áreas objetivo con su señal, las comunicaciones ópticas se envían en un haz relativamente estrecho que apunta directamente a un receptor. Cuando se transmite desde miles o millones de kilómetros de distancia, el apuntamiento de un telescopio óptico de comunicaciones debe ser extremadamente preciso. Una desviación de incluso una fracción de grado puede provocar que el láser pierda por completo su objetivo.

Para mejorar la adquisición asistida por balizas de comunicaciones ópticas, Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN) está desarrollando balizas cerca de los receptores a las que las naves espaciales pueden fijarse. Al igual que los láseres terrestres, el haz de los láseres ópticos espaciales se extiende o se dispersa. Cuando esto ocurre, la luz se vuelve menos densa y los datos son más difíciles de recuperar. Se están desarrollando receptores especiales llamados detectores de conteo de fotones para detectar fotones individuales mientras viajan en el haz óptico desde el espacio a la Tierra.

Incluso la atmósfera de la Tierra interfiere con las comunicaciones ópticas. Las nubes y la niebla pueden interrumpir un láser. Una solución a esto es construir múltiples estaciones terrestres, que son telescopios en la Tierra que reciben ondas infrarrojas. Si está nublado en una estación, las ondas se pueden redirigir a otra estación terrestre. Con más estaciones terrestres, la red puede ser más flexible durante el mal tiempo. SCaN también está investigando múltiples enfoques, como redes tolerantes a retrasos/interrupciones y conjuntos de satélites para ayudar a abordar los desafíos derivados de medios atmosféricos.

• Más rápido: velocidades de datos más altas pueden permitir un mayor volumen de datos para misiones que han podido generar muchos más datos de los que podrían transmitir, o permitir nuevos instrumentos de “alta definición” que recopilen mayores volúmenes de datos. No es que los datos viajen más rápido con las comunicaciones ópticas en comparación con las comunicaciones por radio. En cambio, los enlaces con velocidades de datos más altas permitirán que los datos de la misión se descarguen utilizando tiempos de contacto más cortos, lo que resultará en el uso de menos energía a bordo de las naves espaciales y requerirá menos terminales de retransmisión y sitios terrestres para respaldar las misiones. Por tanto, el proceso se acelera.
• Seguro: los terminales de comunicaciones ópticas utilizan anchos de haz más estrechos que los sistemas de radiofrecuencia (RF). Proporcionan “huellas” iluminadas más pequeñas que mejoran la seguridad al reducir drásticamente el área geográfica donde se puede interceptar/recibir un enlace de comunicaciones.
• Más livianas: Las terminales de vuelo de comunicaciones ópticas reducen el tamaño, el peso y la potencia del usuario (SWAP) porque son más pequeñas, livianas y requieren menos energía que los equipos de comunicaciones por RF tradicionales. Reducir el SWAP de los sistemas de comunicaciones a bordo puede proporcionar a la misión anfitriona una mayor capacidad para instrumentos científicos o permitir ahorros de costos.
• Flexible: Las comunicaciones ópticas abren la posibilidad de construir segmentos terrestres de bajo costo (para misiones terrestres bajas) que pueden ubicarse en sitios de misión o centros de datos, lo que permite reducir costos al disminuir los costos de transmisión de datos terrestres y consolidar ciertas funciones de operaciones de la misión.

A través de una colaboración de pequeñas empresas, el Programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales (SCaN) de la NASA financió el desarrollo exitoso de una nueva pieza de tecnología láser. Construida por Fibertek Inc., la terminal láser óptica Basestation es una unidad láser de cuatro canales que podría permitir la transmisión de comunicaciones de alta potencia a la Luna durante la prueba de vuelo Artemis II, programada para 2024

Artemis II enviará una tripulación de cuatro astronautas en un viaje alrededor de la Luna y los traerá de regreso sanos y salvos, allanando el camino para futuras misiones de exploración humana a largo plazo a la superficie lunar y, finalmente, a Marte.

Conocida como Sistema de Comunicaciones Ópticas Orion Artemis II, la demostración Artemis II utilizará comunicaciones láser para transmitir imágenes y vídeos de alta resolución de la región lunar a dos estaciones terrestres. Una de las dos estaciones terrestres, ubicada en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, es la Terminal Óptica de Bajo Costo.

En septiembre de 2023, la tecnología de Fibertek se integró en la estación terrestre terminal de bajo costo de la NASA y se probó con éxito.

“Las comunicaciones láser, centradas en enlaces directos a la Tierra, son una tecnología en proceso de maduración que es esencial para que la NASA satisfaga su futura capacidad de comunicaciones y necesidades de navegación. A medida que maduramos cualquier tecnología, es vital establecer y respaldar una cadena de suministro”, dijo el Dr. Jason Mitchell, director de la División de Tecnologías de Navegación y Comunicaciones Avanzadas de SCaN en la sede de la NASA en Washington. "

El sueño de la NASA para enviar humanos de regreso a la Luna por primera vez en 50 años, será impulsado por nuevas tecnologías láser que permitirán sistemas de comunicaciones más eficientes, ampliando el conocimiento de la humanidad sobre nuestra Luna y más allá.