Comunicación vía láser entre una nave espacial y la Tierra

Ejemplo futuro de transmisión mediante el nuevo sistema de comunicación vía láser: la Estación Espacial Internacional se comunica con una estación láser terrestre en Hawái mediante el enlace del satélite LCRD. (Ilustración: NASA / Dave Ryan)

La demostración de comunicación por láser entre la Tierra y un vehículo espacial de la NASA está en la recta final de los preparativos para el lanzamiento al espacio de un satélite experimental en diciembre.

La Demostración del retransmisor de comunicaciones láser (LCRD, por sus siglas en inglés) de la NASA, planeada para llevarse a cabo a partir del lanzamiento al espacio previsto para el próximo mes, utilizará sistemas de comunicaciones por láser para transmitir datos a la Tierra desde el espacio.

Las comunicaciones láser transformarán la forma en que la NASA transmite información hacia y desde el espacio

Desde los comienzos de la exploración espacial, la NASA ha utilizado sistemas de radiofrecuencia para comunicarse con los astronautas y las naves espaciales. Sin embargo, a medida que las misiones espaciales generan y recopilan más datos, aumenta la necesidad de mejorar las capacidades de comunicación. LCRD aprovecha el poder de las comunicaciones láser, que utilizan luz infrarroja en lugar de ondas de radio, para codificar y transmitir información hacia y desde la Tierra.

Tanto las ondas de radio como las ondas de luz infrarroja láser son formas de radiación electromagnética con longitudes de onda en diferentes puntos del espectro. Las misiones codifican sus datos científicos en las señales electromagnéticas para retransmitirlas a la Tierra.

La luz infrarroja utilizada para las comunicaciones láser se diferencia de las ondas de radio porque se produce en una frecuencia mucho más alta, lo que permite a los ingenieros incluir más datos en cada transmisión. Disponer de más datos a la vez permite obtener más información y hacer más descubrimientos.

Mediante el empleo de láseres infrarrojos, LCRD enviará datos a la Tierra desde una órbita geosincrónica a 1,2 gigabits por segundo (Gbps). A esta velocidad y distancia, se podría descargar una película en menos de un minuto.

Las comunicaciones láser permitirán que las naves espaciales envíen a la Tierra más datos en una sola descarga

En los inicios de internet, las velocidades de acceso telefónico terrestre a ella eran lentas. La incorporación de comunicaciones láser a las naves espaciales es similar al uso que hoy en día hace la humanidad de la internet de alta velocidad con tecnologías como las redes de fibra óptica; en una sola palabra: revolucionario.

Nuestras conexiones domésticas a internet en estos días permiten que lleguen videos, programas y contenido de alta definición de forma casi instantánea a nuestras pantallas. Esto se debe, en parte, a que las conexiones de fibra óptica envían luz láser con datos densamente comprimidos por medio de cables de plástico o vidrio.

Este mismo concepto —menos los cables de fibra— se aplica a las comunicaciones láser basadas en el espacio, lo que permite que las naves espaciales envíen imágenes y videos de alta resolución a través de enlaces por láser.

Con la implementación de las comunicaciones láser, las naves espaciales pueden retransmitir más datos a la vez en una sola descarga. La NASA y la industria aeroespacial están aprovechando estos nuevos desarrollos y planificando más misiones que utilicen láseres.

LCRD tiene dos módulos ópticos, o telescopios, para recibir y transmitir las señales láser

LCRD es un satélite de retransmisión, con muchos componentes altamente sensibles que proporcionan una mayor cobertura en las comunicaciones. Como transmisor, LCRD elimina la necesidad de que el centro de control de misión en la Tierra deba tener una línea de visión directa hacia la nave con la que quiera comunicarse. LCRD tiene dos terminales ópticas: una terminal recibe datos de la nave espacial de un usuario, mientras que la otra transmite datos a estaciones terrestres en la Tierra.

Los módems de LCRD traducen datos digitales a señales de láser, que luego son transmitidas por los módulos ópticos del retransmisor a través de haces de luz codificados, invisibles para el ojo humano. LCRD puede enviar y recibir datos, creando una ruta continua para el flujo de datos de la misión hacia y desde el espacio. Juntas, estas capacidades hacen que LCRD sea el primer retransmisor óptico bidireccional de extremo a extremo de la NASA.

LCRD depende de dos estaciones terrestres en California y Hawái

Una vez que LCRD recibe información y la codifica, envía los datos a estaciones terrestres en la Tierra, cada una de las cuales está equipada con telescopios para recibir la luz y con módems para traducir nuevamente la luz codificada a datos digitales.

Las estaciones terrestres de LCRD se conocen como Estaciones Terrestres Ópticas (OGS, por sus siglas en inglés) 1 y 2, y están ubicadas en Table Mountain en el sur de California y en el volcán Haleakala en Maui, Hawái.

Si bien las comunicaciones láser pueden proporcionar mayores velocidades de transferencia de datos, las perturbaciones atmosféricas —como las nubes y las turbulencias— pueden interferir con las señales de láser a medida que viajan a través de la atmósfera de la Tierra.

Las ubicaciones para OGS 1 y OGS 2 fueron elegidas por sus condiciones climáticas despejadas y su ubicación remota a gran altitud. La mayor parte de la actividad meteorológica problemática en esas áreas ocurre por debajo de la altitud a la que están ambas estaciones. Estas disfrutan de un cielo relativamente despejado que es perfecto para las comunicaciones láser.

LCRD permite a los socios gubernamentales, académicos y comerciales poner a prueba las capacidades del láser desde una órbita geosincrónica

LCRD demostrará la viabilidad de los sistemas de comunicaciones láser desde una órbita geosincrónica, a unos 35.400 kilómetros (unas 22.000 millas) sobre la superficie de la Tierra.

Antes de dar servicio a otras misiones, LCRD pasará aproximadamente dos años realizando pruebas y experimentos. Durante este tiempo, OGS 1 y OGS 2 actuarán como “misiones”, enviando datos a LCRD desde una estación y luego retransmitiendo desde allí a la otra.

LCRD pondrá a prueba la funcionalidad del láser con experimentos de la NASA, otras agencias gubernamentales, el mundo académico y empresas comerciales. Algunos de estos experimentos incluyen el estudio de las perturbaciones atmosféricas en las señales de láser y pruebas de operaciones de retransmisión.

Estas pruebas permitirán a la comunidad aeroespacial aprender de LCRD y perfeccionar aún más la tecnología para su implementación futura. La NASA ofrece estas oportunidades para aumentar el cúmulo de conocimientos sobre las comunicaciones láser y promover su uso operativo.

Después de su fase experimental, LCRD dará servicio a misiones en el espacio, incluyendo una terminal óptica que será instalada en la Estación Espacial Internacional. Esta terminal recopilará datos de los experimentos científicos a bordo y luego transmitirá la información a LCRD para ser retransmitida a la Tierra.

LCRD es una de las muchas emocionantes misiones láser venideras

LCRD es el primer sistema de retransmisión de comunicaciones láser de la NASA. Sin embargo, existen muchas misiones en desarrollo que demostrarán y pondrán a prueba capacidades adicionales de las comunicaciones láser:

-La carga útil del CubeSat Envío de terabytes por infrarrojo (TBIRD, por sus siglas en inglés) hará demostraciones de enlaces de aire a tierra (downlinks) por láser a 200 Gbps, lo que establecerá un nuevo récord para las velocidades de datos en las comunicaciones por láser.

-El primer usuario de LCRD será el Terminal integrado de amplificador y módem de usuario de órbita terrestre baja de LCRD (ILLUMA-T, por sus siglas en inglés) a bordo de la Estación Espacial Internacional. ILLUMA-T proporcionará al laboratorio en órbita velocidades de datos de 1,2 Gbps para comunicar a la Tierra imágenes y videos de alta resolución de experimentos en curso.

-La terminal Sistema de comunicaciones ópticas Orion Artemis II (O2O, por sus siglas en inglés) permitirá la transmisión de videos de muy alta definición por luz infrarroja entre la Tierra y los astronautas de Artemis II que viajarán alrededor de la Luna.

-Si el lanzamiento al espacio se realiza cuando está previsto y ningún problema durante el viaje lo impide, la sonda espacial Psyche llegará en 2026 a su destino: un asteroide a más de 240 millones de kilómetros de distancia de la Tierra. Psyche transportará la carga útil Comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC, por sus siglas en inglés) para poner a prueba las comunicaciones por láser frente a los desafíos característicos de la exploración del espacio profundo.

Todas estas misiones ayudarán a la comunidad aeroespacial a estandarizar las comunicaciones láser para su implementación en misiones futuras. Con los láseres iluminando el camino, la NASA puede obtener más información que nunca antes acerca del espacio. (Fuente: NASA)