La comunicación láser, también conocida como comunicación óptica, potenciará aún más las misiones con capacidades de transmisión de datos sin precedentes. En verano de 2021 la demostración de relé de comunicaciones láser de la NASA (LCRD) mostrará los poderes dinámicos de las tecnologías de este tipo de comunicaciones. Con la presencia humana y robótica cada vez mayor de la NASA en el espacio, las misiones pueden beneficiarse de una nueva forma de «hablar» con la Tierra.
Desde el comienzo de los vuelos espaciales en la década de 1950, las misiones de la NASA han aprovechado las comunicaciones por radiofrecuencia para enviar datos desde y hacia el espacio. Las comunicaciones láser , también conocidas como comunicaciones ópticas, potenciarán aún más las misiones con capacidades de datos sin precedentes.
¿Por qué usar láser para transmitir datos?
A medida que los instrumentos científicos evolucionan para capturar datos de alta definición como video 4K, las misiones necesitarán formas rápidas de transmitir información a la Tierra. Con las comunicaciones láser, la NASA puede acelerar significativamente el proceso de transferencia de datos y potenciar más descubrimientos.
Las comunicaciones láser permitirán que se transmitan de 10 a 100 veces más datos a la Tierra que los sistemas de radiofrecuencia actuales.
Se necesitarían aproximadamente nueve semanas para transmitir un mapa completo de Marte a la Tierra con los sistemas de radiofrecuencia actuales. Con láseres, llevaría unos nueve días.
Además, los sistemas de comunicaciones láser son ideales para misiones porque necesitan menos volumen, peso y potencia. Menos masa significa más espacio para los instrumentos científicos, y menos energía significa menos drenaje de los sistemas de energía de las naves espaciales. Todas estas son consideraciones de importancia crítica para la NASA al diseñar y desarrollar conceptos de misión.
“LCRD demostrará todas las ventajas del uso de sistemas láser y nos permitirá aprender cómo usarlos mejor operativamente” —dijo el investigador principal David Israel en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland—. «Con esta capacidad más probada, podemos comenzar a implementar comunicaciones láser en más misiones, convirtiéndola en una forma estandarizada de enviar y recibir datos».
Utilizando la luz infrarroja para las comunicaciones
Tanto las ondas de radio como la luz infrarroja son radiación electromagnética con longitudes de onda en diferentes puntos del espectro electromagnético. Al igual que las ondas de radio, la luz infrarroja es invisible para el ojo humano, pero la encontramos todos los días con cosas como controles remotos de televisión y lámparas de calor.
Las misiones modulan sus datos en las señales electromagnéticas para atravesar las distancias entre las naves espaciales y las estaciones terrestres de la Tierra. A medida que viaja la comunicación, las ondas se extienden.
La luz infrarroja utilizada para las comunicaciones láser se diferencia de las ondas de radio porque la luz infrarroja 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.
Los terminales de comunicaciones láser en el espacio utilizan anchos de haz más estrechos que los sistemas de radiofrecuencia, proporcionando «huellas» más pequeñas que pueden minimizar la interferencia o mejorar la seguridad al reducir drásticamente el área geográfica donde alguien podría interceptar un enlace de comunicaciones. Sin embargo, un telescopio de comunicaciones láser que apunta a una estación terrestre debe ser exacto cuando se transmite desde miles o millones de millas de distancia. Una desviación de incluso una fracción de grado puede hacer que el láser pierda su objetivo por completo. Como un central que envía una pelota de fútbol a un delantero, necesita saber dónde enviar la pelota, es decir, la señal, para que el receptor pueda atrapar la pelota con calma. Los ingenieros de comunicaciones láser de la NASA han diseñado intrincadamente misiones láser para garantizar que esta conexión pueda suceder.
Demostración de relés de comunicaciones láser
Ubicado en órbita geosincrónica, a unas 22,000 millas sobre la Tierra, LCRD podrá apoyar misiones en la región cercana a la Tierra. LCRD pasará sus primeros dos años probando las capacidades de comunicaciones láser con numerosos experimentos para refinar aún más las tecnologías láser, aumentando nuestro conocimiento sobre posibles aplicaciones futuras.
La fase de experimento inicial de LCRD aprovechará las estaciones terrestres de la misión en California y Hawai , las estaciones terrestres ópticas 1 y 2, como usuarios simulados. Esto permitirá a la NASA evaluar las perturbaciones atmosféricas en los láseres y practicar el cambio de soporte de un usuario a otro.
Después de la fase experimental, LCRD pasará a apoyar misiones espaciales, enviando y recibiendo datos hacia y desde satélites a través de láseres infrarrojos para demostrar los beneficios de un sistema de retransmisión de comunicaciones por láser.
El primer usuario en el espacio de LCRD será de la NASA que ha integrado el módem LCRD órbita terrestre baja de usuario y Amplificador Terminal (Illuma-T) para su lanzamiento a la Estación Espacial Internacional en 2022. Proporcionará a la estación un terminal de comunicaciones láser de última generación con un tamaño, peso, potencia y velocidades de datos mejorados en comparación con los sistemas de radio comparables.
ILLUMA-T incorpora una tecnología emergente, fotónica integrada, que se espera que transforme cualquier tecnología que emplee luz. Esto incluye todo, desde comunicaciones por Internet a través de cable de fibra óptica hasta espectrómetros, detectores químicos y sistemas de vigilancia, por nombrar solo algunos.
El terminal recibirá datos de experimentos científicos de alta calidad de instrumentos a bordo de la estación espacial y transferirá estos datos a LCRD a 1,2 gigabits por segundo. Luego, LCRD lo transmitirá a las estaciones terrestres a la misma velocidad.
LCRD e ILLUMA-T siguen la innovadora demostración de comunicaciones láser lunar de 2013 , que transmitió datos a través de una señal láser a 622 megabits por segundo, lo que demuestra las capacidades de los sistemas láser en la Luna. La NASA tiene muchas otras misiones de comunicaciones láser actualmente en diferentes etapas de desarrollo. Cada una de estas misiones aumentará el conocimiento sobre los beneficios y desafíos de las comunicaciones láser y estandarizará aún más la tecnología.
Está previsto que LCRD se lance como carga útil en una nave espacial del Departamento de Defensa el 23 de junio de 2021.
Imagen de encabezado: Ilustración del programa de pruebas espaciales Satellite-6 (STPSat-6) del Departamento de Defensa de EE. UU. Con la carga útil de demostración de relé de comunicaciones láser (LCRD) que comunica datos a través de enlaces infrarrojos. Crédito: NASA
