Comunicaciones láser: desarrollando un gran potencial

Este verano boreal tendrá lugar el lanzamiento de la Demostración de relés de comunicaciones láser (Laser Communications Relay Demonstration o LCRD) de la NASA, que demostrará la dinámica capacidad de las comunicaciones con tecnologías láser. Con cada vez más presencia humana y robótica 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, optimizarán aún más las misiones con capacidades de datos sin precedentes.

¿Por qué láser?

A medida que los instrumentos científicos evolucionan para capturar datos de alta definición como videos 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 gran importancia para la NASA a la hora de diseñar y desarrollar proyectos de misiones.

“LCRD demostrará todas las ventajas de usar sistemas láser y nos permitirá aprender cómo usarlos mejor a nivel operativo”, dijo el investigador principal David Israel en el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland. “Con esta capacidad más desarrollada, podemos comenzar a implementar comunicaciones láser en más misiones, convirtiéndola finalmente en una forma estandarizada de enviar y recibir datos”.

Cómo funciona

Tanto las ondas de radio como la luz infrarroja son radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. Al igual que las ondas de radio, la luz infrarroja es invisible para el ojo humano, pero disponemos de ella 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 la comunicación viaja, 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 recibir más datos.

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 una señal de comunicaciones. Sin embargo, un telescopio de comunicaciones láser que apunta a una estación terrestre, debe ser preciso hasta la exactitud cuando se transmite desde miles o millones de kilómetros de distancia. Una desviación de incluso una fracción de grado puede hacer que el láser pierda su objetivo por completo. Los ingenieros de comunicaciones láser de la NASA han diseñado intrincadamente misiones láser para garantizar que esta conexión pueda ser posible.

Demostración de relés de comunicaciones láser

Ubicado en órbita geosincrónica, a unos 35.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, LCRD podrá dar soporte a misiones de espacio cercano a la Tierra. LCRD pasará sus primeros dos años probando las capacidades de comunicaciones láser con numerosos experimentos para refinar aún más la tecnología 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 Hawái, las Estaciones Terrestres Ópticas 1 y 2, como simulación de usuarios. 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 de experimento, 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 de LCRD en el espacio será el terminal de amplificador y módem de usuario de órbita terrestre baja integrado (ILLUMA-T, por sus siglas en inglés) de la NASA, que se lanzará a la Estación Espacial Internacional en 2022. El terminal recibirá datos científicos de alta calidad de experimentos e instrumentos a bordo de la estación espacial y luego transferirá estos datos a LCRD a 1,2 gigabits por segundo. Después, LCRD lo transmitirá a las estaciones terrestres a la misma velocidad.

LCRD e ILLUMA-T siguen la innovadora Demostración de Comunicación Lunar Láser (LLCD, por sus siglas en inglés) de 2013, que transmitió datos a través de una señal láser a 622 megabits por segundo, lo que demostró 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 nuestro 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.

Por Katherine Schauer​

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Traducido por CEV-MDSCC

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