Tras las pruebas exitosas de la tecnología DSOC en la órbita terrestre y en la Luna, la NASA ahora está utilizando tecnologías de comunicaciones ópticas del espacio profundo para probar comunicaciones láser a distancias cada vez mayores. Mientras estaba a bordo de la misión Psyche de la agencia, DSOC ya envió video vía láser a la Tierra desde 31 millones de kilómetros (19 millones de millas) de distancia y su objetivo es demostrar que se pueden enviar datos de alto rendimiento incluso desde Marte.
La misión Psyche de la NASA se lanzó el 13 de octubre de 2023 con el objetivo de explorar lo que podría ser el núcleo metálico expuesto del antiguo planeta. La demostración de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) de la NASA probará el uso de láseres para transmitir y recibir más datos desde naves espaciales distantes de lo que es posible con las ondas de radio utilizadas actualmente.
Usar un rayo láser estrecho para comunicarse con una nave espacial a 300 millones de kilómetros de distancia es un desafío tanto a escala interplanetaria como cuántica. Sin embargo, si tiene éxito, la demostración DSOC podría abrir un mundo completamente nuevo de posibilidades para futuras misiones al espacio profundo.
“La tecnología de fibra óptica en la Tierra ha permitido velocidades de transferencia de datos increíbles para aplicaciones como Internet”, dice Clemens Hees, jefe de tecnología óptica del Centro Europeo de Operaciones Espaciales de la ESA (Agencia Espacial Europea) en Darmstadt, Alemania. “Sin embargo, la transmisión de datos desde naves espaciales a distancias interplanetarias todavía se limita al uso de ondas de radio”.
“Ya hemos demostrado que las comunicaciones ópticas pueden proporcionar velocidades de datos mucho más altas para los satélites de observación de la Tierra y los satélites de telecomunicaciones en órbitas terrestres bajas. Pero para utilizarlo a largas distancias en el espacio, necesitamos láseres potentes y de alta precisión y detectores de fotón único ultrasensibles, que todavía no existen con las características necesarias”.
Utilizando pulsos de luz a una frecuencia más alta que las ondas de radio, las comunicaciones ópticas pueden transmitir más datos en un período de tiempo determinado. Esta mayor velocidad de datos podría permitir que futuras misiones al espacio profundo a ciertas distancias de la Tierra utilicen instrumentos científicos más sofisticados y devuelvan muchos más datos de los que son posibles actualmente.
Sin embargo, probar nueva tecnología en una misión al espacio profundo, donde cada kilogramo de carga útil debe seleccionarse cuidadosamente, es una oportunidad única. El DSOC de la NASA es la primera oportunidad para generar confianza en las comunicaciones ópticas del espacio profundo y mejorar su preparación para su uso en misiones espaciales. La ESA y la NASA tienen una asociación de larga data en comunicaciones e interoperabilidad en el espacio profundo.
Esta colaboración permite que las naves espaciales de la ESA se comuniquen con las estaciones terrestres de la NASA y las misiones de la NASA se comuniquen con las estaciones Estrack de la ESA, de forma similar a cómo los teléfonos móviles europeos son compatibles con las redes celulares de EE. UU. y viceversa. Este sistema de compatibilidad cruzada permite comunicaciones fluidas a través de vastas distancias interplanetarias y simboliza una fuerte cooperación internacional en la exploración espacial.
Ambas agencias están desarrollando su propia infraestructura terrestre para comunicarse con DSOC. Esta infraestructura terrestre debe construirse a gran altura para evitar la mayor influencia posible de la atmósfera terrestre y la capa de nubes. Por ejemplo, las instalaciones de la NASA están ubicadas en las regiones montañosas de California, lo que permite que allí existan condiciones atmosféricas limpias. La ESA opera el telescopio Aristarco de 2,3 metros situado a 2.340 m en el Observatorio de Chelmos en Grecia.
Ambos observatorios son propiedad y están operados por el Instituto de Astronomía y Astrofísica, Aplicaciones Espaciales y Teledetección (IAASARS) del Observatorio Nacional de Atenas, socio clave en esta demostración de DSOC, el enlace óptico más largo jamás realizado en Europa. El receptor láser terrestre de la ESA para comunicaciones en el espacio profundo será una unidad receptora compleja conocida como “banco óptico”. Este receptor se montará de forma segura en la parte posterior del telescopio Aristarco.
“El detector del receptor debe ser muy sensible para detectar partículas cuánticas individuales de luz (fotones) del DSOC enviadas a cientos de millones de kilómetros”, dice Sinda Mezhri, ingeniera óptica principal del sistema receptor láser terrestre de la ESA. “Para detectar fotones individuales, el detector debe ser superconductor, es decir, que pueda conducir electricidad sin ninguna resistencia. Para ello, el detector receptor se enfriará a -272,15 grados Celsius (1 Kelvin). La absorción de un fotón altera el estado superconductor del detector, creando un pulso eléctrico mensurable”.
El detector también enfrenta un desafío único: debe estar enfriado criogénicamente pero aún así poder moverse cuando el telescopio gira y sigue a la nave espacial a través del cielo. Los sistemas criogénicos suelen resistir el movimiento y mantener un enfriamiento constante mientras se mueven es otro desafío tecnológico importante.
El receptor láser terrestre también incluye componentes electrónicos para monitorear la intensidad de la señal del DSOC. Si la señal se debilita, el sistema ajustará automáticamente la posición del telescopio para mantener la intensidad de la señal y transmitirá esta información a un transmisor láser a 37 km de distancia, asegurando una alineación precisa. Una instalación de este tipo requiere el desarrollo de software especializado para coordinar eficazmente estas operaciones.
“El láser debe ser tan potente que destruiría la capa protectora de sus componentes ópticos y espejos y derretiría la fibra óptica convencional si no se tomaran las precauciones necesarias durante su diseño”, dice el ingeniero óptico jefe del Transmisor Láser Terrestre de la ESA, Andrea Di Mira. “Y combinamos hasta siete haces separados que deben funcionar juntos a la perfección”.
Combinando siete haces, el láser de la ESA podrá transmitir fotones codificados con información lo suficientemente brillante como para que DSOC los detecte a una distancia de aproximadamente 1,5 a 2,5 unidades astronómicas (220 a 370 millones de kilómetros) de la Tierra. Estas distancias serían típicas, por ejemplo, para una futura misión a Marte. La NASA cree que puede extender esta tecnología a distancias aún mayores. Además de un alto brillo, el rayo láser debe apuntar con precisión hacia la nave espacial distante. La precisión requerida es similar a apuntar con un puntero láser desde la Tierra a un pequeño cráter de la Luna.
La participación de la ESA en la demostración DSOC fue posible gracias a un consorcio de empresas europeas entre las que se encontraban qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems y NKT Photonics Ltd, así como el Observatorio Nacional de Atenas, que proporciona acceso a Helmos y el Observatorio Kryoneri. El proyecto está financiado a través del Programa General de Apoyo Tecnológico de la ESA y el Elemento de Desarrollo Tecnológico.
“Con este proyecto realmente estamos desafiando a la industria europea”, afirma Cinda Mejri. “Pero aceptaron con gusto el desafío. El trabajo que están haciendo aquí también podría darles una ventaja en el desarrollo de tecnologías importantes para aplicaciones como la distribución de claves cuánticas, utilizada para comunicaciones seguras, y la obtención de imágenes cuánticas”.
Los experimentos DSOC de la ESA tendrán lugar en 2025, cuando la nave espacial esté lo suficientemente lejos de la Tierra como para ser representativa de futuras misiones de exploración y ciencia del espacio profundo. Si tiene éxito, la demostración podría allanar el camino para una nueva generación de exploración del sistema solar y el desarrollo de estaciones de comunicaciones ópticas en el espacio profundo en la Tierra.
DSOC opera junto con la misión Psyche de la NASA, pero no transmitirá datos a la misión Psyche. El objetivo principal de la misión Psyche es explorar el misterioso asteroide del mismo nombre rico en metales. Los científicos creen que los planetas terrestres rocosos como la Tierra contienen núcleos metálicos, pero su ubicación tan profunda debajo de la superficie hace que sea difícil estudiarlos. El asteroide Psyche ofrece una oportunidad única para estudiar la historia y la formación de los planetas terrestres.
Psyche fue descubierto por primera vez por el astrónomo italiano Annibale de Gasparis en 1852 y fue el decimosexto asteroide jamás descubierto. Casi dos siglos después, Italia alberga ahora la Dirección de Protección Planetaria de la ESA, que está especialmente entusiasmada por ver los resultados de la misión Psyche. La comprensión de la humanidad sobre los asteroides está creciendo rápidamente: estamos mejorando en la detección de pequeños asteroides antes de que choquen con la Tierra, detectando los que vuelan cerca, acercándonos a ellos para estudiarlos con naves espaciales e incluso devolviendo muestras de asteroides a la Tierra.
La misión Psyche y la demostración de tecnología DSOC que la acompaña avanzarán en nuestra comprensión de los orígenes de nuestro Universo y mejorarán nuestra capacidad de transmitir grandes volúmenes de datos científicos a la Tierra.
“DSN es el corazón de la NASA. Tiene la misión vital de garantizar el flujo de datos entre la Tierra y el espacio”, dijo Philip Baldwin, director interino de la División de Servicios de Red SCaN en la sede de la NASA en Washington. “Pero para respaldar nuestra creciente cartera de misiones robóticas, y ahora la misión humana Artemisa a la Luna, debemos avanzar en la siguiente fase de modernización de DSN”.
Al mismo tiempo, “las comunicaciones láser podrían cambiar la forma en que la NASA se comunica con las misiones al espacio profundo”, afirmó Amy Smith, subdirectora del proyecto DSN en el Jet Propulsion Laboratory. “La NASA está demostrando que las comunicaciones láser son viables, por lo que ahora estamos buscando formas de construir terminales ópticos dentro de las antenas de radio existentes. Estas antenas híbridas seguirán siendo capaces de transmitir y recibir frecuencias de radio, pero también admitirán frecuencias ópticas”.