El sistema de comunicaciones láser Artemis II de la NASA transmite vídeo 4K desde la luna

Cómo Artemis II transmite impresionantes vídeos desde la luna

Por Adam Bluestein editado por Eric Sullivan

Mientras la misión Artemis II se dirige a un sobrevuelo de la luna, el módulo de tripulación Orion está probando una de las actualizaciones más ambiciosas de la NASA en materia de comunicaciones espaciales hasta el momento: un sistema basado en láser llamado O2O. Abreviatura de Orion Artemis II Optical Communications System, O2O culmina más de dos décadas de trabajo de la NASA y el Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts para construir mejores enlaces de gran ancho de banda para el espacio profundo. El sistema está diseñado para enviar datos a la Tierra a una velocidad de hasta 260 megabits por segundo, mucho más que los enlaces de radio en los que dependían las misiones anteriores. Scientific American habló con algunos de los desarrolladores del sistema sobre cómo funciona.

Que haya luz

“Desde los inicios de la NASA, hemos utilizado lo que se llama comunicaciones por microondas, frecuencias en la región de los gigahercios”, dice Greg Heckler, subdirector del programa SCaN (Comunicaciones y Navegación Espaciales) de la NASA, que financió el sistema O2O. De hecho, la cápsula de la tripulación Orion utilizará esta tecnología más antigua como su sistema de comunicaciones central, conectándose nuevamente a la Red del Espacio Cercano y la Red del Espacio Profundo de la NASA de antenas de radio gigantes repartidas por todo el mundo.

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La NASA ha pasado las últimas dos décadas desarrollando sistemas de comunicaciones ópticas. Al utilizar ráfagas de luz infrarroja (en lugar de microondas) de un láser para codificar datos, estos sistemas pueden mover mucha más información que los sistemas tradicionales y, a menudo, pueden hacerlo con un dispositivo más pequeño y liviano.

Los componentes clave del diseño del O2O ya han sido validados en una serie de demostraciones que se remontan a más de una década. La Demostración de Comunicación Láser Lunar de 2013 mostró velocidades de descarga récord entre la Luna y la Tierra, mientras que misiones más recientes, como la Entrega Infrarroja TeraByte (TBIRD) en un CubeSat en órbita terrestre baja y el experimento de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) en la nave espacial Psyche, han impulsado los enlaces láser a velocidades más altas y distancias más largas. Desde hace más de dos años funciona en la Estación Espacial Internacional un terminal óptico casi idéntico al de Orión. “En todos los casos, hemos establecido nuevos récords en la velocidad de datos”, afirma Heckler. “O2O será nuestra última joya de la corona en la serie de demostraciones”.

Se espera que el O2O, que tiene aproximadamente el tamaño de un gato doméstico, alcance velocidades de datos de hasta 260 megabits por segundo hasta la Tierra y 20 megabits por segundo de regreso a Orión. “Creo que sería feliz si esa fuera la conexión a Internet de su hogar”, dice Heckler. La falta de coincidencia es una función del receptor óptico considerablemente más pequeño de Orion.

Para conversaciones de vídeo bidireccionales, esto se traduce en aproximadamente un segundo de retraso de ida y vuelta. “Es notable”, dice Heckler, “pero no es lo que yo llamaría un impedimento”. La capacidad de tener conversaciones bidireccionales en tiempo real será clave a medida que el programa Artemis avance hacia una presencia humana más continua en la Luna y sus alrededores. “Piense en lo que significa poder realizar una videoconferencia con su familia para un astronauta en la Luna que puede encontrarse en una situación estresante”, dice Heckler.

Un canal de información mejorado también permitirá a los científicos en la Tierra recibir periódicamente datos críticos de la misión del registrador de vuelo en lugar de tener que esperar a que Orion aterrice para recuperarlos. En el futuro, la conectividad bidireccional continua también podría permitir a los científicos pilotear rovers de forma remota y monitorear la infraestructura lunar crítica.

Listo, apunta, dispara

El láser utilizado en el módulo O2O no es nada particularmente sofisticado en lo que respecta a los láseres. “Dependemos en gran medida de lo que utiliza la industria de las telecomunicaciones de fibra para sus láseres y transmisores”, dice Bryan Robinson, líder del grupo de comunicaciones ópticas y cuánticas en el Laboratorio Lincoln del MIT, que construyó la terminal O2O. En este caso, se trata de un láser semiconductor en las mismas longitudes de onda infrarrojas no visibles que se utilizan en las telecomunicaciones. Los amplificadores de fibra dopada con erbio aumentan ese láser a aproximadamente un vatio de potencia óptica emitida desde la apertura.

Cuando un rayo láser de Orión llega a la Tierra, a unos 384.400 kilómetros de distancia, tiene unos 6 kilómetros de diámetro. “Tomemos un puntero láser, que tiene una apertura de unos pocos milímetros”, dice Robinson. “A una distancia de decenas de pies [a few meters]parece un punto muy pequeño en una pantalla. Pero si lo propagaras por el espacio, después de recorrer 400.000 kilómetros como lo hacemos nosotros, sería mucho más grande que el haz que acabo de describir”.

Desde la Luna, un objetivo a 6 kilómetros es minúsculo. “El desafío técnico más importante para la misión es apuntar el láser con suficiente precisión”, dice Robinson. El módulo O2O transmite datos a estaciones terrestres en Nuevo México y California, donde el aire seco y la mínima cobertura de nubes ayudan a preservar el enlace. “En última instancia, para activar el enlace, es necesario que la orientación sea buena básicamente en una milésima de grado”.

Para alcanzar esos objetivos con precisión se requiere saber exactamente dónde está la nave espacial Orion y cómo está orientada, lo cual no es fácil en el espacio. Si bien los rastreadores de estrellas montados en Orion indican hacia dónde apunta el vehículo, las posibles desalineaciones entre los rastreadores de estrellas y la terminal de comunicaciones solo pueden medirse y corregirse por completo una vez en el espacio. “Medimos cuidadosamente cómo estamos alineados con los rastreadores de estrellas”, dice Robinson. “Pero incluso la distancia entre los rastreadores de estrellas y la terminal Orion de la nave espacial puede introducir distorsiones debido a la temperatura y otras cosas que degradan nuestra capacidad de apuntar”.

Para apuntar el láser, el sistema O2O utiliza un telescopio de 10 centímetros montado en un cardán de dos ejes, que puede girar a través de un hemisferio de movimiento completo para alcanzar su objetivo. La óptica trasera (lentes de enfoque de luz, sensores de seguimiento, espejos de dirección rápida y otros componentes) afina el rayo láser. “Mientras la nave espacial nos oriente en el hemisferio derecho, todo estará bien”, afirma Robinson. Pero hay comodines, incluidas posibles obstrucciones de los paneles solares de Orión o del cuerpo de la nave espacial y la incertidumbre sobre qué tan bien el vehículo puede mantener una orientación consistente. “Esperamos que la primera vez que intentemos apuntar el sistema, aprendamos algo sobre el vehículo que realmente no se puede aprender hasta que estás allí y navegando”, dice Robinson.

Habrá un breve apagón en todos los sistemas de comunicaciones cuando Orión pase detrás de la luna. Pero en futuras misiones Artemis, los satélites de retransmisión podrían ayudar a cerrar esa brecha en la cara oculta de la Luna.

Para el público, sin embargo, la recompensa más clara es visible en el vídeo más nítido que O2O envía a casa desde las 28 cámaras de Orion. El sistema transmite vídeo 4K junto con fotografías, datos científicos y comunicaciones de voz. “La cámara es la misión”, dice Heckler. “Queremos asegurarnos de retribuir a los ciudadanos estadounidenses con ese vídeo 4K”.