Banda ancha para Marte: impulso láser para las comunicaciones en el espacio profundo de la NASA

Por Jet Propulsion Laboratory31 de agosto de 2023

El proyecto de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC, por sus siglas en inglés) de la NASA, que se lanzará este otoño, tiene como objetivo explorar las capacidades de los láseres para mejorar la transmisión de datos espaciales.

NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA is testing technologies in space and on the ground that could increase bandwidth to transmit more complex science data and even stream video from MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Marte.

El proyecto de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) de la NASA, que se lanzará este otoño, probará cómo los láseres podrían acelerar la transmisión de datos mucho más allá de la capacidad de los sistemas de radiofrecuencia actuales utilizados en el espacio. Lo que se conoce como una demostración de tecnología, DSOC, puede allanar el camino para las comunicaciones de banda ancha que ayudarán a respaldar el próximo gran salto de la humanidad: cuando la NASA envíe astronautas a Marte.

El transceptor láser de infrarrojo cercano DSOC (un dispositivo que puede enviar y recibir datos) se “acompañará” de la misión Psyche de la NASA cuando se lance a un asteroide del mismo nombre rico en metales en octubre. Durante los primeros dos años del viaje, el transceptor se comunicará con dos estaciones terrestres en el sur de California, probando detectores altamente sensibles, potentes transmisores láser y métodos novedosos para decodificar señales que el transceptor envía desde el espacio profundo.

El transceptor de vuelo de Comunicaciones Ópticas del Espacio Profundo (DSOC) se encuentra dentro de un gran parasol en forma de tubo y un telescopio en la nave espacial Psyche, como se ve aquí dentro de una sala limpia del JPL. Una fotografía anterior, insertada, muestra el conjunto del transceptor antes de que se integrara con la nave espacial. Crédito: NASA/JPL-Caltech

La NASA se centra en la comunicación láser u óptica debido a su potencial para superar el ancho de banda de las ondas de radio, en las que la agencia espacial ha confiado durante más de medio siglo. Tanto las comunicaciones por radio como por láser de infrarrojo cercano utilizan ondas electromagnéticas para transmitir datos, pero la luz del infrarrojo cercano empaqueta los datos en ondas significativamente más estrechas, lo que permite a las estaciones terrestres recibir más datos a la vez.

"El DSOC fue diseñado para demostrar de 10 a 100 veces la capacidad de retorno de datos de los sistemas de radio más modernos que se utilizan hoy en el espacio", dijo Abi Biswas, tecnólogo del proyecto DSOC en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. "Se han demostrado las comunicaciones láser de gran ancho de banda para órbitas cercanas a la Tierra y para satélites en órbita lunar, pero el espacio profundo presenta nuevos desafíos".

Hay más misiones que nunca dirigidas al espacio profundo y prometen producir exponencialmente más datos que misiones anteriores en forma de mediciones científicas complejas, imágenes de alta definición y videos. Por lo tanto, experimentos como DSOC desempeñarán un papel crucial para ayudar a la NASA a avanzar en tecnologías que puedan ser utilizadas rutinariamente por naves espaciales y sistemas terrestres en el futuro.

El Telescopio Hale en el Observatorio Palomar de Caltech en el condado de San Diego, California, recibirá el enlace descendente de datos de alta velocidad desde el transceptor de vuelo DSOC. El telescopio está equipado con un novedoso detector superconductor que es capaz de cronometrar la llegada de fotones individuales desde el espacio profundo. Crédito: Palomar/Caltech

"DSOC representa la siguiente fase de los planes de la NASA para desarrollar tecnologías de comunicación revolucionarias y mejoradas que tengan la capacidad de aumentar las transmisiones de datos desde el espacio, lo cual es fundamental para las ambiciones futuras de la agencia", dijo Trudy Kortes, directora del programa de Misiones de Demostración Tecnológica (TDM). en la sede de la NASA en Washington. "Estamos encantados de tener la oportunidad de probar esta tecnología durante el vuelo de Psyche".

The transceiver riding on Psyche features several new technologies, including a never-before-flown photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">photon-counting camera attached to an 8.6-inch (22-centimeter) aperture telescope that protrudes from the side of the spacecraft. The transceiver will autonomously scan for, and “lock” onto, the high-power near-infrared laser uplink transmitted by the Optical Communication Telescope Laboratory at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Instalación de Table Mountain del JPL cerca de Wrightwood, California. El enlace ascendente láser también demostrará el envío de comandos al transceptor.

"El potente láser de enlace ascendente es una parte fundamental de esta demostración tecnológica para lograr velocidades más altas para las naves espaciales, y las actualizaciones de nuestros sistemas terrestres permitirán las comunicaciones ópticas para futuras misiones en el espacio profundo", dijo Jason Mitchell, ejecutivo del programa de Comunicaciones y Navegación Espaciales (SCaN) de la NASA. ) programa en la sede de la NASA.

Una vez fijado en el láser de enlace ascendente, el transceptor localizará el Telescopio Hale de 200 pulgadas (5,1 metros) en el Observatorio Palomar de Caltech en el condado de San Diego, California, a unas 100 millas (130 kilómetros) al sur de Table Mountain. Luego, el transceptor utilizará su láser de infrarrojo cercano para transmitir datos de alta velocidad hasta Palomar. Las vibraciones de la nave espacial que de otro modo podrían desviar el láser del objetivo serán amortiguadas por puntales de última generación que unen el transceptor a Psyche.

Para recibir el láser de enlace descendente de alta velocidad del transceptor DSOC, el Telescopio Hale ha sido equipado con un novedoso conjunto detector de fotón único de nanocables superconductores. El conjunto se enfría criogénicamente para que se pueda detectar un único fotón láser incidente (una partícula cuántica de luz) y registrar su hora de llegada. Transmitida como un tren de pulsos, la luz láser debe viajar más de 300 millones de kilómetros (200 millones de millas), lo más lejos que estará la nave espacial durante esta demostración técnica, antes de que las débiles señales puedan ser detectadas y procesadas para extraer la información.

"Cada componente del DSOC exhibe nueva tecnología, desde los láseres de enlace ascendente de alta potencia hasta el sistema de orientación en el telescopio del transceptor y hasta los detectores exquisitamente sensibles que pueden contar los fotones individuales a medida que llegan", dijo Bill Klipstein del JPL, responsable del proyecto DSOC. gerente. "El equipo incluso necesitaba desarrollar nuevas técnicas de procesamiento de señales para extraer información de señales tan débiles transmitidas a grandes distancias".

Las inmensas distancias involucradas plantean otro desafío para la demostración tecnológica: cuanto más lejos viaje Psyche, más tardarán los fotones en llegar a su destino, creando un retraso de hasta decenas de minutos. Las posiciones de la Tierra y la nave espacial cambiarán constantemente mientras viajan los fotones láser, por lo que será necesario compensar este retraso.

"Apuntar el láser y fijarlo a millones de millas mientras se aborda el movimiento relativo de la Tierra y Psique plantea un desafío apasionante para nuestro proyecto", dijo Biswas.

DSOC demostrará sus operaciones durante casi dos años después del lanzamiento de la misión Psyche de la NASA mientras se dirige a su sobrevuelo a Marte en 2026. Si bien el transceptor DSOC estará alojado en la nave espacial Psyche, la demostración técnica no transmitirá datos de la misión Psyche. El éxito de cada proyecto se evalúa independientemente del otro.

DSOC es la última de una serie de demostraciones de comunicación óptica financiadas por TDM y SCaN. JPL, una división de Caltech en Pasadena, California, gestiona DSOC para TDM dentro de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA y SCaN dentro de la Dirección de Misiones de Operaciones Espaciales de la agencia.

La misión Psyche está dirigida por la Universidad Estatal de Arizona. JPL es responsable de la gestión general de la misión, la ingeniería de sistemas, la integración y pruebas, y las operaciones de la misión. Psyche es parte del Programa Discovery de la NASA.