Aprovechando la Tecnología Láser para Entregar Datos de Misiones de la NASA a la Tierra

La NASA lanza satélites, rovers y orbitadores para investigar el lugar de la humanidad en la Vía Láctea. Cuando estas misiones llegan a sus destinos, sus instrumentos científicos capturan imágenes, videos y valiosos conocimientos sobre el cosmos. La infraestructura de comunicaciones en el espacio y en tierra permite que los datos recopilados por estas misiones lleguen a la Tierra. Sin estaciones terrestres para recibirlos, sin embargo, los extraordinarios datos capturados por estas misiones quedarían atrapados en el espacio, incapaces de llegar a científicos e investigadores en la Tierra.

Desde el amanecer de la exploración espacial, las misiones de la NASA han dependido principalmente de comunicaciones por radiofrecuencia para esta transferencia de información. La Demostración de Comunicaciones Láser de Retransmisión (LCRD) basada en el espacio de la NASA mostrará comunicaciones láser —una forma revolucionaria de comunicar datos del espacio a tierra.

Las estaciones terrestres de LCRD, conocidas como Estación Terrestre Óptica (OGS) -1 y -2, están ubicadas en Table Mountain, California, y Haleakalā, Hawái. Estos lugares remotos y de gran altitud fueron elegidos por sus condiciones climáticas claras. Si bien las comunicaciones láser pueden proporcionar tasas de transferencia de datos aumentadas, perturbaciones atmosféricas como nubes y turbulencia pueden interrumpir las señales láser al entrar en la atmósfera terrestre.

“La forma en que funciona la meteorología local, hay polvo mínimo y menos turbulencia atmosférica en la cima de la montaña, lo cual es excelente para comunicaciones láser”, dijo Ron Miller del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. “Está a unas 10,000 pies de altura, así que estás sobre gran parte de la atmósfera y el clima que ocurre debajo de la cumbre. Es muy común tener un día soleado en la cima y nublado alrededor del punto medio de la montaña.”

Los ingenieros de comunicaciones de la NASA seleccionaron estos sitios porque sus patrones climáticos típicamente se complementan. Cuando OGS-1 en California está nublado, OGS-2 en Hawái tiende a estar despejado —y viceversa. Para monitorear la cobertura de nubes y determinar qué estación se usará, el socio comercial Northrop Grumman proporcionó una estación de monitoreo atmosférico que observa las condiciones climáticas en Haleakalā. Esta estación de monitoreo funciona casi autónomamente 24 horas al día, siete días a la semana. OGS-1 tiene capacidades similares de monitoreo climático en Table Mountain.

A pesar del clima generalmente claro en estas ubicaciones, los ingenieros de la NASA deben seguir trabajando para reducir los efectos de la turbulencia atmosférica en los datos recibidos por OGS-1 y OGS-2. Para hacer esto, ambas estaciones aprovechan el poder de la óptica adaptativa.

“Un sistema de óptica adaptativa usa un sensor para medir la distorsión de la señal electromagnética que viene desde la nave espacial”, dijo Tom Roberts, gerente de desarrollo y operaciones de OGS-1 en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. “Si podemos medir esa distorsión, entonces podemos enviarla a través de un espejo deformable que cambia su forma para eliminar esas aberraciones que la atmósfera induce. Eso nos permite tener una señal agradable y prístina.”

Mientras OGS-2 fue desarrollado específicamente para la misión LCRD, OGS-1 está basado en el Laboratorio de Telescopio de Comunicaciones Ópticas de JPL, que se usó para demostraciones previas de comunicaciones láser. Para preparar OGS-1 para soporte de LCRD, los ingenieros tuvieron que actualizar la estación terrestre. Una de esas actualizaciones involucró reemplazar los espejos para tener mejor reflectividad y mayor láser.

Antes del soporte de misión, LCRD pasará unos dos años realizando pruebas y experimentos. Durante este tiempo, OGS-1 y OGS-2 actuarán como usuarios simulados, enviando datos de una estación a LCRD y luego a la siguiente. Estas pruebas permitirán a la comunidad aeroespacial aprender de LCRD y refinar aún más la tecnología para futura implementación de sistemas de comunicaciones láser. Después de la fase experimental, LCRD apoyará misiones en el espacio. Misiones, como un terminal en la Estación Espacial Internacional, enviarán datos a LCRD, que luego los transmitirá a OGS-1 u OGS-2.

LCRD es una carga útil alojada en el Satélite-6 del Programa de Pruebas Espaciales del Departamento de Defensa (STP-Sat-6). Aunque LCRD es una carga útil de comunicaciones láser, la nave espacial seguirá teniendo una conexión de radiofrecuencia a tierra. El Terminal de Enlace de Carga Útil a Tierra (PGLT) ubicado en el Complejo White Sands cerca de Las Cruces, Nuevo México, comunicará datos de seguimiento, telemetría y comando a la nave espacial por ondas de radio. La NASA gestiona los elementos terrestres de LCRD —OGS-1, OGS-2 y PGLT— desde el centro de operaciones de misión de LCRD en White Sands.

“El centro de operaciones de misión es el cerebro central del sistema LCRD”, dijo Miriam Wennersten, gerente del segmento terrestre de LCRD en NASA Goddard. “Coordina la configuración de la carga útil y las tres estaciones terrestres al mismo tiempo, programando los diversos servicios y enlaces ópticos.”

Sin infraestructura terrestre, los extraordinarios datos de ciencia y exploración no llegarían a los investigadores en la Tierra. El segmento terrestre de LCRD será crítico para el éxito de la misión, brindando a los ingenieros la oportunidad de probar y refinar las comunicaciones láser. A su vez, LCRD inaugurará una nueva era de comunicaciones láser, donde las misiones tendrán acceso sin precedentes a conocimientos obtenidos de satélites y sondas en el espacio.