Demostración del relé de comunicación láser de la NASA: llevar datos espaciales al suelo con láseres

Por Matthew D. Peters, Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA 5 de diciembre de 2021

LCRD transmitirá datos entre la Estación Espacial Internacional y el suelo. Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

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 launches satellites, rovers, and orbiters to investigate humanity's place in the Milky WayThe Milky Way is the galaxy that contains our Solar System and is part of the Local Group of galaxies. It is a barred spiral galaxy that contains an estimated 100-400 billion stars and has a diameter between 150,000 and 200,000 light-years. The name "Milky Way" comes from the appearance of the galaxy from Earth as a faint band of light that stretches across the night sky, resembling spilled milk." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Vía Láctea. Cuando estas misiones llegan a sus destinos, sus instrumentos científicos capturan imágenes, videos e información valiosa 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 que los reciban, los extraordinarios datos capturados por estas misiones quedarían atrapados en el espacio, sin poder llegar a los científicos e investigadores en la Tierra.

Desde los albores de la exploración espacial, las misiones de la NASA se han basado principalmente en comunicaciones de radiofrecuencia para esta transferencia de información. Pero este otoño, la Demostración de retransmisión de comunicaciones láser (LCRD) de la NASA lanzará y exhibirá las comunicaciones láser, una forma revolucionaria de comunicar datos desde el espacio a la 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 despejadas. Si bien las comunicaciones por láser pueden proporcionar mayores tasas de transferencia de datos, las perturbaciones atmosféricas, como las nubes y las turbulencias, pueden interrumpir las señales de láser cuando ingresan a la atmósfera de la Tierra.

Las estaciones terrestres de LCRD, la estación terrestre óptica -1 y -2, permitirán el éxito de la misión. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

"De la forma en que funciona la meteorología local, hay un mínimo de polvo y menos turbulencia atmosférica en la cima de la montaña, lo cual es excelente para las comunicaciones por láser", dijo Ron Miller del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y exlíder de desarrollo de OGS-2 en Hawái. "Está a unos 10,000 pies de altura, por lo que está por encima de gran parte de la atmósfera y el clima que ocurre debajo de la cumbre. Es muy común tener un buen día soleado en la cima y estar nublado alrededor del punto medio de la montaña".

Los ingenieros de comunicaciones de la NASA seleccionaron estos sitios porque sus patrones climáticos generalmente se complementan entre sí. 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 utilizará, el socio comercial Northrop Grumman proporcionó una estación de monitoreo atmosférico que observa las condiciones climáticas en Haleakalā. Esta estación de monitoreo funciona de manera casi autónoma, las 24 horas del día, los siete días de la semana. OGS-1 tiene capacidades similares de monitoreo del clima en Table Mountain.

A pesar del clima generalmente despejado en estos lugares, los ingenieros de la NASA aún deben trabajar para reducir los efectos de la turbulencia atmosférica en los datos recibidos por OGS-1 y OGS-2. Para ello, ambas estaciones aprovechan el poder de la óptica adaptativa.

Estación terrestre óptica 2 (OGS-2) de la Demostración de relé de comunicación láser (LCRD) de la NASA en Haleakalā, Hawái. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

"Un sistema de óptica adaptativa utiliza un sensor para medir la distorsión de la señal electromagnética que proviene de 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, podemos enviarla a través de un espejo deformable que cambia de forma para eliminar esas aberraciones que induce la atmósfera. Eso nos permite tener una señal agradable y prístina".

While OGS-2 was developed specifically for the LCRD mission, OGS-1 is based 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"}]"> Laboratorio del Telescopio de Comunicaciones Ópticas del JPL, que antes del LCRD se utilizó para demostraciones previas de comunicaciones láser. Para preparar el OGS-1 para el soporte de LCRD, los ingenieros tuvieron que actualizar la estación terrestre, modificando el sistema para llevarlo a un estándar más alto. Una de esas actualizaciones implicó reemplazar los espejos para tener una mejor reflectividad y umbrales de láser más altos para que el telescopio pueda recibir y enviar señales de láser hacia y desde LCRD.

Antes del apoyo a la 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 perfeccionar aún más la tecnología para la implementación futura de sistemas de comunicaciones láser.

After the experimental phase, LCRD will support in-space missions. Missions, like a terminal on the International Space StationThe International Space Station (ISS) is a large spacecraft in orbit around the Earth that serves as a research laboratory and spaceport for international collaboration in space exploration. It was launched in 1998 and has been continuously occupied by rotating crews of astronauts and cosmonauts from around the world since 2000. The ISS is a joint project of five space agencies: NASA (USA), Roscosmos (Russia), JAXA (Japan), ESA (Europe), and CSA (Canada). It orbits the Earth at an altitude of approximately 400 kilometers (250 miles), and provides a unique platform for scientific research, technological development, and human space exploration." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Estación Espacial Internacional, enviará datos a LCRD, que luego los transmitirá a OGS-1 u OGS-2.

LCRD es una carga útil alojada en el Programa de prueba espacial Satellite-6 (STPSat-6) del Departamento de Defensa. Si bien LCRD es una carga útil de comunicaciones láser, la nave espacial seguirá teniendo una conexión de radiofrecuencia con el suelo. La terminal de enlace de carga útil a tierra (PGLT) ubicada en el complejo White Sands cerca de Las Cruces, Nuevo México, comunicará datos de seguimiento, telemetría y comando a la nave espacial a través de ondas de radio.

La NASA administra los elementos terrestres de LCRD (OGS-1, OGS-2 y PGLT) desde el centro de operaciones de la misión de LCRD en White Sands.

"El centro de operaciones de la misión es el cerebro central del sistema LCRD", dijo Miriam Wennersten, gerente del segmento terrestre de LCRD de 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 datos científicos y de exploración extraordinarios no llegarían a los investigadores en la Tierra. El segmento terrestre de LCRD será fundamental para el éxito de la misión, brindando a los ingenieros la oportunidad de probar y perfeccionar las comunicaciones láser. A su vez, LCRD marcará el comienzo de una nueva era de comunicaciones láser, donde las misiones tendrán un acceso sin precedentes a los conocimientos obtenidos de los satélites y las sondas en el espacio.

STPSat-6, parte de la misión del Programa de prueba espacial 3 (STP-3), se lanzará en un cohete Atlas V 551 de United Launch Alliance desde la Estación de la Fuerza Espacial de Cabo Cañaveral en Florida no antes del 7 de diciembre de 2021. STP es administrado por Comando de Sistemas Espaciales de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos.

LCRD is led by Goddard and in partnership with JPL and the MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Laboratorio Lincoln del MIT. LCRD está financiado a través del programa de Misiones de Demostración de Tecnología de la NASA, parte de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial, y el programa de Comunicaciones y Navegación Espacial (SCaN) en la sede de la NASA en Washington, DC Goddard administra OGS-2, mientras que JPL administra OGS-1.