Cómo los primeros humanos en Marte se comunicarán con la Tierra

Si crees que es un fastidio tener recepción celular cuando visitas a tus familiares en otro estado, imagínate tratando de comunicarse con personas que están al menos a 40 millones de millas de distancia y se mueven constantemente en relación con tú. Eso es con lo que tendremos que lidiar si planeamos enviar humanos a Marte, cuando las comunicaciones no solo sean importantes, sino que serán vitales.

Para averiguar cómo crear una red de comunicaciones que abarque Marte y más allá, y cómo se actualizan los sistemas actuales para enfrentar el desafío de cantidades cada vez mayores de datos, hablamos con dos expertos que trabajan en el sistema de comunicaciones actual de la NASA: uno en el lado de la Tierra y otro en el de Marte lado.

Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte

Llegando al sistema solar con Deep Space Network

Para comunicarse con misiones actuales como el rover Perseverance en Marte o las misiones Voyager que se dirigen hacia el espacio interestelar, la NASA tiene una red de antenas construidas alrededor del planeta llamada Deep Space Network, o DSN.

El DSN tiene tres sitios en California, España y Australia, que se transfieren las funciones de comunicación entre sí todos los días. De esa manera, siempre hay un sitio que apunta en la dirección que se necesita, independientemente de cómo la Tierra gire o se tambalee sobre su eje. En cada sitio, hay una serie de antenas de radio de hasta 70 metros de tamaño que captan las transmisiones de las misiones espaciales y transmiten los datos a cualquier lugar de la Tierra.

Cooperación internacional en comunicaciones

El DSN se utiliza para las misiones de la NASA, pero existen otras redes globales utilizadas por diferentes agencias espaciales, como la Agencia Espacial Europea (ESA). De una manera notablemente progresista, todas estas redes diferentes siguen los mismos estándares internacionales para sus comunicaciones, por lo que las agencias espaciales pueden usar las redes de los demás si surge la necesidad.

“Es una comunidad bastante pequeña. Solo hay unas pocas naciones que tienen la capacidad de enviar naves espaciales a Marte, por ejemplo”, Les Deutsch, el subdirector de la Red Interplanetaria, que dirige la Red del Espacio Profundo, le dijo a Digital Tendencias. “Está creciendo, pero todavía es un número pequeño. Y nos corresponde a todos, ya que es una pequeña comunidad de misiones muy costosas, tratar de hacer esto juntos”.

Eso significa que, además de las agencias con las que la NASA trabaja en estrecha colaboración, como la ESA, incluso las agencias con las que no tiene relación, como la agencia espacial de China, siguen los mismos estándares.

“Incluso China se suscribe a un conjunto de estándares internacionales que hemos ayudado a desarrollar a lo largo de los años, para que todas las misiones en el espacio profundo se comuniquen de la misma manera”, dijo. “Las naves espaciales tienen formatos de radio similares y las estaciones terrestres tienen tipos similares de antenas e interfaces. Entonces podemos rastrear las naves espaciales de los demás a través de estos acuerdos. Todos están construidos para ser interoperables”.

hablando con marte

Así es como recibimos transmisiones en la Tierra. Pero, ¿cómo se envían transmisiones desde Marte? Para enviar comunicaciones a una distancia tan grande, necesita una radio potente. Y las misiones como los rovers deben ser pequeñas y livianas, por lo que no hay espacio para colocarles una antena enorme.

Para sortear este problema, Mars tiene un sistema para retransmitir comunicaciones, llamado Mars Relay Network, o MRN. Se compone de diferentes orbitadores que actualmente están dando la vuelta al planeta y que pueden ser utilizados para recoger transmisiones de misiones en la superficie (como rovers, módulos de aterrizaje o, eventualmente, personas) y retransmitir estos datos a Tierra. De hecho, puede ver la posición actual de todas las naves en el MRN usando esta simulación de la NASA.

La mayoría de los orbitadores alrededor de Marte cumplen una doble función. Además de sus operaciones científicas, también funcionan como relevos, ese es el caso de Marte de la NASA. Nave espacial de Evolución Atmosférica y Volátil (MAVEN) y Mars Reconnaissance Orbiter, y Mars de la ESA Expresar. “La mayoría de nuestras misiones que hemos enviado [a Marte] están en órbitas de baja altitud, por lo que están entre 300 y 400 kilómetros sobre la superficie. ¡Y esos son realmente geniales!” El gerente de MRN, Roy Gladden, le dijo a Digital Trends. “Esos son excelentes lugares para estar, porque es agradable y cercano, y puede transmitir una gran cantidad de datos entre un activo de aterrizaje y un orbitador en ese entorno”.

Sin embargo, no todas las misiones se pueden agregar a la red de retransmisión. Si un orbitador está a una altitud muy alta, o si tiene una órbita muy elíptica donde a veces es cerca del planeta y otras veces más lejos, puede que no sea adecuado para formar parte del MRN. La misión Hope de los Emiratos Árabes Unidos (EAU), por ejemplo, se encuentra a una altitud muy elevada para poder estudiar la atmósfera superior de Marte. Pero eso significa que está demasiado lejos de la superficie para ser útil como relevo.

Se planean futuras misiones a Marte, como Mars Ice Mapper de la NASA o la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA). misión, también incluirá hardware de comunicaciones, por lo que cuantas más misiones enviemos allí, más la red puede ser construido.

La importancia del tiempo

Uno de los desafíos de transmitir comunicaciones desde Marte es el hecho de que el planeta siempre está girando y que todos los orbitadores de la NASA y la ESA se están moviendo a su alrededor. Eso no es un problema si su rover necesita enviar comunicaciones dos veces al día, por ejemplo: hay muchas posibilidades de que varios orbitadores pasen por encima en algún momento. Pero cuando necesita realizar un seguimiento de un evento específico en un momento exacto, se vuelve más complicado.

Por ejemplo, aterrizar un rover en la superficie del planeta es la parte más difícil de una misión, por lo que la NASA siempre quiere estar atento al aterrizaje. Para el aterrizaje del rover Perseverance, se ajustaron las órbitas de los orbitadores en el MRN para garantizar que estarían en el lugar correcto en el momento correcto para capturar el aterrizaje. Pero para ahorrar el preciado combustible, solo podían hacer pequeños ajustes en sus trayectorias, por lo que el proceso de poner todo en el lugar correcto comenzó años antes de que ocurriera el aterrizaje.

Una forma de hacer que este proceso sea más eficiente es usar satélites de retransmisión dedicados para registrar eventos clave como aterrizajes. Cuando el módulo de aterrizaje InSight aterrizó en Marte en 2018, estuvo acompañado por dos satélites del tamaño de un maletín llamados MarCO, para Mars Cube One, que actuaron como relés. Estos pequeños satélites siguieron a InSight en un sobrevuelo de Marte, monitorearon y transmitieron datos sobre el aterrizaje y luego se dirigieron al espacio. "Pudimos dirigirlos a donde queríamos que estuvieran para que pudieran hacer esa grabación para capturar esa telemetría de eventos críticos". Gladden dijo, “y luego de que terminó el evento, se dieron la vuelta y apuntaron sus antenas hacia la Tierra y transmitieron eso datos."

El uso de los MarCO fue una prueba de una capacidad futura, ya que nunca antes se habían utilizado satélites de esta manera. Pero la prueba fue un éxito. “Hicieron exactamente lo que debían hacer”, dijo Gladden. Los MarCO eran un artículo de un solo uso, ya que no tenían suficiente combustible para entrar en órbita. Pero estos pequeños satélites son relativamente baratos y fáciles de construir, y los MarCO demostraron que esta es una forma viable de monitorear eventos específicos sin tener que reorganizar toda la red de Marte.

Comunicaciones para misiones tripuladas

Para las misiones tripuladas, las comunicaciones regulares son aún más importantes. Siempre habrá un retraso de hasta 20 minutos en las comunicaciones entre la Tierra y Marte debido a la velocidad de la luz. No hay absolutamente ninguna forma de evitar eso. Sin embargo, podemos construir una red de comunicaciones para que las personas en Marte puedan hablar con la Tierra. más de unas pocas veces al día, con el objetivo de tener las comunicaciones más constantes disponibles como sea posible. posible.

El proximo Misión Mars Ice Mapper “Es una especie de paso en esa dirección”, dijo Gladden. “Nuestra intención es enviar una pequeña constelación de naves espaciales que serán usuarios de retransmisión dedicados con Ice Mapper”. Esto sería Será la primera vez que se utilice una constelación para las comunicaciones con Marte, y podría ser el componente básico de un relé más grande. red.

Tal proyecto requiere mucha energía para comunicarse a través de las grandes distancias entre los planetas, pero es completamente factible tecnológicamente.

Una red de próxima generación alrededor de Marte

Cuando se trata de imaginar el futuro de las necesidades de comunicaciones extraplanetarias, "estamos tratando de ser progresistas", dijo Gladden. “Estamos tratando de considerar lo que necesitaríamos en el futuro. Especialmente sabiendo que eventualmente queremos enviar gente allí”.

La creación de una red de comunicaciones futurista en Marte podría implicar hacerla más similar a la que tenemos en nuestro planeta, agregando más naves espaciales a la red con cada vez más poder. “En la Tierra, resolvemos nuestro problema de comunicaciones enviando montones y montones de naves espaciales de baja altitud que son sistemas de alta potencia con grandes paneles solares, con radios muy complejos que pueden orientar el haz”, dijo. dicho. “En Marte, queremos lo mismo”.

Existen complejidades para crear una red que pueda manejar largas demoras y la creación de estándares de datos que puedan ser utilizados por todas las naves de Marte, pero es posible. En teoría, una red de comunicaciones de este tipo podría expandirse para hacer algo más que proporcionar comunicaciones de la Tierra a Marte y viceversa. Podría usarse como un sistema de posicionamiento para ayudar con la navegación a través de Marte o, con algunas modificaciones en el hardware, también podría proporcionar comunicaciones a través de Marte.

Pero naves espaciales tan capaces son grandes y pesadas, lo que las hace difíciles de lanzar. Y enfrentan otro problema: a diferencia de los satélites alrededor de la Tierra, que están protegidos por la magnetosfera de nuestro planeta, los satélites en órbita alrededor de Marte serían bombardeados con radiación. Eso significa que deben estar protegidos, lo que requiere más peso.

Tecnológicamente, es posible resolver estos problemas y establecer una red alrededor de Marte comparable a la que tenemos alrededor de la Tierra. Sin embargo, “cómo llegar allí es un gran desafío”, dijo Gladden, “porque alguien tiene que pagar por ello”.

Preparando las comunicaciones para el futuro

Establecer una red de comunicaciones en Marte es la mitad del rompecabezas para las comunicaciones futuras. La otra mitad está preparando la tecnología que tenemos aquí en la Tierra.

Actualmente, el DSN es construyendo más antenas para que pueda mantenerse al día con el número cada vez mayor de misiones en el espacio profundo que se lanzan. También utiliza mejoras en el software para automatizar más procesos de red, por lo que un número limitado de personal puede supervisar más misiones cada uno.

Pero hay otro problema de ancho de banda limitado. Las naves espaciales ahora tienen instrumentos más complejos que registran grandes cantidades de datos y transmiten todos estos datos a través de una conexión lenta son limitantes, ya que cualquiera que haya estado atrapado con Internet lento sabe

“De cualquier nave espacial en particular en el futuro, queremos poder traer más datos”, dijo Deutsch, subdirector de DSN. “Eso se debe a que, a medida que las naves avanzan en el tiempo, llevan instrumentos cada vez más capaces y quieren recuperar más y más bits por segundo. Así que tenemos el desafío de mantenernos al día con la curva similar a la ley de Moore”.

La solución a este problema es transmitir a altas frecuencias. “Si aumentas la frecuencia a la que te estás comunicando, se estrecha el haz que se transmite desde la nave espacial y una mayor parte llega a donde quieres”, explicó. Mientras que las primeras misiones usaban 2,5 GHz, las naves espaciales se han movido recientemente a alrededor de 8,5 GHz, y las misiones más recientes usan 32 GHz.

Las frecuencias más altas pueden ofrecer una mejora de alrededor de un factor de cuatro en términos de bits por segundo, pero incluso eso no será suficiente a largo plazo. Entonces, el próximo gran paso en las comunicaciones espaciales es usar comunicaciones ópticas, también conocidas como comunicaciones láser. Esto trae muchas de las mismas ventajas de ir a una frecuencia más alta, pero las comunicaciones ópticas pueden ofrecer una mejora de un factor de 10 sobre las comunicaciones de radio de última generación de la actualidad.

Y la buena noticia es que el DSN no necesitará un hardware completamente nuevo para hacer la transición a las comunicaciones ópticas. Las antenas actuales se pueden actualizar para que funcionen con la nueva tecnología, y las antenas recién construidas están diseñadas para funcionar en múltiples bandas de frecuencia y ser capaces de recibir transmisiones ópticas.

Existen algunas limitaciones para las comunicaciones ópticas, como nubes en lo alto que pueden bloquear las señales. Pero incluso teniendo en cuenta eso, el uso de comunicaciones ópticas aumentará considerablemente la capacidad general de la red. Y una solución a largo plazo para este problema podría implicar poner receptores en órbita alrededor de la Tierra, donde estarían por encima de las nubes.

¿A dónde vamos desde aquí?

Los problemas de comunicación con otro planeta son profundos y difíciles de resolver. “La física es inmutable”, dijo Gladden. “Está muy lejos, por lo que pierde la intensidad de la señal. Ese es un problema que tenemos que superar cuando pensamos en intentar construir una red para las personas”.

Pero estamos en el umbral de una nueva era en las comunicaciones espaciales. En la próxima década, aprenderemos más sobre la transmisión y recepción de datos de la próxima misión Artemisa a la luna, y el Mars Ice Mapper y su nave espacial de retransmisión dedicada.

“Va a ser torpe”, advierte Gladden. “Solo estamos tratando de resolver esto”. Señala los debates internacionales sobre el uso de estándares y la relación cambiante entre las agencias espaciales gubernamentales y las empresas privadas. Las decisiones que se tomen ahora determinarán cómo progresará la exploración espacial en las próximas décadas.

“Va a ser tanto aterrador como fascinante ver qué sucede”, dijo. “Por un lado, hay mucha incertidumbre sobre lo que está pasando. Pero por otro lado, esto es material de alta tecnología. Estamos aprendiendo y haciendo cosas por primera vez en otro planeta. Eso nunca se ha hecho antes. Eso es increíble."

Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte

Recomendaciones de los editores

• Un viaje cosmológico: la complicada logística de llevar personas a Marte
• Astropsicología: cómo mantenerse cuerdo en Marte
• Centrales eléctricas en otros planetas: cómo generaremos electricidad en Marte
• Cosecha de hidratación: cómo los futuros colonos crearán y recolectarán agua en Marte
• Astroagricultura: cómo sembraremos cultivos en Marte