Cómo se comunicarán los primeros humanos en Marte con la Tierra

Si cree que es complicado tener cobertura móvil cuando visita a sus familiares en otro estado, imagínese 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 sólo serán importantes: serán vitales.

Descubrir cómo crear una red de comunicaciones que cubra Marte y más allá, y cómo se están actualizando los sistemas actuales para afrontar el desafío de cantidades de datos cada vez mayores, 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 Marte. lado.

Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 capítulos 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 En el espacio interestelar, la NASA tiene una red de antenas construidas alrededor del planeta llamada Red del Espacio Profundo, o DSN.

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

Cooperación internacional en comunicaciones.

La 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 utilizar las redes de otras si surge la necesidad.

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

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

"Incluso China suscribe un conjunto de estándares internacionales que hemos ayudado a desarrollar a lo largo de los años, para que todas las misiones al 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. De modo que podemos rastrear las naves espaciales de cada uno a través de estos acuerdos. Todos están diseñados para ser interoperables”.

Hablando con Marte

Así es como recibimos las transmisiones en la Tierra. Pero, ¿cómo se envían transmisiones desde Marte? Para enviar comunicaciones a una distancia tan grande, se 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 evitar este problema, Mars tiene un sistema para retransmitir comunicaciones, llamado Mars Relay Network o MRN. Se compone de diferentes orbitadores que actualmente viajan alrededor del planeta y que pueden utilizarse para recoger transmisiones de misiones en la superficie (como rovers, módulos de aterrizaje o, eventualmente, personas) y transmitir estos datos a Tierra. De hecho, puedes 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 relevadores, como es el caso de Marte de la NASA. La nave espacial Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) y el Mars Reconnaissance Orbiter, y el Mars de la ESA Expresar. “La mayoría de nuestras misiones que hemos enviado [a Marte] se encuentran en órbitas de baja altitud, por lo que se encuentran entre 300 y 400 kilómetros sobre la superficie. ¡Y son realmente geniales! dijo el gerente de MRN, Roy Gladden, a Digital Trends. "Esos son lugares fantásticos para estar, porque son agradables y cercanos, y se puede transmitir una gran cantidad de datos entre un dispositivo 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 elevada, o si tiene una órbita muy elíptica donde a veces es cerca del planeta y otras veces más lejos, puede que no sea adecuado ser 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.

Futuras misiones a Marte, como la Mars Ice Mapper de la NASA o la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) previstas misión, también incluirá hardware de comunicaciones, por lo que cuantas más misiones enviemos allí, más podrá mejorar la red. 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 mueven 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 necesitas rastrear un evento específico en un momento exacto, la cosa se vuelve más complicada.

Por ejemplo, hacer 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 a un aterrizaje. Para el aterrizaje del rover Perseverance, se ajustaron las órbitas de los orbitadores del MRN para garantizar que estuvieran en el lugar correcto en el momento adecuado para capturar el aterrizaje. Pero para ahorrar el preciado combustible, sólo pudieron hacer pequeños ajustes en sus trayectorias, por lo que el proceso de colocar todo en el lugar correcto comenzó años antes de que ocurriera el aterrizaje.

Una forma de hacer que este proceso sea más eficiente es utilizar satélites de retransmisión dedicados para registrar eventos clave como los aterrizajes. Cuando el módulo de aterrizaje InSight aterrizó en Marte en 2018, iba acompañado de dos satélites del tamaño de un maletín llamados MarCO, para Mars Cube One, que actuaron como relevos. 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 orientarlos hacia donde queríamos que estuvieran para que pudieran realizar esa grabación para capturar la telemetría del evento crítico". 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 capacidad futura, ya que nunca antes se habían utilizado satélites de esta manera. Pero la prueba fue un éxito. "Hicieron exactamente lo que se esperaba que hicieran", dijo Gladden. Los MarCO eran un elemento de un solo uso, ya que no tenían suficiente combustible para entrar en órbita. Pero estos satélites pequeños son relativamente baratos y fáciles de construir, y los MarCO demostraron que ésta 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 periódicas 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 manera de evitar eso. Sin embargo, podemos construir una red de comunicaciones para que la gente en Marte pueda hablar con la Tierra. más de unas pocas veces al día, con el objetivo de tener comunicaciones lo más cercanas y constantes disponibles 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 dedicados de retransmisión con Ice Mapper". Esto sería Será la primera vez que se utilice una constelación para las comunicaciones con Marte y podría ser la piedra angular de un relé más grande. red.

Un proyecto de este tipo requiere mucha energía para comunicarse a grandes distancias entre planetas, pero es totalmente viable desde el punto de vista tecnológico.

Una red de próxima generación alrededor de Marte

Cuando se trata de visualizar el futuro de las necesidades de comunicaciones extraplanetarias, "tratamos de tener visión de futuro", dijo Gladden. “Estamos tratando de considerar lo que necesitaríamos en el futuro. Especialmente sabiendo que eventualmente queremos enviar gente allí”.

Crear una red de comunicaciones futurista en Marte podría implicar hacerla más similar a la que tenemos en nuestro planeta, añadiendo a la red más naves espaciales con cada vez más potencia. “En la Tierra, solucionamos nuestro problema de comunicaciones enviando muchísimas naves espaciales de baja altitud que Son sistemas de alta potencia con grandes paneles solares, con radios altamente complejas que pueden dirigir el haz”, dijo. dicho. "En Marte queremos lo mismo".

Existen complejidades para crear una red que pueda soportar largos retrasos 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 ampliarse para hacer algo más que proporcionar comunicaciones desde la Tierra a Marte y viceversa. Podría usarse como 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 estas naves espaciales son grandes y pesadas, lo que dificulta su lanzamiento. Y se enfrentan a 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 necesitan 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 al espacio profundo que se lanzan. También utiliza mejoras en el software para automatizar más procesos de la red, de modo que un número limitado de personal pueda supervisar más misiones en cada una.

Pero existe otro problema de ancho de banda limitado. Las naves espaciales ahora tienen instrumentos más complejos que registran enormes cantidades de datos y transmiten todos Estos datos a través de una conexión lenta son limitantes, como cualquiera que alguna vez se haya visto atrapado con una conexión lenta a Internet. lo sabe.

"Queremos poder recuperar más datos de cualquier nave espacial en particular en el futuro", dijo Deutsch, subdirector del DSN. “Eso se debe a que a medida que las naves espaciales 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 con la que te comunicas, se estrecha el haz que se transmite desde la nave espacial y una mayor cantidad llega a donde quieres", explicó. Si bien las primeras misiones utilizaron 2,5 GHz, las naves espaciales recientemente han pasado a alrededor de 8,5 GHz, y las misiones más recientes utilizan 32 GHz.

Las frecuencias más altas pueden ofrecer una mejora de alrededor de un factor de cuatro en términos de bits por segundo, pero ni siquiera eso será suficiente a largo plazo. Entonces, el próximo gran paso en las comunicaciones espaciales es utilizar comunicaciones ópticas, también conocidas como comunicaciones láser. Esto aporta muchas de las mismas ventajas de pasar a una frecuencia más alta, pero las comunicaciones ópticas pueden ofrecer una mejora de un factor de 10 con respecto a las comunicaciones por radio de última generación actuales.

Y la buena noticia es que el DSN no necesitará hardware completamente nuevo para realizar 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 el cielo que pueden bloquear las señales. Pero incluso permitiendo eso, el uso de comunicaciones ópticas aumentará considerablemente la capacidad general de la red. Y una solución a largo plazo a 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 se pierde intensidad de la señal. Ése 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 Artemis a la luna, y del Mars Ice Mapper y su nave espacial de retransmisión dedicada.

"Va a ser torpe", advierte Gladden. "Sólo 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 aterrador y fascinante ver qué sucede", dijo. “Por un lado, hay mucha incertidumbre sobre lo que está pasando. Pero, por otro lado, se trata de algo de alta tecnología. Estamos aprendiendo y haciendo cosas por primera vez en otro planeta. Eso nunca se había hecho antes. Eso es increíble."

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

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