Laser Link de la NASA ostenta récord

Un grupo de investigadores de la NASA, el MIT y otras instituciones han logrado el enlace de comunicación láser de espacio a tierra más rápido hasta el momento, duplicando el récord que establecieron el año pasado. Con tasas de datos de 200 gigabits por segundo, un satélite podría transmitir más de 2 terabytes de datos, aproximadamente tanto como 1000 películas de alta definición, en un solo paso de 5 minutos sobre una estación terrestre.

"Las implicaciones son de gran alcance porque, en pocas palabras, más datos significan más descubrimientos", dice Jason Mitchell, ingeniero aeroespacial del programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales de la NASA.

El nuevo enlace de comunicaciones fue posible gracias al sistema TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) que orbita a unos 530 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Lanzado al espacio en mayo pasado, TBIRD logró velocidades de enlace descendente de hasta 100 Gb/s con un receptor terrestre en California en junio pasado. Esto fue 100 veces más rápido que las velocidades de Internet más rápidas en la mayoría de las ciudades, y más de 1000 veces más rápido que los enlaces de radio que se utilizan tradicionalmente para las comunicaciones con los satélites.

Las redes de datos más rápidas de la Tierra normalmente se basan en comunicaciones láser a través de fibra óptica. Sin embargo, todavía no existe una Internet de alta velocidad basada en láser para los satélites. En cambio, las agencias espaciales y los operadores de satélites comerciales suelen utilizar la radio para comunicarse con objetos en el espacio. La luz infrarroja que pueden emplear las comunicaciones por láser tiene una frecuencia mucho más alta que las ondas de radio, lo que permite velocidades de datos mucho más altas.

"Hay satélites actualmente en órbita limitados por la cantidad de datos que pueden descargar, y esta tendencia solo aumentará a medida que se lancen satélites más capaces", dice Kat Riesing, ingeniera aeroespacial y miembro del personal del MIT Lincoln Laboratory en el Equipo TBIRD. "Incluso un generador de imágenes hiperespectrales, HISUI en la Estación Espacial Internacional, tiene que enviar datos a la Tierra a través de unidades de almacenamiento en naves de carga debido a las limitaciones en las velocidades de enlace descendente. TBIRD es un gran habilitador para misiones que recopilan datos importantes sobre el clima y los recursos de la Tierra, así como aplicaciones de astrofísica como imágenes de agujeros negros".

El Laboratorio Lincoln del MIT concibió TBIRD en 2014 como una forma de acceso de alta velocidad y bajo costo a los datos de las naves espaciales. Una forma clave en la que redujo los gastos fue mediante el uso de componentes comerciales listos para usar desarrollados originalmente para uso terrestre. Estos incluyen módems ópticos de alta velocidad desarrollados para telecomunicaciones de fibra y almacenamiento de gran volumen de alta velocidad para almacenar datos, dice Riesing.

Ubicado a bordo del satélite Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) de la NASA, TBIRD se puso en órbita en la misión de viaje compartido Transporter-5 de SpaceX desde la Estación de la Fuerza Espacial de Cabo Cañaveral en Florida el 25 de mayo de 2022. El satélite PTD-3 pesa aproximadamente 12 kilogramos CubeSat tiene aproximadamente el tamaño de dos cajas de cereal apiladas, y su carga útil TBIRD no es más grande que la caja de pañuelos promedio. "El impulso de la industria hacia transceptores ópticos pequeños, de baja potencia y alta velocidad de datos nos permitió lograr un factor de forma compacto adecuado incluso para satélites pequeños", dice Mitchell.

"Hay satélites actualmente en órbita limitados por la cantidad de datos que pueden descargar, y esta tendencia solo aumentará a medida que se lancen satélites con más capacidad". —Kat Riesing, ingeniera aeroespacial, Laboratorio Lincoln del MIT

El desarrollo de TBIRD enfrentó una serie de desafíos. Para empezar, los componentes terrestres no están diseñados para sobrevivir a los rigores de lanzarse y operar en el espacio. Por ejemplo, durante una prueba térmica que simulaba las temperaturas extremas que los dispositivos podrían enfrentar en el espacio, las fibras del amplificador de señal óptica se derritieron.

El problema era que, cuando se usaba como se pretendía originalmente, la atmósfera podía ayudar a enfriar el amplificador por convección. Cuando se probó en el vacío, simulando el espacio, el calor que generó el amplificador quedó atrapado. Para resolver el problema, los investigadores trabajaron con el proveedor del amplificador para modificarlo de modo que liberara calor a través de la conducción.

Además, los rayos láser del espacio a la Tierra pueden sufrir distorsiones debido a los efectos atmosféricos y las condiciones climáticas. Esto puede provocar una pérdida de energía y, a su vez, una pérdida de datos para los haces.

Para compensar, los científicos desarrollaron su propia versión de solicitud de repetición automática (ARQ), un protocolo para controlar errores en la transmisión de datos a través de un enlace de comunicaciones. En este arreglo, la terminal de tierra utiliza una señal de enlace ascendente de baja velocidad para que el satélite sepa que tiene que retransmitir cualquier bloque de datos, o trama, que se haya perdido o dañado. El nuevo protocolo permite que la estación terrestre le diga al satélite qué tramas recibió correctamente, para que el satélite sepa cuáles retransmitir y no pierda el tiempo enviando datos que no necesita.

Otro desafío al que se enfrentaron los científicos provino de cómo los láseres se forman en haces mucho más estrechos que las transmisiones de radio. Para una transmisión de datos exitosa, estos haces deben apuntar con precisión a sus receptores. Esto a menudo se logra montando el láser en un cardán. Sin embargo, debido al pequeño tamaño de TBIRD, maniobra el CubeSat que lo lleva para apuntarlo al suelo, utilizando cualquier señal de error que reciba para corregir la orientación del satélite. Esta estrategia sin cardán también ayudó a reducir aún más TBIRD, lo que hizo que su lanzamiento fuera más económico.

La arquitectura de TBIRD puede admitir múltiples canales a través de la separación de longitudes de onda para permitir velocidades de datos más altas, dice Riesing. Así es como TBIRD logró un enlace descendente de 200 Gb/s el 28 de abril, mediante el uso de dos canales de 100 Gb/s, explica. "Esto puede escalar aún más en una misión futura si el enlace está diseñado para admitirlo", señala Riesing.

"En pocas palabras, más datos significan más descubrimientos". —Jason Mitchell, ingeniero aeroespacial, NASA

El siguiente paso del equipo de investigación es explorar dónde aplicar esta tecnología en las próximas misiones. "Esta tecnología es particularmente útil para misiones científicas donde la recopilación de una gran cantidad de datos puede brindar beneficios significativos", dice Riesing. "Un concepto de misión que está habilitado por esto es la misión Event Horizon Explorer, que ampliará el emocionante trabajo del Event Horizon Telescope en la obtención de imágenes de agujeros negros con una resolución aún mayor".

Los científicos también quieren explorar cómo extender esta tecnología a diferentes escenarios, como la órbita geoestacionaria, dice Riesing. Además, dice Mitchell, están buscando formas de impulsar las capacidades de TBIRD tan lejos como la luna, para apoyar futuras misiones allí. Las tasas bajo consideración están en el rango de 1 a 5 Gb/s, lo que "puede no parecer una gran mejora, pero recuerde que la Luna está a unos 400.000 km de la Tierra, que es una distancia bastante larga para cubrir". Mitchell dice.

La nueva tecnología también puede encontrar uso en enlaces de datos atmosféricos de alta velocidad en tierra. "Por ejemplo, de edificio en edificio, o en terrenos inhóspitos, como de cima de montaña a cima de montaña, donde el costo de instalar sistemas de fibra podría ser exorbitante", dice Riesing.