El sistema de comunicaciones logra el enlace láser más rápido desde el espacio hasta el momento

Dec 04, 2023

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En mayo de 2022, la carga útil TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) a bordo de un pequeño satélite CubeSat se puso en órbita a 300 millas sobre la superficie de la Tierra. Desde entonces, TBIRD ha entregado terabytes de datos a velocidades récord de hasta 100 gigabits por segundo, 100 veces más rápido que las velocidades de Internet más rápidas en la mayoría de las ciudades, a través de un enlace de comunicación óptica a un receptor terrestre en California. Esta tasa de datos es más de 1.000 veces mayor que la de los enlaces de radiofrecuencia utilizados tradicionalmente para la comunicación por satélite y la más alta jamás alcanzada por un enlace láser desde el espacio a la tierra. Y todas estas velocidades récord fueron posibles gracias a una carga útil de comunicaciones del tamaño de una caja de pañuelos.

El Laboratorio Lincoln del MIT conceptualizó la misión TBIRD en 2014 como un medio para proporcionar una capacidad sin precedentes a las misiones científicas a bajo costo. Los instrumentos científicos en el espacio hoy en día generan rutinariamente más datos de los que se pueden devolver a la Tierra a través de enlaces de comunicaciones típicos del espacio a la tierra. Con terminales espaciales y terrestres pequeños y de bajo costo, TBIRD puede permitir que los científicos de todo el mundo aprovechen al máximo las comunicaciones láser para descargar todos los datos con los que podrían soñar.

Diseñado y construido en el Laboratorio Lincoln, la carga útil de comunicaciones TBIRD se integró en un CubeSat fabricado por Terran Orbital como parte del programa de demostración de tecnología Pathfinder de la NASA. El Centro de Investigación Ames de la NASA estableció este programa para desarrollar un autobús CubeSat (el "vehículo" que impulsa y dirige la carga útil) para poner en órbita los demostradores de ciencia y tecnología de manera más rápida y económica. Con un peso aproximado de 25 libras y el tamaño de dos cajas de cereales apiladas, el CubeSat se lanzó a la órbita terrestre baja (LEO) a bordo de la misión de viaje compartido Transporter-5 de Space X desde la Estación de la Fuerza Espacial de Cabo Cañaveral en Florida en mayo de 2022. La estación terrestre óptica es ubicado en Table Mountain, California, donde la mayor parte del clima ocurre debajo de la cima de la montaña, lo que hace que esta parte del cielo sea relativamente clara para la comunicación láser. Esta estación terrestre aprovecha el telescopio de un metro y la óptica adaptativa (para corregir las distorsiones causadas por la turbulencia atmosférica) en el Laboratorio de Telescopios de Comunicaciones Ópticas del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, con el Laboratorio Lincoln proporcionando el hardware de comunicaciones terrestres específico para TBIRD.

"Hemos demostrado una tasa de datos más alta que nunca en un paquete más pequeño que nunca", dice Jade Wang, gerente del programa del laboratorio para la carga útil y las comunicaciones terrestres de TBIRD y líder asistente del Grupo de Tecnología de Comunicaciones Ópticas y Cuánticas. "Si bien el envío de datos desde el espacio mediante láseres puede sonar futurista, el mismo concepto técnico está detrás de la Internet de fibra óptica que usamos todos los días. La diferencia es que las transmisiones de láser se realizan en la atmósfera abierta, en lugar de en fibras contenidas".

De las ondas de radio a la luz láser

Ya sea para videoconferencias, juegos o transmisión de películas en alta definición, está utilizando enlaces de alta velocidad de datos que se ejecutan a través de fibras ópticas de vidrio (o, a veces, de plástico). Aproximadamente del diámetro de un mechón de cabello humano, estas fibras se agrupan en cables, que transmiten datos a través de pulsos de luz de viaje rápido desde un láser u otra fuente. Las comunicaciones de fibra óptica son primordiales en la era de Internet, en la que todos los días se deben distribuir grandes cantidades de datos de manera rápida y confiable en todo el mundo.

Para los satélites, sin embargo, aún no existe una Internet de alta velocidad basada en comunicaciones láser. Desde el comienzo de los vuelos espaciales en la década de 1950, las misiones se han basado en frecuencias de radio para enviar datos hacia y desde el espacio. En comparación con las ondas de radio, la luz infrarroja empleada en las comunicaciones por láser tiene una frecuencia mucho más alta (o una longitud de onda más corta), lo que permite incluir más datos en cada transmisión. Las comunicaciones láser permitirán a los científicos enviar de 100 a 1000 veces más datos que los sistemas de radiofrecuencia actuales, similar a nuestro cambio terrestre de acceso telefónico a Internet de alta velocidad.

Desde la observación de la Tierra hasta la exploración espacial, muchas misiones científicas se beneficiarán de esta aceleración, especialmente a medida que las capacidades de los instrumentos avanzan para capturar grandes cantidades de datos de alta resolución, los experimentos involucran más control remoto y las naves espaciales viajan más lejos de la Tierra hacia el espacio profundo.

Sin embargo, la comunicación espacial basada en láser presenta varios desafíos de ingeniería. A diferencia de las ondas de radio, la luz láser forma un haz estrecho. Para una transmisión de datos exitosa, este haz angosto debe apuntar con precisión hacia un receptor (por ejemplo, un telescopio) ubicado en el suelo. Y aunque la luz láser puede viajar largas distancias en el espacio, los rayos láser pueden distorsionarse debido a los efectos atmosféricos y las condiciones climáticas. Esta distorsión hace que el haz experimente una pérdida de potencia, lo que puede resultar en una pérdida de datos.

Durante los últimos 40 años, Lincoln Laboratory ha estado abordando estos y otros desafíos relacionados a través de varios programas. En este punto, estos desafíos se han resuelto de manera confiable y las comunicaciones láser se están adoptando rápidamente. La industria ha comenzado una proliferación de enlaces cruzados LEO utilizando comunicaciones láser, con la intención de mejorar la red troncal terrestre existente, así como para proporcionar una red troncal de Internet potencial para servir a los usuarios en zonas rurales. El año pasado, la NASA lanzó Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), un sistema de comunicaciones ópticas de dos vías basado en un diseño de laboratorio. En las próximas misiones, se lanzará una terminal de comunicaciones láser desarrollada en laboratorio a la Estación Espacial Internacional, donde la terminal "hablará" con LCRD y apoyará a Artemis II, un programa tripulado que volará por la luna antes de un futuro tripulado. aterrizaje lunar.

"Con el creciente interés y desarrollo de las comunicaciones láser basadas en el espacio, el Laboratorio Lincoln continúa ampliando los límites de lo que es posible", dice Wang. "TBIRD anuncia un nuevo enfoque con el potencial de aumentar aún más las capacidades de velocidad de datos, reducir el tamaño, el peso y la potencia, y reducir los costos de la misión láser".

Una forma en que TBIRD tiene como objetivo reducir estos costos es mediante la utilización de componentes comerciales listos para usar desarrollados originalmente para redes terrestres de fibra óptica. Sin embargo, los componentes terrestres no están diseñados para sobrevivir a los rigores del espacio y su funcionamiento puede verse afectado por los efectos atmosféricos. Con TBIRD, el laboratorio desarrolló soluciones para ambos desafíos.

Componentes comerciales adaptados al espacio

La carga útil de TBIRD integra tres componentes comerciales clave listos para usar: un módem óptico de alta velocidad, una gran unidad de almacenamiento de alta velocidad y un amplificador de señal óptica.

Todos estos componentes de hardware se sometieron a pruebas de choque y vibración, vacío térmico y radiación para informar cómo le iría al hardware en el espacio, donde estaría sujeto a fuerzas poderosas, temperaturas extremas y altos niveles de radiación. Cuando el equipo probó el amplificador por primera vez a través de una prueba térmica que simulaba el entorno espacial, las fibras se derritieron. Como explica Wang, en el vacío no existe atmósfera, por lo que el calor queda atrapado y no puede liberarse por convección. El equipo trabajó con el proveedor para modificar el amplificador para liberar calor a través de la conducción.

Para hacer frente a la pérdida de datos por efectos atmosféricos, el laboratorio desarrolló su propia versión de Automatic Repeat Request (ARQ), un protocolo para controlar errores en la transmisión de datos a través de un enlace de comunicaciones. Con ARQ, el receptor (en este caso, la terminal de tierra) alerta al remitente (satélite) a través de una señal de enlace ascendente de baja tasa para retransmitir cualquier bloque de datos (trama) que se haya perdido o dañado.

"Si la señal se interrumpe, los datos se pueden volver a transmitir, pero si se hace de manera ineficiente, lo que significa que pasa todo el tiempo enviando datos repetidos en lugar de datos nuevos, puede perder mucho rendimiento", explica el ingeniero de sistemas de TBIRD, Curt Schieler, un miembro del personal técnico en el grupo de Wang. "Con nuestro protocolo ARQ, el receptor le dice a la carga útil qué tramas recibió correctamente, por lo que la carga útil sabe cuáles retransmitir".

Otro aspecto de TBIRD que es nuevo es la falta de cardán, un mecanismo para apuntar el rayo láser estrecho. En cambio, TBIRD se basa en un concepto de señalización de errores desarrollado en laboratorio para apuntar con precisión el cuerpo de la nave espacial. Se envían señales de error al bus CubeSat para que sepa exactamente cómo apuntar el cuerpo de todo el satélite hacia la estación terrestre. Sin cardán, la carga útil se puede miniaturizar aún más.

"Teníamos la intención de demostrar una tecnología de bajo costo capaz de descargar rápidamente un gran volumen de datos de LEO a la Tierra, en apoyo de las misiones científicas", dice Wang. "En solo unas pocas semanas de operaciones, ya hemos logrado este objetivo, logrando tasas de transmisión sin precedentes de hasta 100 gigabits por segundo. A continuación, planeamos ejercer funciones adicionales del sistema TBIRD, incluido el aumento de las tasas a 200 gigabits por segundo, permitiendo el enlace descendente de más de 2 terabytes de datos, equivalente a 1,000 películas de alta definición, en un solo paso de cinco minutos sobre una estación terrestre".

El Laboratorio Lincoln desarrolló la misión y la tecnología TBIRD en asociación con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

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