Comunicaciones ópticas en el espacio profundo

Deep Space Optical Communications ( DSOC ) es un sistema de comunicación espacial láser en funcionamiento que mejoró el rendimiento de las comunicaciones de 10 a 100 veces con respecto a la tecnología de radiofrecuencia sin incurrir en aumentos de masa, volumen o potencia. ^{[ 1 ]} DSOC es capaz de proporcionar enlaces descendentes de alto ancho de banda desde más allá del espacio cislunar .

El proyecto está dirigido por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, California . En abril de 2024, el sistema se comunicó con éxito con la nave espacial Psyche a una distancia de 140 millones de millas. ^{[ 2 ]}

Las futuras expediciones humanas podrían requerir un flujo constante de imágenes de alta definición, transmisiones de video en vivo y transmisión de datos en tiempo real a través del espacio profundo para permitir una guía y actualizaciones oportunas durante los viajes de larga distancia. ^{[ 1 ]} Incluso a su velocidad máxima de datos de 5,2 megabits por segundo (Mb/s), el Orbitador de Reconocimiento de Marte (MRO) requiere 7,5 horas para transmitir todo su registrador a bordo y 1,5 horas para enviar una sola imagen HiRISE para su procesamiento en la Tierra. Los nuevos generadores de imágenes hiperespectrales de alta resolución imponen mayores exigencias a su sistema de comunicaciones, requiriendo velocidades de datos aún mayores. ^{[ 3 ]}

La demostración de la tecnología precursora de este transceptor óptico se lanzó en 2023 a bordo de la misión robótica Psyche de la NASA para estudiar el asteroide metálico gigante conocido como 16 Psyche . Los haces láser de la nave espacial serán recibidos por el telescopio Hale de 200 pulgadas (5 m) en el Observatorio Palomar en California. ^{[ 4 ]} Los haces láser hacia la nave espacial serán enviados desde un telescopio más pequeño en el Observatorio Table Mountain en California.

La primera luz se obtuvo el 14 de noviembre de 2023. ^{[ 5 ]}

El primer vídeo transmitido con éxito desde el espacio utilizando esta tecnología tuvo lugar el 11 de diciembre de 2023 desde una distancia récord de 19 millones de millas (31 millones de kilómetros, o aproximadamente 80 veces la distancia Tierra-Luna). ^{[ 6 ]}

Esta nueva tecnología empleará láseres avanzados en la región del infrarrojo cercano (1,55  μm ^{[ 7 ]} ) del espectro electromagnético . ^{[ 1 ]} La arquitectura se basa en la transmisión de una baliza láser desde la Tierra para ayudar a la estabilización de la línea de visión y apuntar de vuelta el haz láser de enlace descendente. Además, se utilizan códigos eficientes para comunicaciones sin errores. El sistema debe corregir el ruido de fondo (luz dispersa) de la atmósfera terrestre y el Sol. ^{[ 8 ]} Dado el hardware actual (transmisión terrestre de 1 m, recepción terrestre de  5 m, telescopio espacial de 22 cm), se espera que el enlace ascendente alcance 292 kbit/s a una distancia de 0,4 unidades astronómicas (60 000 000 km; 37 000 000 mi) , con el enlace descendente alcanzando 100 Mbit/s a la misma distancia. ^{[ 9 ]} El ancho del haz transmitido es inversamente proporcional a la frecuencia utilizada, por lo que cuanto menor sea la longitud de onda utilizada, más estrecho y enfocado será el haz. ^{[ 3 ]} El ancho de banda de enlace descendente dependerá del diámetro del telescopio terrestre y será menor durante el día. ^{[ 9 ]}     

Tres tecnologías DSOC clave desarrolladas para el proyecto incluyen: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• Un sistema de aislamiento y apuntamiento de perturbaciones para naves espaciales de baja masa, diseñado para operar en presencia de vibraciones perturbadoras en la propia nave.
• un transmisor láser de vuelo de alta eficiencia;
• un par de conjuntos de detectores de conteo de fotones de alta eficiencia para el transceptor óptico de vuelo y el receptor terrestre (un telescopio). ^{[ 8 ]}

La misión Psyche de la NASA , lanzada el 13 de octubre de 2023, incluye una demostración de comunicación óptica en el espacio profundo. La nave espacial Psyche explorará el asteroide metálico 16 Psyche y llegará al cinturón de asteroides en 2029. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

La primera luz del DSOC se logró el 14 de noviembre de 2023. El experimento transmitió con éxito un video de ultra alta definición de 15 segundos el 11 de diciembre desde una ubicación a 19 millones de millas de la Tierra (31 millones de kilómetros, o aproximadamente 80 veces la distancia Tierra-Luna). El video precargado de un gato llamado Taters se envió a la velocidad máxima de bits del sistema de 267 megabits por segundo (Mbps) y tardó 101 segundos en llegar a la Tierra. ^{[ 13 ]} Una prueba adicional en julio de 2024 demostró la comunicación a una distancia de 467 millones de kilómetros (290 millones de millas). ^{[ 14 ]}

• Demostración de relé de comunicaciones láser : carga útil de la NASA lanzada en 2021.