Comunicación Tierra-Luna-Tierra

La comunicación Tierra-Luna-Tierra ( EME , por sus siglas en inglés), también conocida como rebote lunar , es una técnica de radiocomunicaciones que se basa en la propagación de ondas de radio desde un transmisor terrestre , dirigidas mediante reflexión desde la superficie de la Luna de vuelta a un receptor terrestre .

El uso de la Luna como satélite de comunicaciones pasivo fue propuesto por W. J. Bray, de la Oficina General de Correos británica , en 1940. Se calculó que, con la potencia de transmisión de microondas disponible y receptores de bajo ruido , sería posible enviar señales de microondas desde la Tierra y reflejarlas en la Luna. Se creía que al menos un canal de voz sería posible. ^{[ 1 ]}

En 1943, durante experimentos alemanes con equipos de medición de radio, se recibieron y reconocieron como tales reflexiones de radar provenientes de la Luna, según informó el Dr. Ing. W. Stepp en la revista Der Seewart . Stepp observó una "perturbación" que "aparecía, tenía una duración de varios impulsos y una intensidad mayor que la de los objetivos cercanos más potentes. No aparecía hasta aproximadamente dos segundos después de encender el transmisor y desaparecía (pulsando) poco después de apagarlo. Sin embargo, el resto de la imagen del eco aparecía y desaparecía al encender/apagar el transmisor. La 'perturbación' solo ocurría cuando la antena apuntaba hacia el este, y desaparecía inmediatamente tras un cambio importante de dirección, pero reaparecía solo unos dos segundos después de volver a la dirección original. Aparentemente, habíamos detectado la Luna naciente detrás de las nubes con el equipo. Esto explicaba la desaparición gradual de los impulsos debido a que el cuerpo reflectante se movía lentamente fuera del haz horizontal fuertemente enfocado, a medida que ascendía sobre el horizonte". ^{[ 2 ]}

Sin embargo, no fue hasta el final de la Segunda Guerra Mundial que se desarrollaron técnicas específicamente destinadas a hacer rebotar ondas de radar en la luna para demostrar su potencial uso en defensa, comunicaciones y astronomía de radar . El primer intento exitoso se llevó a cabo en Fort Monmouth , Nueva Jersey, el 10 de enero de 1946, por un grupo con nombre en clave Proyecto Diana , dirigido por John H. DeWitt . ^{[ 3 ]} Le siguió menos de un mes después, el 6 de febrero de 1946, un segundo intento exitoso, por un grupo húngaro dirigido por Zoltán Bay . ^{[ 4 ]} El proyecto Communication Moon Relay que siguió condujo a usos más prácticos, incluido un enlace de teletipo entre la base naval en Pearl Harbor , Hawái y el cuartel general de la Armada de los Estados Unidos en Washington, DC En los días anteriores a los satélites de comunicaciones , un enlace libre de la volatilidad y los problemas de la propagación ionosférica fue revolucionario.

El desarrollo de los satélites de comunicación en la década de 1960 hizo que esta técnica quedara obsoleta. Sin embargo, los radioaficionados adoptaron la comunicación EME como pasatiempo; la primera comunicación de radioaficionados mediante rebote lunar tuvo lugar en 1953, y los radioaficionados de todo el mundo siguen utilizando la técnica. El radioaficionado Ray Naughton (VK3ATN) de Birchip, Victoria, Australia, logró el primer rebote lunar de Australia con una antena casera de 250 m de ancho y 30 m de largo, con una señal de 100 vatios en 1970. (Científicos de la NASA, tras haber ridiculizado su proyecto casero , afirmando que se necesitaría al menos un kilovatio, lo invitaron a Estados Unidos, con todos los gastos pagados, para aprender de su ingenio. Naughton participó posteriormente en el primer satélite australiano, Australis-OSCAR 5 ). ^{[ 5 ]}

El efecto incluso se ha utilizado con fines artísticos. La compositora Pauline Oliveros empleó el efecto moonbounce en su obra de 1987, Echoes from the Moon, ^{[ 6 ]} y en 2024 el músico alemán Hainbach experimentó con moonbounce y creó un complemento de audio para reproducir el efecto. ^{[ 7 ]}

Los radioaficionados utilizan EME para la comunicación bidireccional . EME presenta desafíos importantes para los radioaficionados interesados ​​en la comunicación con señales débiles. EME proporciona la ruta de comunicación más larga que pueden utilizar dos estaciones en la Tierra.

Se han utilizado con éxito bandas de frecuencia de radioaficionados desde 50 MHz ( longitud de onda  de 6 metros ) hasta 47 GHz (6,38 mm ), pero la mayoría de las comunicaciones EME se realizan en las bandas de 2 metros , 70 centímetros o 23 centímetros . Los modos de modulación comunes son onda continua con código Morse, digital ( JT65, Q65, FT8 ) ^{[ 8 ] [ 9 ]} y, cuando los presupuestos de enlace lo permiten, voz. 

Los recientes avances en el procesamiento digital de señales han permitido que los contactos EME, si bien con una baja velocidad de transmisión de datos, se realicen con potencias del orden de 100 vatios y una sola antena Yagi-Uda .

El Día Mundial del Rebote Lunar, el 29 de junio de 2009, fue creado por Echoes of Apollo y celebrado en todo el mundo como un evento previo al 40.º aniversario del alunizaje del Apolo 11. Uno de los momentos culminantes de las celebraciones fue una entrevista vía Luna con el astronauta del Apolo 8, Bill Anders , quien también formó parte de la tripulación de reserva del Apolo 11. La Universidad de Tasmania en Australia, con su antena parabólica de 26 metros (85'), logró enviar una señal de datos a la superficie lunar, la cual fue recibida por una gran antena en los Países Bajos, el Observatorio de Radio Dwingeloo . La señal de datos se descifró con éxito, estableciendo un récord mundial para la señal de datos de menor potencia recibida desde la Luna, con una potencia de transmisión de 3 milivatios, aproximadamente 1000 veces la potencia de una linterna . El segundo Día Mundial del Rebote Lunar se celebró el 17 de abril de 2010, coincidiendo con el 40.º aniversario de la conclusión de la misión Apolo 13.

En octubre de 2009, la artista multimedia Daniela de Paulis propuso a la asociación de radioaficionados CAMRAS, con sede en el Observatorio de Radio de Dwingeloo, utilizar el efecto de rebote lunar para una transmisión de imágenes en directo. Como resultado de su propuesta, en diciembre de 2009, los radioaficionados de CAMRAS, Jan van Muijlwijk y Daniel Gautchi, realizaron la primera transmisión de imágenes a través de la Luna utilizando el software de código abierto MMSSTV. De Paulis denominó a esta innovadora tecnología "Visual Moonbounce" y, desde 2010, la ha utilizado en varios de sus proyectos artísticos, incluyendo la performance en directo OPTICKS, durante la cual se envían imágenes digitales a la Luna y regresan en tiempo real , proyectándose en directo.

Las ondas de radio se propagan en el vacío a la velocidad de la luz c , exactamente 299.792.458  m/s. El tiempo de propagación a la Luna y de regreso oscila entre 2,4 y 2,7 ​​segundos, con un promedio de 2,56 segundos (la distancia promedio de la Tierra a la Luna es de 384.400 km).

La Luna es casi esférica, y su radio corresponde a un tiempo de propagación de onda de aproximadamente 5,8 milisegundos. Las partes posteriores de un eco, reflejadas por irregularidades en la superficie cerca del borde del disco lunar, se retrasan con respecto al borde frontal hasta en el doble de este valor.

La mayor parte de la superficie lunar parece relativamente lisa en las longitudes de onda de microondas típicas que se utilizan para la radioafición EME. La mayoría de los radioaficionados realizan contactos EME por debajo de 6  GHz, y las diferencias en la reflectividad de la Luna son algo difíciles de discernir por encima de 1  GHz.

Los reflejos lunares son, por naturaleza, cuasi- especulares (como los de una bola de rodamiento brillante). La energía útil para la comunicación se refleja principalmente en una pequeña región cercana al centro del disco. La dispersión temporal efectiva de un eco no supera los 0,1 ms.

La polarización de la antena para estaciones EME debe tener en cuenta que la reflexión en una superficie lisa conserva la polarización lineal , pero invierte el sentido de las polarizaciones circulares .

A longitudes de onda más cortas, la superficie lunar se ve cada vez más rugosa, por lo que las reflexiones a 10  GHz y superiores contienen un componente difuso significativo , así como un componente cuasi-especular. El componente difuso está despolarizado y puede considerarse una fuente de ruido de bajo nivel en el sistema. Una parte significativa del componente difuso proviene de regiones más alejadas hacia el borde lunar. La dispersión temporal media puede alcanzar varios milisegundos. Sin embargo, en la práctica, la dispersión temporal es lo suficientemente pequeña como para no causar una distorsión significativa de la modulación CW ni interferencia entre símbolos en las modulaciones de conmutación lenta que se utilizan habitualmente para EME digital. El componente difuso puede aparecer como ruido significativo a velocidades de datos de mensajes más altas.

La dispersión temporal de EME tiene un efecto muy significativo. Los componentes de la señal reflejados desde diferentes partes de la superficie lunar recorren distancias distintas y llegan a la Tierra con relaciones de fase aleatorias. A medida que cambia la geometría relativa de la estación transmisora, la estación receptora y la superficie lunar reflectante, los componentes de la señal a veces se suman y a veces se cancelan, dependiendo de su relación de fase , creando grandes fluctuaciones de amplitud en la señal recibida. Estas variaciones de amplitud por "desvanecimiento por libración" están bien correlacionadas en el ancho de banda de coherencia (normalmente unos pocos kHz). Los componentes de desvanecimiento por libración están relacionados con la dispersión temporal de las señales reflejadas.

VHF

• CW
• JT65A, JT65B, Q65

UHF

• CW
• JT65, Q65
• SSB

Microonda

• CW
• SSB
• Q65

El efecto Doppler a 144  MHz es de 300  Hz al amanecer y al atardecer. Este efecto se reduce prácticamente a cero cuando la Luna está en lo alto. En otras frecuencias, existen otros efectos Doppler. Al amanecer,  las señales de 144 MHz recibidas se desplazan aproximadamente 300  Hz hacia arriba. A medida que la Luna se desplaza por el cielo hacia el sur o el norte, el efecto Doppler se aproxima a cero. Al atardecer, se desplaza 300  Hz hacia abajo. El efecto Doppler causa numerosos problemas al sintonizar y captar señales provenientes de la Luna.

Los efectos de polarización pueden reducir la intensidad de las señales recibidas. Un componente es la alineación geométrica de las antenas transmisoras y receptoras. Muchas antenas producen un plano de polarización preferido. Las antenas de las estaciones transmisoras y receptoras pueden no estar alineadas desde la perspectiva de un observador en la Luna. Este componente se corrige mediante la alineación de las antenas, y las estaciones pueden incluir un mecanismo para rotarlas y ajustar la polarización. Otro componente es la rotación de Faraday en la trayectoria Tierra-Luna-Tierra. El plano de polarización de las ondas de radio rota al pasar a través de las capas ionizadas de la atmósfera terrestre. Este efecto es más pronunciado en frecuencias VHF bajas y se vuelve menos significativo a partir de 1296 MHz . Parte de la pérdida por desajuste de polarización puede reducirse utilizando una matriz de antenas más grande (más elementos Yagi o una antena parabólica más grande). ^{[ 10 ]}

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  Conjunto de ocho antenas Yagi para  EME de 144 MHz en EA6VQ, Islas Baleares, España.
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  Parte de  la matriz de antenas EME de 144 MHz en WA6PY en California, EE. UU.
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  Antena parabólica para comunicaciones EME por microondas en WA6PY, California, EE. UU.
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  Antena parabólica para UHF EME en I2FZX, Milán, Italia.
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  Conjunto de antenas de radioaficionados utilizado para la comunicación Tierra-Luna-Tierra en 144  MHz, Kilafors, centro de Suecia.
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  Conjunto de antenas de radioaficionados utilizado para la comunicación Tierra-Luna-Tierra en 144  MHz, Jäder, centro de Suecia.
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  Conjunto de antenas de radioaficionados utilizado para la comunicación Tierra-Luna-Tierra en 144  MHz, Staffanstorp, sur de Suecia.

• Relé lunar de comunicaciones
• teoría de la información
• Experimento de medición láser lunar
• comunicaciones de estallido de meteorito
• Repetidor pasivo
• ecuación de radar
• Banda S unificada

• NASA, Más allá de la ionosfera: el desarrollo de las comunicaciones por satélite
• Software DF9CY de C. Petermann (proporciona fórmulas para el cálculo de la pérdida de trayectoria EME).
• Radiotelescopio Dwingeloo | CAMRAS – Radiotelescopio Dwingeloo | Sitio PI9RD de la asociación de radioaficionados CAMRAS en el radiotelescopio de Dwingeloo
• Óptica | performance artística en vivo tierra-luna-tierra
• Día Mundial del Salto Lunar 2010, 17 de abril | Noticias Espaciales de Ecos del Apolo Día Mundial del Salto Lunar - Ecos del Apolo
• Instituto Inalámbrico de Radioaficionados de Australia - Agosto de 2009 - Instituto Inalámbrico de Australia
• K3PGP - Rincón del Experimentador - Recepción de TV UHF K3PGP vía EME (1970) K3PGP - Recepción de TV UHF vía comunicación Tierra-Luna-Tierra
• Recepción de señal portadora de TV UHF mediante rebote lunar (EME) en Wayback Machine (archivado el 14 de marzo de 2019).
• ÓPTICA y rebote lunar visual en actuaciones en directo