Cuando los astronautas aterricen en Marte, tal vez dentro de un par de décadas, necesitarán encontrar una manera de comunicarse: entre ellos, con los equipos en el planeta y sus alrededores, y con el control de la misión en la Tierra. A pesar de vivir tan lejos de casa, sin duda querrán conectarse con sus seres queridos, mantener sus listas de reproducción actualizadas o transmitir los últimos episodios de sus programas favoritos.

Pero configurar una conexión Wi-Fi a Internet en la Tierra no será una opción. La Tierra simplemente está demasiado lejos: entre 55 y 400 millones de kilómetros, dependiendo de dónde se encuentren los planetas en sus órbitas. Los viajeros espaciales necesitarán otra estrategia.

Establecer una buena infraestructura de comunicaciones es esencial para las misiones humanas a Marte, dice Claire Parfitt, ingeniera de sistemas de la Agencia Espacial Europea o ESA, con sede en Noordwijk, Países Bajos. "Por el momento, estamos en las primeras etapas para determinar qué significa eso".

Los investigadores están probando formas de actualizar las redes existentes, junto con algunas alternativas lejanas. Por ejemplo, la misión Psyche de la NASA, que despegó en octubre con el objetivo de explorar un asteroide entre Marte y Júpiter, también probará la comunicación interplanetaria mediante láser. Los láseres podrían transportar muchos más datos que las ondas de radio que se han utilizado desde los primeros días de los viajes espaciales.

Ninguna estrategia conocida puede solucionar el desfase temporal en las comunicaciones entre la Tierra y Marte; un mensaje que se mueve a la velocidad de la luz tarda entre cuatro y 24 minutos en un viaje de ida. En otras palabras, un ping rápido al control de la misión está fuera de discusión, sin mencionar una llamada a casa por WhatsApp.

También está la cuestión de la conjunción solar, dice Parfitt, cuando el Sol se interpone entre la Tierra y Marte. Esto sucede durante un par de semanas aproximadamente cada dos años, cortando las comunicaciones entre los planetas. El último tuvo lugar en noviembre.

Pero nuevos enfoques podrían abrir posibilidades que hagan que las comunicaciones en Marte sean más parecidas a las que experimentamos aquí en la Tierra. Al menos un equipo de investigación se ha preguntado: ¿Qué pasaría si Marte tuviera su propia Internet?

Cómo funciona la comunicación con Marte hoy

Varias agencias espaciales ya tienen módulos de aterrizaje, vehículos exploradores y satélites en Marte que tienen que comunicarse con la Tierra.

Considere el rover Perseverance de la NASA. Envía y recibe dos tipos de información. Uno es el comando y la telemetría, donde los operadores en la Tierra envían instrucciones, reciben información y toman decisiones sobre qué hacer a continuación. Percy normalmente recibe más de 1000 órdenes de la Tierra todos los días. El segundo son los datos científicos (imágenes de rocas marcianas, por ejemplo) que recopila Percy. El helicóptero Ingenuity, que finalizó su misión a principios de este año, también hacía ping periódicamente al rover, que servía como estación base para transmitir datos y comandos entre Ingenuity y la Tierra. Los orbitadores que orbitan el planeta, incluidos el Mars Odyssey y el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA, y el Trace Gas Orbiter (TGO) de la ESA , también envían datos científicos a casa.

Llamando a la Tierra

Perseverance y otros rovers de Marte reciben la mayoría de los comandos directamente de la Tierra a través de ondas de radio de banda X. Aunque Percy puede enviar pequeñas cantidades de datos directamente, a menudo utiliza ondas de radio de frecuencia ultraalta, o UHF, para transmitir datos a uno de los orbitadores de la Mars Relay Network, que tiene grandes antenas para enviar datos a la Tierra. Percy también sirvió como estación base para la comunicación con el helicóptero Ingenuity.

El rover Perseverance aparece en Marte con radiofrecuencia UHF y líneas de radiofrecuencia de banda X que conectan el rover con la Tierra, Ingenuity y un satélite al fondo. TIERRA Y MRO: NASA; ANTENA DSN: ANITA GOULD/FLICKR (CC BY-NC 2.0 ESCRITURA); ROVER, INGENUITY Y SUPERFICIE DE MARTE: JPL-CALTECH/NASA; ADAPTADO POR C. CHANG

Gran parte de la comunicación con Marte se realiza a través de la Mars Relay Network en lo que la NASA describe como "un baile estrechamente coreografiado". Esta red de cinco orbitadores alrededor de Marte (MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey y Mars Express) transmite información a través de antenas apuntadas hacia la Tierra.

Un rover que necesita enviar sus últimas observaciones a la Tierra primero pasa los datos a uno de los orbitadores mediante transmisiones de radio de frecuencia ultraalta. Si ese orbitador no tiene línea de visión hacia la Tierra, puede retener la información hasta que la tenga. Luego, los datos se transmiten a la Tierra, donde poderosas antenas de radio distribuidas por todo el mundo están siempre escuchando los pings provenientes del espacio profundo.

Una vez que una tripulación humana aterrice en Marte, este sistema no será lo suficientemente bueno. Vincent Chan, investigador en comunicaciones por fibra óptica y satélite del MIT, no prevé que la comunicación local en tierra sea un desafío. Una tripulación marciana puede interactuar utilizando radiofrecuencia y tecnologías inalámbricas existentes, afirma. Dos minitorres de telefonía celular serían suficientes cuando los astronautas estén muy juntos, y se podría usar algún tipo de relé cuando los astronautas estén lo suficientemente separados como para enviar mensajes a través del horizonte. Las personas que viven en regiones remotas de la Tierra se comunican de manera similar todo el tiempo. "Esos servicios ya están en funcionamiento", dice Chan, y son "muy económicos".

Una gran antena en el vehículo de aterrizaje de la tripulación, apuntando hacia la Tierra, sería probablemente la primera infraestructura que instalarían los exploradores marcianos, dice Chan, pero luego las cosas podrían volverse más desafiantes. Cuando esa antena terrestre no tiene una línea de visión directa, los astronautas podrían usar relés orbitales similares a la Mars Relay Network para comunicarse con la Tierra. Tendrían que estar disponibles varios orbitadores para una cobertura las 24 horas del día y habría que optimizarlos para una gran transferencia de datos.

Actualmente, la ESA está estudiando cómo hacer más robusta la red de retransmisión actual. Se encuentra en las primeras etapas de consideración de un concepto llamado Infraestructura de navegación y comunicación de Marte, o MARCONI. Si avanza, el proyecto desarrollará un conjunto de cargas útiles relacionadas con la comunicación y la navegación que podrían complementar cualquier misión dirigida a Marte.

Una vez desplegadas en órbita, estas cargas útiles actuarían como nodos para proporcionar comunicación por radio en y con Marte, explica Parfitt. Luego podrían quedarse para usarlos en futuras misiones. "Cuanto más masa aterrices, más caro será, por lo que no necesariamente querrás aterrizar sistemas de comunicación masivos en Marte cada vez", dice.

Aunque las radiofrecuencias tradicionales serían suficientes para velocidades de datos bajas, el uso de un enlace láser podría transportar de 10 a 100 veces más datos en el mismo período de tiempo. Debido a las frecuencias más altas de las ondas ópticas, cientos de miles de veces mayores que las de las ondas de radio, se puede empaquetar mucha más información. Por lo tanto, este tipo de señal óptica es precisamente hacia donde pueden dirigirse las comunicaciones espaciales.

Comunicación láser en el espacio.

La nave espacial Psyche, lanzada en octubre pasado, probará la viabilidad de las comunicaciones láser a larga distancia mientras se dirige hacia Psyche, el asteroide rico en metales que va a explorar. La nave espacial lleva la tecnología de Comunicaciones Ópticas del Espacio Profundo, o DSOC, de la NASA.

El uso de láseres para las comunicaciones espaciales no es nuevo, pero nunca se han probado desde distancias superiores a la luna. A mediados de noviembre, Psyche transmitió datos a la Tierra desde una distancia de 16 millones de kilómetros, 40 veces más que la Luna. En diciembre envió un vídeo de un gato llamado Taters desde 31 millones de kilómetros de distancia.

La ESA también está explorando la comunicación óptica de larga distancia. Un programa llamado ScyLight, abreviatura de Secure and Laser Communication Technology y pronunciado tragaluz , apoya la investigación y el desarrollo de tecnologías ópticas y cuánticas para una comunicación de datos rápida y segura desde el espacio.

A pesar de los beneficios, la comunicación óptica requiere ultraprecisión al dirigir la señal. A diferencia de las comunicaciones por radio, las señales ópticas se envían en un haz estrecho que debe apuntar exactamente al receptor. Además, la nubosidad y los efectos atmosféricos también interfieren con los láseres.

Cualquier cambio hacia las comunicaciones ópticas significaría algunas actualizaciones de las antenas de radio existentes que escuchan mensajes del espacio profundo (llamada Red del Espacio Profundo) o nueva infraestructura.

Aunque está más cerca que Marte, la luna ofrece oportunidades de aprendizaje para la conectividad futura. Como parte del programa Artemis, cuyo objetivo es devolver a los humanos a la Luna, la NASA ha contratado a empresas privadas para establecer una red lunar 4G para telecomunicaciones. Estas redes se basan en ondas de radio e incluirían la instalación de antenas y estaciones base que puedan soportar el duro paisaje lunar.

Un programa de la ESA llamado Moonlight invita a empresas espaciales privadas a establecer una constelación de satélites de comunicación alrededor de la Luna, incluso para regiones que no tienen visibilidad directa desde la Tierra. La primera fase del programa incluye el lanzamiento del orbitador Lunar Pathfinder, actualmente previsto para 2026.

"Todo lo que se está haciendo para la Luna tiene como objetivo llevar humanos y misiones a Marte", dice Tomás Navarro, que reside en Londres y es ingeniero de proyectos de futuro en la ESA.

Una Internet en Marte

Esos exploradores marcianos, por no hablar de los futuros habitantes, sin duda querrán hacer algo más que enviar mensajes de un lado a otro. Querrán una configuración similar a la Internet de la Tierra, que utilizamos para todo, desde compartir fotos hasta acceder a bases de datos masivas. En junio de 2023, Tobias Pfandzelter y David Bermbach de la Technische Universität Berlin propusieron que una flota de satélites que orbiten alrededor de Marte podría proporcionar al Planeta Rojo su propia Internet.

La mayoría de nosotros aquí en la Tierra accedemos a Internet a través de nuestros teléfonos utilizando radiación de radiofrecuencia en redes inalámbricas 4G o 5G o mediante enrutadores Wi-Fi. Estas conexiones están conectadas mediante cables de fibra óptica en todo el mundo. En cambio, la red propuesta para Marte sería similar a Starlink, una constelación de satélites en órbita terrestre baja operada por SpaceX. En la Tierra, la cobertura de Internet de banda ancha y telefonía móvil vía satélite es cara, pero en Marte, un sistema de este tipo podría ser más barato y más fácil de construir que una red amplia y robusta en tierra.

Pfandzelter y Bermbach son expertos en computación en la nube: la prestación de servicios informáticos a través de Internet. Para su propuesta de Internet marciana, extrapolaron conceptos de la informática de punta, en la que la información se procesa cerca de donde se recopila.

Michael Clegg, director general de la empresa de tecnología Supermicro, con sede en San José, California, explicó la informática de punta utilizando la analogía de una popular pizzería “que abre sucursales más pequeñas en más vecindarios, ya que un pastel horneado en la ubicación principal enfriarse de camino a un cliente lejano”. La computación perimetral generalmente se basa en estaciones base en tierra para almacenar y transmitir los datos, pero ahora se consideran los satélites de órbita terrestre baja como una alternativa.

Pfandzelter y Bermbach concluyeron que una constelación de 81 satélites de órbita baja alrededor de Marte sería suficiente para una cobertura planetaria. Proporcionarían un sistema de comunicaciones local que sería una extensión de Internet de la Tierra.

Considere un astronauta en Marte tratando de ponerse al día con un programa de Netflix. "Si tuvieras que transmitirlo desde la Tierra, primero tendrías que esperar 10, 15 o incluso 40 minutos", dice Pfandzelter, y eso es sólo para conectarse. Sería un frustrante asunto de "parar y empezar". Y si otro astronauta en Marte quisiera ver la misma película, tendría que pasar por el mismo proceso nuevamente.

En cambio, un sistema de almacenamiento de datos en la nube en Marte podría facilitar el acceso a las películas. "Podrías tener la misma experiencia que tienes en la Tierra, porque todos tus datos se copian localmente", afirma. Mientras tanto, otras cargas y descargas hacia y desde la Tierra, como datos científicos, podrían continuar en segundo plano.

Poner satélites de Internet en órbita alrededor de Marte también sería económico porque no requeriría infraestructura de aterrizaje en la superficie; El equipo de aterrizaje puede representar una gran parte del presupuesto de una misión. "Sería mucho más barato enviar un montón de satélites en red a Marte y mantenerlos en órbita", dice Pfandzelter.

Es similar a una versión ampliada del concepto MARCONI (y podría usar ondas de radio u ópticas, según el estado de esas tecnologías).

Incluso si faltan décadas para llegar a Marte, dice Parfitt, no es demasiado pronto para empezar a planificar. Las videoconferencias en vivo entre planetas están fuera del ámbito de las posibilidades científicas. A menos que haya un cambio importante en las leyes de la física, los mensajes nunca podrán viajar más rápido que la velocidad de la luz. “No es un problema que deba resolverse. Es sólo un problema”.

Pero se pueden superar otras limitaciones. Abordar esos desafíos puede no sólo beneficiar a los futuros astronautas en Marte, sino que también puede ayudarlos a llegar allí antes.

"Cuando se instala una infraestructura como esa", dice Parfitt, "se ven muchas, muchas más misiones propuestas".

CITAS

M. Arvis y col. Un primer concepto de TT&C para MARCONI, un satélite de retransmisión marciano. constelación . Noveno Taller Internacional sobre Sistemas de Seguimiento, Telemetría y Mando para Aplicaciones Espaciales. Publicado en línea en diciembre de 2022.

T. Pfandzelter y D. Bermbach. ¿Pueden los servidores orbitales proporcionar computación de borde en todo Marte?   arXiv:2306.09756. Presentado el 16 de junio de 2023.

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