Capaz de recibir señales ópticas y de radiofrecuencia, la antena híbrida del DSN ha rastreado y decodificado el láser de enlace descendente del DSOC, a bordo de la misión Psyche de la NASA.

Una antena experimental ha recibido señales láser tanto de radiofrecuencia como de infrarrojo cercano de la nave espacial Psyche de la NASA mientras viaja a través del espacio profundo. Esto muestra que es posible adaptar las antenas parabólicas gigantes de la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA, que se comunican con las naves espaciales a través de ondas de radio, para comunicaciones ópticas o láser.

Al incluir más datos en las transmisiones, la comunicación óptica permitirá nuevas capacidades de exploración espacial y al mismo tiempo respaldará la DSN a medida que crezca la demanda en la red.

La antena híbrida óptica de radiofrecuencia de 34 metros, llamada Estación Espacial Profunda 13, ha rastreado el láser de enlace descendente de la demostración de tecnología de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) de la NASA desde noviembre de 2023. El transceptor láser de vuelo de la demostración técnica viaja con la nave espacial Psyche de la agencia, que se lanzó el 13 de octubre de 2023.

La antena híbrida está ubicada en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo Goldstone de la DSN, cerca de Barstow, California, y no forma parte del experimento DSOC. El DSN, DSOC y Psyche están gestionados por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California.

"Nuestra antena híbrida ha podido bloquear y rastrear de manera exitosa y confiable el enlace descendente DSOC desde poco después del lanzamiento de la demostración técnica", dijo Amy Smith, subdirectora de DSN en JPL. "También recibió la señal de radiofrecuencia de Psyche, por lo que hemos demostrado por primera vez comunicaciones síncronas de radio y frecuencia óptica en el espacio profundo".

A finales de 2023, la antena híbrida transmitió datos desde 32 millones de kilómetros  de distancia a una velocidad de 15,63 megabits por segundo, aproximadamente 40 veces más rápido que las comunicaciones por radiofrecuencia a esa distancia. El 1 de enero de 2024, la antena transmitió una fotografía del equipo que se había subido al DSOC antes del lanzamiento de Psyche.

Dos Por Uno

Para detectar los fotones del láser (partículas cuánticas de luz), se colocaron siete espejos segmentados ultraprecisos en el interior de la superficie curva de la antena híbrida. Estos segmentos, que se asemejan a los espejos hexagonales del Eelescopio Espacial James Webb de la NASA, imitan la apertura de recolección de luz de un telescopio de 1 metro de apertura. A medida que los fotones láser llegan a la antena, cada espejo refleja los fotones y los redirige con precisión hacia una cámara de alta exposición conectada al subreflector de la antena suspendida sobre el centro del plato.
 

La señal láser recopilada por la cámara luego se transmite a través de una fibra óptica que alimenta un detector de fotón único de nanocables semiconductores enfriado criogénicamente. Diseñado y construido por el Laboratorio de Microdispositivos del JPL, el detector es idéntico al utilizado en el Observatorio Palomar de Caltech, en el condado de San Diego, California, que actúa como estación terrestre de enlace descendente del DSOC.

"Es un sistema óptico de alta tolerancia construido sobre una estructura flexible de 34 metros", dijo Barzia Tehrani, subgerente de sistemas terrestres de comunicaciones y gerente de entrega de la antena híbrida del JPL. "Utilizamos un sistema de espejos, sensores precisos y cámaras para alinear y dirigir activamente el láser desde el espacio profundo hacia una fibra que llega al detector".

Teherani espera que la antena sea lo suficientemente sensible como para detectar la señal láser enviada desde Marte en su punto más alejado de la Tierra (2 ½ veces la distancia entre el Sol y la Tierra). Psyche estará a esa distancia en junio en su camino hacia el cinturón de asteroides principal entre Marte y Júpiter para investigar el asteroide Psyche rico en metales.

El reflector de siete segmentos de la antena es una prueba de concepto para una versión ampliada y más potente con 64 segmentos (el equivalente a un telescopio de 8 metros de apertura) que podría usarse en el futuro.

Una Solución de Infraestructura

DSOC está allanando el camino para comunicaciones de mayor velocidad de datos capaces de transmitir información científica compleja, videos e imágenes de alta definición en apoyo del próximo gran salto de la humanidad: enviar humanos a Marte. La demostración técnica transmitió recientemente el primer video de ultra alta definición desde el espacio profundo a velocidades de bits récord.

Reequipar las antenas de radiofrecuencia con terminales ópticos y construir antenas híbridas especialmente diseñadas podría ser una solución a la actual falta de una infraestructura óptica terrestre dedicada. La DSN cuenta con 14 antenas distribuidas en instalaciones de California, Madrid y Canberra, Australia. Las antenas híbridas podrían depender de comunicaciones ópticas para recibir grandes volúmenes de datos y utilizar frecuencias de radio para datos que requieran menos ancho de banda, como la telemetría (información de salud y posición).

"Durante décadas, hemos estado agregando nuevas frecuencias de radio a las antenas gigantes de la DSN ubicadas en todo el mundo, por lo que el siguiente paso más factible es incluir frecuencias ópticas", dijo Tehrani. “Podemos tener un activo haciendo dos cosas al mismo tiempo; convirtiendo nuestras vías de comunicación en autopistas y ahorrando tiempo, dinero y recursos”.