Comunicaciones Interplanetarias. Llamando a Marte
ESPACIO
Comunicaciones Interplanetarias. Llamando a Marte
2017-09-22
Por
David Martínez Oliveira y Borja García Gutiérrez

Las videoconferencias con distantes naves espaciales no son nada nuevo. En cualquier película del espacio que se precie, se producen infinidad de llamadas desde un extremo de la galaxia al otro. En el mundo real, todavía no estamos en ese punto, pero hace ya años que las comunicaciones interplanetarias son una realidad. Satélites y robots en distintos planetas de nuestro sistema solar reciben y envían datos a diario. Pero las cosas no son exactamente como nos muestran en las películas :).
En este breve artículo vamos a hablar de cómo funcionan las comunicaciones con planetas cercanos. En concreto vamos a hablar de Marte, si bien, podríamos haber escogido cualquier otro planeta de nuestro sistema solar. La razón de elegir uno en concreto no es otra que la de poder utilizar algunos datos reales para explicar más fácilmente algunos conceptos.

Escala Espacial

Sí, en el espacio todo es mú grande. Cosas que ni nos plateamos en nuestra vida cotidiana, que damos por hechas, dejan de ser tan evidentes en el espacio. Y una de esas cosas es la velocidad de la luz.

La luz es muy rápida... corre que se las pela. A escala terráquea la podemos considerar instantánea. Pero, cuando las distancias son enormes, la luz ya no parece tan rápida. Por qué hablamos de la luz? Bueno, porque el concepto de la velocidad de la luz le resulta familiar a todo el mundo y, puesto que la luz no es más que un tipo especial de onda electromagnética, nos viene que ni pintado como ejemplo para introducir el tema de las comunicaciones. Sí, prácticamente todos los sistemas de comunicaciones modernos utilizan radiación electromagnética. Da igual que se trate de radio frecuencia o de un sistema de comunicación óptico por láser. La velocidad a la que viajan los datos es prácticamente la misma en todos los casos: la velocidad de la luz.

Vamos a poner esto en perspectiva con algunos números. Como todos sabéis, la luz se mueve a unos 300.000 km/s (en el vacío, que es lo que nos interesa cuando hablamos del espacio). Calculemos lo que tardaría la luz, o una señal de radio si lo preferís, en llegar al Sol, el cual se encuentra exactamente a 1 unidad astronómica, unos 149.597.870.700 m o unos 149.600.000 km!

149.600.000km / 300000km/s ~ 499s ~ 8.3 minutos!!!

En otras palabras, si a uno de nuestros colegas le molara el calor y se fuera de vacaciones al Sol :), y lo llamásemos por teléfono para ver qué tal se lo está pasando con tanto calorcito, nuestras primeras palabras, que bien podrían ser: "Qué passsa tío!?", tardarían más de 8 minutos en llegar hasta el teléfono de nuestro caluroso amigo.

Ahora poneros en el caso de esas películas de ciencia ficción en las que el centro de mando de la Federación en la Tierra charla distendidamente con el capitán de turno de la Enterprise que se encuentra fuera de nuestro sistema solar, ya sabéis, Allá donde ningún hombre había llegado antes... Bueno, pues por tratarse de ciencia ficción vamos a tener que suponer que finalmente alguien ha conseguido que las comunicaciones cuánticas funcionen o algo por el estilo se haya descubierto mientras tanto, si no parece que no salen las cuentas.

Y Sin embargo Gira

Vamos a ponernos ahora en un caso más realista. Los confines de la galaxia nos quedan un poco a desmano, así que empecemos con algo más cercano. Como dijimos al principio, vamos a charlar con Marte. Esto es algo que ya se está haciendo hoy en día, aunque dista bastante de parecerse a una llamada telefónica o a una inocente conexión a una página web.

A priori podríamos pensar que Marte está más cerca de la Tierra que el Sol. Sin embargo, como todos sabemos, Marte también gira alrededor del Sol. Lo hace de la misma forma que la Tierra aunque a mayor distancia y menor velocidad. Lo que esto significa es que, a veces Marte va a estar bastante cerca de la Tierra y otras veces va a estar mucho más lejos que el Sol. La Figura 1 muestra los dos casos extremos.

Figura 1. Distancia mínima y máxima entre la Tierra (azul) y Marte (rojo)

Si lo buscáis en Internet, veréis que la distancia entre la Tierra y Marte podría tener unos valores extremos comprendidos entre los 54.6 y los 401.3 millones de kilómetros (fuente: https://www.space.com/14729-spacekids-distance-earth-mars.html). Si repetimos nuestros cálculos anteriores veremos que, en el mejor de los casos nuestra señal llegará a Marte en unos 3 minutos y en el peor de los casos tardará unos 22 minutos. Vamos que resultaría complicado mantener una conversación telefónica con un interlocutor marciano, incluso mientras el planeta rojo se encuentre en su posición más cercana a la Tierra.

Por ahora sólo nos comunicamos con rovers y satélites y, la verdad, no es que tengan una conversación tan amena como para mantenernos pegados al teléfono, así que nos da un poco igual si no podemos charlar de forma relajada e interactiva con ellos. Sin embargo, cuando tengamos personas en la superficie de Marte... pues bueno, si todo sigue como hoy por hoy, tampoco van a poder charlar con sus familiares y amigos en la Tierra... al menos no de una forma tan instantánea como a la que estamos acostumbrados aquí en la Tierra.

Eclipses

Muchos ya lo habréis pensado, pero por si hay algún despistado en la sala, los eclipses pasan. Como tanto la Tierra como Marte giran alrededor del Sol, en algún momento, el Sol va a estar entre medias bloqueando nuestras señales.

FIGURA 2. Zona de eclipse Marciano por interposición del Sol

No obstante, no se trata tanto de un problema de visión directa, ya que las ondas electromagnéticas son capaces de sortear obstáculos entre medias y alcanzar receptores en principio ocultos. El problema gordo es que el Sol es una fuente super intensa de radiación y, lo que eso significa, es que vamos a tener unas interferencias del copón. Esas interferencias son tan grandes que no es posible transmitir o recibir información mientras el Sol esté en medio. De hecho, las interferencias están presentes ya antes de entrar en la zona de eclipse y después de salir de ella.

Efectivamente, los más avispados probablemente ya os habréis dado cuenta... si el problema es la radiación que produce el Sol, entonces tendremos problemas para recibir cualquier señal siempre que tengamos al Sol de frente. En general se asume que las interferencias son un problema para las comunicaciones interplanetarias si el Sol está a menos de 5 grados de la línea entre emisor y receptor.

El alineamiento que muestra la Figura 2 se llama 'conjunción'. El término debería sonar familiar a los aficionados a las historias sobre el fin del mundo :). El otro caso que podéis ver en la Figura 3 se denomina 'oposición'.

FIGURA 3. Interferencia Solar (Oposición)

En este caso los de la Tierra no nos podemos comunicar con Marte, pero si los de Marte con nosotros, ya que la radiación solar no interfiere con las señales provenientes de Marte.

Y sí amigos, como os decíamos al principio, todo en el espacio es a lo bestia... no es que vayamos a tener interferencias durante unas horas, es que esas interferencias afectan las comunicaciones durante días en el mejor de los casos. Durante ese tiempo los pobres colonos marcianos estarán totalmente incomunicados... al menos mientras no se instale una red de satélites de retransmisión que permita mandar las señales evitando el alineamiento con el Sol.

Orbiters

Los orbitadores u Orbiters, como se conocen en inglés, son los encargados de establecer los enlaces interplanetarios. Se trata de un satélite que se sitúa en una órbita en la que se maximice la visibilidad entre los dos extremos que se quieren comunicar, por ejemplo, un rover en la superficie del planeta y una estación de comunicaciones en la Tierra.

Como todos sabéis, Marte también tiene días. Sí, rota sobre sí mismo igual que la Tierra. Bueno, en realidad los días de Marte se llaman soles, para así poder diferenciarlos de los días terrestres. Un sol dura un poco más que un día en la tierra, unas 24 horas y 40 minutos. Eso nos vendría muy bien a algunos de nosotros. :)

Una consecuencia de esto, si nuestro interlocutor está en la superficie de Marte, es que no podrá comunicarse con la Tierra siempre que quiera. En particular durante las misteriosas noches marcianas... Como Marte está en una órbita más externa que la Tierra, la parte del planeta en la que es de noche siempre permanece oculta o casi oculta desde la Tierra. Se puede ver en la Figura 4 como nuestro rover (el punto verde), mientras esté en la zona nocturna de Marte (zona roja oscura), se encontrará prácticamente en la cara contraria a la Tierra impidiéndose así cualquier comunicación directa.

FIGURA 4. Visibilidad desde la Tierra durante la noche marciana

La solución... los rovers en la superficie marciana transmiten sus datos al satélite (el Orbiter, el punto morado) cuando éste los sobrevuela, y éste a su vez los reenvía a la Tierra cuando es visible. El uso de orbiters, puesto que se encuentran bastante más alejados de la superficie y se mueven en su órbita independientemente de la rotación diaria del planeta, hace que los periodos de transmisión sean más independientes de la posición relativa del rover y la Tierra.

Por tanto, el orbiter sólo podrá recibir datos del rover en unos periodos determinados y sólo podrá enviarlos a la Tierra en otros periodos concretos... Os suena lo de haber perdido la ventana de comunicaciones que tanto nombran en las películas? Seguro que sí. Esas ventanas no son otra cosa que esos periodos de tiempo en los que es posible transmitir... o más específicamente, que lo que se transmita pueda ser recibido.

Esta solución tiene algunas ventajas adicionales:

  • En general necesitaremos menos potencia en los rovers para transmitir. El rover sólo tiene que transmitir a un satélite (igual que un teléfono vía satélite en la Tierra) y el satélite, al encontrarse en el espacio, va a poder transmitir con menores pérdidas.
  • En general, es más fácil añadir memoria al satélite (mucho más grande) que al rover y, por lo tanto, disponemos de un segundo parámetro para optimizar nuestro rover reduciendo su memoria.
  • Finalmente, tener el enlace de transmisión a la Tierra en el espacio nos permite plantearnos el uso de enlaces ópticos. Dejando a un lado los desafíos técnicos para apuntar un láser a esas distancias, el uso de un enlace óptico desde la superficie de Marte introduciría algún que otro problema adicional debido a la atmósfera marciana.

La misión Mars Telecommunications Orbiter, la cual fue desafortunadamente cancelada, buscaba precisamente este tipo de enlace de comunicación.

Tráfico de Datos

Por el momento, como acabamos de ver, y con la tecnología de la que disponemos, no es posible hacer llamadas en el sentido clásico. Sin embargo, los problemas que hemos discutido también afectan a las comunicaciones de datos. Los rovers y satélites tienen que recibir comandos desde tierra, y enviar sus resultados para que los científicos hagan su ciencia.

Transmitir datos a esas distancias no está exento de problemas y ya se ha comprobado a día de hoy que usar algo como TCP/IP no funciona muy bien. Por ello se está trabajando en otras tecnologías. Una de las más interesantes, y que se encuentra más avanzada desde el punto de vista de su implementación, es la denominada Red tolerante a retardos o disrupciones, más conocida por sus siglas en inglés DTN (Delay/Disruption-Tolerant Networking).

En pocas palabras, el problema fundamental es que, en general, no es posible establecer una ruta de origen a destino fija. Por distintas razones, como las que hemos ido comentando a lo largo del artículo (radiación, eclipses,...), los enlaces se rompen con bastante facilidad. La tecnología DTN y protocolos asociados (especialmente el servicio Bundle Service Layering), intentan transmitir tanta información como sea posible a los nodos con los que tengan conectividad. Los datos se almacenan en ese nodo hasta que un nuevo enlace esté disponible y una nueva transmisión sea posible. Por supuesto la realidad es más complicada, como siempre, pero en esencia así es como funciona.

De esta forma, los nodos de la red se caracterizan por necesitar bastante memoria ya que deben almacenar los datos por tiempos muy largos. Y cuanta más información puedan almacenar, más información podrá ser enviada cuando el enlace esté disponible.

Si bien los trabajos en este tipo de sistemas de comunicaciones ya han empezado hace algunos años, todavía estamos lejos de disponer de una Internet Interplanetaria. Suena a cachondeo, pero se está trabajando en ello. Ya se han realizado bastantes pruebas utilizando distintas misiones e incluso la Estación Espacial Internacional. La Estación espacial es quizás el primer nodo de esa red y por el momento parece que el único permanente, sobre todo tras cancelar la misión Mars Telecommunications Orbiter de la NASA.

Conclusiones

Bueno, ahora sabemos que E.T. estaba más perdido que un pulpo en un garaje. Teniendo en cuenta que la estrella más cercana a nuestro sistema solar es Proxima Centauri y que está a unos 4 años luz, el mensaje tardaría 4 años en llegar! Así que suponiendo, lo que es poco probable, que E.T fuera oriundo de esa estrella, lo iba a tener crudo para hablar por teléfono con sus colegas... no quiero ni pensar lo que le iban a clavar por el establecimiento de llamada. :)

Header Image Credits: NASA

SOBRE David Martínez Oliveira y Borja García Gutiérrez
Borja y David trabajan en el Centro Espacial Europeo de Tecnología e Investigación (ESTEC) como ingenieros. Mientras Borja participa en estudios de viabilidad para futuras misiones y da soporte a las operaciones científicas de misiones planetarias, David se entretiene con la Realidad Virtual y Aumentada intentando mejorar las herramientas de los astronautas europeos en la estación espacial (y en sus ratos libres edita esta revista:).