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jueves, 16 de junio de 2016

La red de espacio profundo y el papel de Madrid en la misión Apolo 11


Hace unos días se anunció en ELMUNDO.es la construcción de dos nuevas antenas en el Complejo de Comunicaciones de Espacio Profundo que la NASA tiene en Robledo de Chavela, en Madrid, en un reportaje que ofreció una visión muy completa de lo que es dicho centro y del trabajo que se realiza en él.
Efectivamente, el de Robledo es uno de los tres complejos de la Red de Espacio Profundo (DSN, Deep Space Network) que la NASA tiene repartidos en el mundo para comunicarse con la práctica totalidad de vehículos espaciales dedicados a estudiar el Sistema Solar y el Universo. Los tres complejos están emplazados con una separación aproximada de unos 120 grados para asegurar comunicaciones continuas con las distintas naves espaciales según rota la Tierra, y se encuentran en Goldstone (California), en Canberra (Australia) y en Robledo de Chavela (Madrid).
Cada complejo cuenta con diferentes tipos de antenas parabólicas, de 26 metros de diámetro, de 34 y de 70 metros, donde cada conjunto integrado por una antena y sus equipos asociados forma una Estación Espacial de Comunicaciones, las cuales se identifican con sus siglas en inglés, DSS (Deep Space Station), seguidas de un identificador numérico.
Complejo de Comunicaciones de Espacio Profundo de Madrid. Fuente: NASA.
Las estaciones se comunican con los vehículos espaciales por medio de ondas de radio con frecuencias de pocos gigahercios o pocas decenas de gigahercios. Estas frecuencias pertenecen al rango del espectro electromagnético de las microondas para el que la ionosfera terrestre es prácticamente transparente.

¿Qué funciones tienen estas estaciones?

A través de las distintas DSS de cada complejo de la red se reciben y se procesan los datos de telemetría que envían los vehículos espaciales mediante sus señales de radio. La telemetría contiene la información científica -datos e imágenes- que recaba la sonda a través de sus instrumentos científicos, junto con datos de ingeniería que permiten a los equipos de control en tierra conocer el estado de los sistemas de a bordo.
La red también permite el seguimiento (tracking) de todas estas naves, esto es, permite conocer su posición y velocidad con una gran precisión. Gracias al análisis Doppler de las señales recibidas se puede determinar la velocidad radial de las naves mientras que la distancia a ellas (range) se puede conocer a partir del tiempo transcurrido desde que un código determinado es enviado y recibido. Esto es posible dado que la señal que transporta dicho código viaja a la velocidad de la luz y se conoce el tiempo que la electrónica a bordo tarda en procesarlo.
Aunque las naves espaciales actuales son bastante autónomas, en ocasiones es necesario transmitirles ciertas órdenes para que realicen alguna acción específica. Esta función de telecomando también se lleva a cabo a través de las estaciones de la DSN y mediante esta capacidad se puede transmitir órdenes o secuencias de órdenes de ejecución directa o de ejecución retardada, o modificar incluso el software de la computadora de a bordo. De esta manera se pueden activar instrumentos, cambiar determinados parámetros operativos, ordenar maniobras para corregir la trayectoria de las naves, etc.
Aparte de estas funciones, cuando no se precisa su uso en comunicaciones con ninguna sonda espacial o en ocasiones puntuales de gran interés científico, las antenas de la DSN también se usan a modo de radiotelescopios para realizar observaciones de radioastronomía, e incluso de astronomía radar mediante la que se pueden observar objetos astronómicos próximos como asteroides y cometas a través de los ecos que reflejan a partir del envío de señales de microondas a estos cuerpos.

Sobre las potencias emitidas y recibidas

Los equipos de comunicaciones a bordo de las sondas espaciales son pequeños para ahorrar masa y transmiten con potencias muy bajas, del orden de decenas de vatios. Por ejemplo, la sonda Voyager 1, que se encuentra a más de 20.100.000.000 km; esto es, a más de 18,5 horas-luz de la Tierra, ya fuera del Sistema Solar, y que es el artilugio humano más distante de la Tierra, emite con 13 vatios de potencia, lo que viene a ser parecido a la potencia de una bombilla de un frigorífico; la sonda New Horizons, que visitó Plutón en 2015, emite con 12 vatios de potencia.
Sonda Voyager 1. Se encuentra a más de 18,5 horas-luz de la Tierra. Emite con 13 vatios de potencia. Fuente: NASA.
Al igual que disminuye con la distancia el volumen con el que se oye un grito, la potencia emitida por estas sondas es recibida con menor potencia cuanto mayor sea la distancia a ellas. En ambos casos, tanto la potencia de una señal sonora como la de una señal de radio disminuyen de forma inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia. Por esta razón, debido a las enormes distancias a las que se encuentran estas sondas, la potencia de la señal que de ellas se recibe en la Tierra puede llegar a ser muchos órdenes de magnitud menor a la que se transmitió desde la nave, hasta billones de billones de veces menor para las sondas más lejanas.
Para poder 'escuchar' las señales procedentes de las sondas, las antenas del DSN deben poseer grandes superficies parabólicas reflectoras ya que la ganancia de una antena es proporcional a su área. Además, estas superficies no deben exceder deformaciones muy pequeñas -de 1/40 de la longitud de onda con la que operan- para concentrar eficientemente la potencia de estas señales. De este modo, por ejemplo, su deformación no puede ser superior a 0,25 milímetros para frecuencias de hasta 30 gigahercios. Además, deben tener una capacidad de apuntamiento de gran precisión (de milésimas de grado) ya que estas antenas poseen una gran direccionalidad en la potencia de forma que su ganancia es máxima en una dirección específica, lo que implica que sólo pueden recibir y transmitir con la mayor potencia en una región espacial muy pequeña.
Las antenas del DSN no sólo deben ser capaces de 'oír' estas débiles señales sino que, además, deben ser capaces de transmitir señales de alta potencia (del orden de decenas de miles de vatios) para poder ser escuchadas a su vez por los sistemas de comunicaciones de menores prestaciones a bordo de las naves. En otras palabras, las antenas deben poder transmitir con una potencia que es del orden de mil billones de billones de veces superior a la potencia que reciben.
Por otra parte, las señales de las sondas no sólo llegan muy atenuadas sino que, además, se reciben también degradadas por ruido de fondo que es emitido de forma natural por la inmensa mayoría de los cuerpos presentes en nuestro sistema solar y en el Universo. Es por esto que las estaciones del DSN están equipadas con dispositivos receptores extremadamente sensibles que amplifican la señal recibida y que utilizan técnicas especiales de codificación para poder distinguir las señales emitidas por las naves del ruido de fondo indeseado. Además, los amplificadores deben estar refrigerados a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto para reducir el ruido de fondo que también es generado por los mismos equipos electrónicos asociados a las antenas.
En ocasiones, las antenas del DSN también pueden usarse conjuntamente con objeto de incrementar la intensidad de la señal recibida. Así, por ejemplo, combinando la actuación de una antena de 70 metros con otra de 34 de alta eficiencia se puede aumentar la intensidad de la señal recibida de las sondas Voyager en 0,8 dB (decibelios), o en 1,2 dB si se añade una segunda antena de 34 metros al conjunto. Estas asociaciones (arrays) de antenas también se pueden dar con radiotelescopios de otros lugares del mundo, formando así una red aún más grande y sensible.

Sobre el papel del complejo de Madrid en el Apolo 11

Neil Armstrong pisando la superficie lunar. Fuente: NASA.
El complejo de Madrid desempeñó un papel de enorme relevancia en el programa Apolo ya que hubo de cubrir todas estas misiones un tercio del tiempo; sin embargo, hay un par de afirmaciones en concreto que oigo con asiduidad en lo referente al papel de Madrid en el Apolo 11 que creo que conviene aclarar.
Suelo oír a menudo decir a mucha gente, e incluso en distintos medios de comunicación, que fue el complejo de Madrid en el que se recibieron las primeras palabras de Armstrong en la Luna; sin embargo, esta afirmación no es cierta. La estación a través de la que se recibieron las imágenes de Armstrong pisando la Luna y sus primeras palabras fue la de Honeysuckle Creek (DSS46), situada en el complejo de Canberra.
Por otra parte, también suelo oír que fue el complejo de Madrid el que tuvo el control de las comunicaciones en la misión Apolo 11 durante el descenso del Eagle a la superficie lunar; sin embargo, esta afirmación tampoco es absolutamente cierta, aunque precisa de alguna aclaración.
Durante el descenso a la Luna, tanto Goldstone como Madrid tenían visibilidad; esto es, ambos complejos estaban en el campo de visión de las naves de forma que estas podían intercambiar señales con ambos. Como me cuenta mi amigo Carlos González, antiguo Jefe de Operaciones y Subdirector del Complejo de Comunicaciones Espaciales en Madrid, Goldstone fue el complejo principal encargado de la comunicación con elEagle durante su descenso a la Luna mientras que actuó de respaldo para el módulo de mando Columbia, que quedaba en órbita alrededor del satélite. Desde Madrid, Fresnedillas fue la estación principal para las comunicaciones con Columbia mientras que actuó de respaldo para elEagle en caso de que fallara Goldstone. Por otra parte, Robledo actuó de respaldo para los dos vehículos en caso de que fallaran las otras estaciones. Así pues, durante el descenso a la Luna, Glodstone se encargó del módulo lunar y Fresnedillas del módulo de mando.