Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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La Red de Espacio Profundo de la NASA Cumple 50 Años

Este año se celebra el cincuenta aniversario de la Red de Espacio Profundo de la NASA, la red de comunicaciones espaciales científicas más grande y sensible del mundo y que, a día de hoy, se comunica con más de una treintena de vehículos espaciales repartidos por todo el sistema solar, y con una sonda ya fuera de él. La historia de esta red y la labor que desempeña son francamente interesantes. Además, de los tres complejos con los que cuenta esta red en el mundo, uno de ellos está localizado en Robledo de Chavela, en la provincia de Madrid.

Durante cincuenta años, la Red de Espacio Profundo (DSN – Deep Space Network) de la NASA se ha estado comunicando con la práctica totalidad de vehículos espaciales dedicados a estudiar el sistema solar y el universo, y sin ella no se habrían podido acometer los viajes de exploración que muchas de estos vehículos han efectuado a otros planetas y cuerpos de nuestro sistema solar. La red cuenta con tres complejos repartidos por el mundo, emplazados con una separación aproximada de unos 120 grados para asegurar comunicaciones continuas con las distintas naves espaciales según rota la Tierra. Estos tres complejos se encuentran en Goldstone (California), en Tidbinbilla (cerca de Canberra) y en Robledo de Chavela (Madrid).

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Localización de los complejos que integran la Red de Espacio Profundo de la NASA. Fuente: JPL/Caltech.

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 código numérico. Las estaciones se comunican con los vehículos espaciales por medio de ondas de radio que son utilizadas para transportar mensajes en ambas direcciones. Las ondas de radio empleadas en estas comunicaciones pertenecen a la región de las microondas, en el rango de frecuencias del espectro electromagnético comprendido entre los 30 y los 100.000 megahercios, para el que la ionosfera terrestre es prácticamente transparente.

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 las señales de radio mencionadas. 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 se puede conocer a partir del tiempo que transcurre desde que un código determinado es enviado y recibido. Aunque las naves espaciales actuales son bastante autónomas, en ocasiones es necesario transmitirles ciertas órdenes para que realicen alguna acción específica. Esta función de telemando 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 básicas, 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 del envío de señales de microondas a estos cuerpos y del análisis de los ecos reflejados.

Los equipos de comunicaciones a bordo de las sondas espaciales son pequeños para ahorrar masa y transmiten con potencias bastante bajas, del orden de decenas de vatios (la sonda Voyager 1, que se encuentra a más de 19.000.000.000 de km, o a más de 35 horas-luz de la Tierra, ya fuera del sistema solar, emite con 13 vatios de potencia, lo que viene a ser parecido a la potencia de una bombilla de un frigorífico). Debido a las enormes distancias a las que se encuentran estas sondas y a que la intensidad de las señales que se reciben de ellas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa de nosotros, la potencia de la señal que se recibe en la Tierra puede llegar a ser muchos órdenes de magnitud (hasta billones de billones de veces) menor a la que se transmitió desde la nave. 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 para poder ser escuchadas a su vez por los sistemas de comunicaciones de menores prestaciones a bordo de las naves.

Para escuchar las señales procedentes de las sondas, las antenas del DSN deben poseer grandes superficies parabólicas reflectoras que no excedan deformaciones muy pequeñas para concentrar eficientemente la potencia de estas señales y deben tener además una capacidad de apuntamiento de gran precisión ya que estas antenas poseen una gran directividad para aumentar la ganancia en la dirección de máxima radiación, lo que implica que sólo pueden recibir y transmitir con la mayor eficiencia en una región espacial muy pequeña. 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.

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Complejo de Comunicaciones con el Espacio Profundo de Madrid. Fuente: JPL/Caltech.

En ocasiones, las antenas del DSN también pueden usarse conjuntamente (dentro de un array de antenas) a modo de interferómetro, lo que permite 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. En ocasiones, 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. Así, por ejemplo, el complejo de Madrid es un miembro asociado de la red europea de interferometría de muy larga base (VLBI-EVN, Very Long Baseline Interferometer European VLBI Network), y participa también en proyectos globales en las que están coordinadas las redes del EVN y del VLBA (Very Long Baseline Array), en EE.UU., para realizar observaciones simultaneas.

En los complejos de la DSN, las antenas de 26 metros de diámetro son usadas principalmente para el seguimiento de naves relativamente cercanas a la Tierra, y fueron construidas originalmente para dar apoyo a las misiones Apollo. Las antenas de 34 metros son las más usadas normalmente, y se dan de dos tipos: las de alta eficiencia y las de haz de guía-onda. En ambos tipos, las superficies del reflector están pulidas con gran precisión para maximizar la capacidad de concentración de la señal. Las antenas de haz de guía-onda incorporan cinco espejos de radiofrecuencia que reflejan las señales de radio a lo largo de una guía-onda desde el vértice de la antena hasta la sala de equipos subterránea situada bajo el pedestal de la antena. Este diseño permite que los sensibles equipos electrónicos usados por estas antenas puedan mantenerse en un recinto con climatización controlada en lugar de en el exterior, lo que además simplifica las labores de mantenimiento y de actualización de estos equipos. Cada complejo cuenta también con una antena de 70 metros de diámetro que son las más sensibles de la red, siendo capaces de establecer comunicación con las sondas espaciales situadas a las mayores distancias, del orden de miles de millones de kilómetros. Estas antenas pueden llegar a pesar 8.500 toneladas, de las que 3.500 corresponden a su parte móvil, la cual puede ser apuntada con una precisión de hasta 5 milésimas de grado y cuya superficie reflectora no debe presentar deformaciones superiores a 1/40 de la longitud de onda con la que opere la antena, lo que equivale, por ejemplo, a 0,25 milímetros para frecuencias de hasta 30 gigahercios. En http://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html se puede ver en tiempo real el estado de las comunicaciones de la red DSN y de cada una de sus estaciones con los distintos vehículos espaciales repartidos por todo el sistema solar.

Si bien la creación oficial de la DSN se produjo el 24 de diciembre de 1963, la NASA celebra este año el 50 aniversario de esta red. El acuerdo entre los gobiernos de EE.UU. y España para la construcción de estaciones en Madrid, que ahora están concentradas en el complejo de Madrid, llamado MDSCC (Madrid Deep Space Communications Complex,o Complejo de Comunicaciones con el Espacio Profundo de Madrid) se firmó en 1964, y en 1965 entró en operación la primera antena, a través de la que se recibió por primera vez la imagen de otro planeta: Marte; transmitida por la Mariner IV el 15 de julio de 1965.

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Primera imagen cercana tomada de Marte. Imagen captada por la sonda Mariner IV el 15 de julio de 1965 a 17.000 km de la superficie y recibida por el complejo de la DSN en Madrid. Fuente: NASA.

Han sido muchos los hitos que el complejo de Madrid ha protagonizado en la historia de la exploración espacial, llevada a cabo tanto por vehículos automáticos como por misiones tripuladas, como las del programa Apollo a las que el complejo de Madrid también dio apoyo continuo. Por ejemplo, como curiosidad, fue en el complejo de Madrid donde se recibió la primera imagen de la Tierra vista desde la Luna, tomada por la Lunar Orbiter I el 23 de agosto de 1966, o donde se recibió la famosa comunicación de Jim Lovell, comandante del Apollo XIII, diciendo aquello de “Houston, hemos tenido un problema”.

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Primera imagen de la Tierra vista desde la vecindad de la Luna, tomada por la Lunar Orbiter I el 23 de agosto de 1966 y recibida por el complejo de la DSN en Madrid. Fuente: NASA.

En 1969, las labores de operaciones y de mantenimiento del complejo de Madrid fueron transferidas al personal español y desde entonces son ingenieros y técnicos españoles los que siguen operando este complejo, realizando un trabajo formidable y de enorme relevancia sin el que la exploración del sistema solar y del universo no sería posible. El pasado 11 de junio, el MDSCCse vistió de gala para celebrar el 50 aniversario de la DSN y al acto asistieron representantes de la NASA, encabezados por su Administrador de la Dirección de Misiones Científicas, el Secretario de Estado de Defensa, el Embajador de EE.UU en España, y el Alcalde de Robledo de Chavela, entre otros. Así pues, desde aquí, felicidades a la DSN y, en especial, al MDSCC, por llevar a cabo una labor fantástica en estos últimos 50 años, contribuyendo tan decisivamente a la exploración del espacio. Seguro que los próximos 50 años serán igual de exitosos.

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Foto de familia de empleados presentes y pasados del MDSCC durante la celebración del 50 aniversario de la DSN. Fuente: MDSCC.

Nota:

Hace dos años tuve la oportunidad de visitar el complejo de Madrid. Se trató de una visita muy interesante de la mano de María Jesús Molina y Lara Saiz, empleadas del MDSCC, a quienes agradezco enormemente aquella visita; y este 26 de julio tendré el honor de volver al complejo, esta vez para dar la conferencia “El Águila ha alunizado”, con motivo del 45 aniversario que se cumple este año de la llegada del hombre a la Luna en la misión Apollo XI. En esta conferencia hablaré acerca de cómo se llevó a cabo el descenso del módulo lunar Eagle desde la órbita lunar hasta la superficie y trataré las importantes dificultades que se presentaron durante la fase de descenso hasta el alunizaje, que se acometía por primera vez en la historia en esta misión, y que tuvieron que ser sorteadas en tiempo real por el personal de apoyo en el Control de la Misión en Houston y por la tripulación. Más detalles en http://www.mdscc.org/index.php?Section=Eventos&Id=47. Envío desde aquí mi agradecimiento a Carolina Gutierrez, responsable del Centro de Entrenamiento y Visitantes del MDSCC, por las facilidades que me ha ofrecido en todo momento para poder dar esta conferencia.

Para saber más:

Quisiera recomendar el libro “Estaciones de la NASA cerca de Madrid: 45 años de historia (1963-2008)”, Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, 2011; escrito por José Manuel Urech Ribera, exdirector del Centro de Comunicaciones de la NASA en Madrid. El libro contiene una detallada historia de la formación del complejo de Madrid desde sus albores, describe las importantes aportaciones que este complejo ha hecho a la exploración espacial y detalla anécdotas muy interesantes y muy curiosas que han tenido lugar a lo largo de la historia de este complejo.

La web del MDSCC es http://www.mdscc.org/index.php, y se pueden seguir sus actividades en Facebook “Centro de Entrenamiento y Visitantes (NASA)”, y en Twitter @RobledoDSN.

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