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PROYECTO ÍCARO: EL PROBLEMA DE COMUNICACIÓN INTERESTELAR

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PROYECTO ÍCARO: EL PROBLEMA DE COMUNICACIÓN INTERESTELAR

Mensaje por alan d el Mar Feb 07, 2012 3:05 am

Proyecto Ícaro es un ambicioso estudio de cinco años en el lanzamiento de una nave espacial no tripulada a un destino interestelar. Iniciada por la Fundación Tau Cero y la Sociedad Interplanetaria Británica , y gestionado por Icarus interestelar Inc. , un grupo sin fines de lucro de científicos dedicados al vuelo interestelar, Ícaro está trabajando para desarrollar una nave espacial que puede viajar a una estrella cercana.

Pat Galea, un software y un ingeniero de comunicaciones del Reino Unido, sirve como Secretario de Ícaro interestelar



Cuando la fase de impulso de la misión se ha completado, la segunda nave de Dédalo cámara de reacción etapa podría ser utilizado como una antena de radio

Cuando pensamos en la ingeniería necesaria para una sonda interestelar, es fácil quedar absorto en lo que es obvio - y sin duda muy emocionante - problemas relacionados con el sistema de propulsión.

Sin embargo, también tenemos que tener en cuenta que a menos que podamos obtener datos científicos de la parte posterior de la sonda a la Tierra entonces no tiene mucho sentido en conseguir la sonda a otra estrella. Los datos son el producto que hemos pagado; toda la ingeniería otro puede ser visto como el medio para tal fin.

En este artículo voy a estar buscando en las comunicaciones y las investigaciones de telemetría que hemos estado llevando a cabo para el Proyecto Ícaro.

Radio

Hasta ahora, todas las naves espaciales se han comunicado con el control de tierra utilizando las ondas electromagnéticas de radio frecuencia, o "radio" para abreviar. La gran ventaja de esta tecnología tiene es que ha existido desde hace mucho tiempo, por lo que entiendo mucho acerca de cómo construir la electrónica y las antenas necesarias para la transmisión a larga distancia.

Uno de los problemas con la radio a largas distancias es que es difícil generar una señal de radio que produce un haz direccional que está estrechamente centrado en el objetivo.

El grado en que una antena dirige la energía que produce en una dirección que se conoce como la "ganancia" de la antena. Cuanto mayor es la ganancia, más la energía está estrechamente centrado en una dirección particular, y en general una antena que tiene una ganancia determinada para la transmisión también tendrá la misma ganancia de recepción también.

Hay un montón de maneras de lograr una alta ganancia, pero los dos que están más familiarizados con la gente son las antenas aéreas de televisión que utilizan elementos de "director" para incrementar la ganancia en la dirección del transmisor de TV y parabólicas platos de televisión por satélite que utilizan un plato reflector para enfocar la energía procedente de una dirección en particular (el satélite) sobre un elemento receptor montado delante del plato.

Para las distancias interestelares, queremos un gran antena de gran ganancia en la nave para asegurarse de que tanta energía como sea posible hace volver a la Tierra, por lo que podemos (a) maximizar la cantidad de datos que puede enviar por segundo (el ancho de banda) , y (b) reducir los requisitos de potencia del transmisor de la nave.

Transmisores, Receptores grandes gigantes

El equipo del Proyecto Dédalo, en la década de 1970 se le ocurrió una solución ingeniosa al problema. En lugar de desplegar una antena parabólica específica, que tendría que ser enorme para lograr la ganancia requerida, se aprovecharon de un pedazo de equipo que ya tenía a bordo que era más o menos el tamaño y la forma deseada: la cámara de segunda etapa de reacción.

Esta es la cúpula diámetro de cuarenta metros en la parte posterior de la segunda etapa de la embarcación que forma que el mayor componente del motor. Idealmente esta cúpula debería ser una sección esférica, pero el equipo Dédalo cuenta de que si se pudiera hacer parabólico entonces podría servir como una antena, una vez que el motor ya no era necesaria para la aceleración.


Así que, una vez que la fase de impulso de la misión se ha completado (en unos pocos años de su lanzamiento), el motor está fuera de servicio. Un transmisor se inserta entonces en un agujero en el centro del plato (el agujero previamente ser el lugar desde el cual las pastillas de combustible se expulsa - foto derecha ). Al dirigir la nave hacia la Tierra, el plato ofrece una antena de alta ganancia para las comunicaciones con su casa.

¿Qué tipo de receptor, es necesario recoger los datos? Dédalo fue diseñado con un un megavatio (MW) del transmisor, pero incluso la combinación de este con la ganancia de la antena enorme cuarenta metros, la cantidad de energía realmente recibida por el tiempo que la señal llega a la Tierra es muy pequeña . El equipo se dio cuenta de que una antena receptora sustancial sería necesario.

La solución que se le ocurrió fue usar un concepto de la Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre (SETI). Proyecto Cyclops había, unos años antes, un diseño para un conjunto de antenas en la Tierra, que cubriría un círculo con un diámetro de diez kilometros . El propósito de este fue detectar transmisiones muy débiles que podrían ser procedentes de civilizaciones distantes. Dédalo propuso la construcción de una gama tan amplia para recoger la débil señal de la nave distante.

Acceso telefónico a interestelar?

Los cálculos del equipo de Dédalo demostró que con este sistema se puede esperar a recibir más de 800 kilobits por segundo (kbps). Esto significa que Dédalo podía transmitir un 1 megabyte (MB) a la Tierra en unos 10 segundos. Eso sería una conexión de banda ancha decepcionante, pero para distancias interestelares que es bastante impresionante.

Todavía no sabemos si vamos a utilizar la radio para el enlace principal de Ícaro a la Tierra. Nuestros cálculos preliminares sugieren que las cifras de Dédalo puede ser un poco en el lado optimista. Sin embargo, desde la década de 1970 algunos avances interesantes (como los códigos Turbo) se han hecho en las técnicas que nos permitan exprimir más los datos por un tubo estrecho Comunicaciones.
Todavía no hemos determinado si Ícaro tendrá un plato grande disponible para su uso como una antena. Como Ícaro tiene un requisito de una desaceleración en el sistema estelar de destino (el requisito de que Dédalo no tienen), puede ser el caso de que no podemos confiar en tener este recurso a nuestra disposición.

Uno de nuestros estudiantes, Brandon Vernon de Arizona, ha estado buscando la posibilidad de utilizar una antena de la Zona de Fresnel. Esta es una placa plana grande que tiene de metal concéntrica y anillos transparentes que son cuidadosamente diseñadas para refractar las ondas de radio de un transmisor y se centran en una dirección particular. Vernon ha elaborado un programa de computadora que contiene un modelo matemático del sistema para ver si esta idea puede funcionar en la práctica.

Parece que va a ser demasiado ineficiente para nuestros propósitos en este momento, pero sólo después de haber hecho la investigación es una importante contribución a nuestra comprensión de las opciones disponibles para nosotros.

Los láseres

El tamaño de antena necesario para mantener la dispersión del haz con el ángulo deseado (el "ancho de haz ') está relacionada con la longitud de onda de la radiación electromagnética utilizada. Cuanto más corta sea la longitud de onda (y por tanto mayor es la frecuencia), el más pequeño de la antena se requiere para un ancho de haz dado. Si pudiéramos utilizar la luz para el sistema de comunicaciones en lugar de la radio, entonces debemos ser capaces de salirse con antenas más pequeñas.

La luz es físicamente la misma "cosa" como la radio, es sólo la radiación electromagnética con una longitud de onda mucho más corta. Desde el punto de vista de ingeniería, sin embargo, la manera de crear, manipular y recibir la luz consiste en componentes muy diferentes. En lugar de las antenas de radio, se utilizan espejos y lentes.

Aunque la comunicación con láser aún no se ha utilizado en las naves espaciales, que ha sido probado en experimentos, y la física se entiende bien. Generalmente hablando, la transmisión de datos a través de un haz de láser consiste en cambiar el láser y desactivar rápidamente muy, utilizando un receptor en el otro extremo para detectar la luz intermitente, y la decodificación de datos que se lleva en el patrón de destellos.

El mayor reto para las comunicaciones por láser se debe a su mayor beneficio. El ancho de haz estrecho significa que tenemos una gran cantidad de la energía se centró en un haz relativamente estrecho (en relación estrecha con el ancho de haz para la radio, que es). El inconveniente de esto es que hay que señalar que el láser con gran precisión en el receptor con el fin de garantizar que una cantidad razonable de energía está siendo recibida.

Mientras que una antena de radio tiene que ser señalado con precisión, el requisito de que el láser es mucho más grave. El problema se conoce como la adquisición, seguimiento y señalador (ATP).

En la década de 1970, el equipo Daedalus la conclusión de que los láseres no estaban a la tarea de comunicar a través de distancias interestelares. La razón principal de esto era que no podía ver una manera de apuntar el láser con precisión suficiente a la Tierra desde varios años-luz de distancia, y mantener esa dirección.

Sin embargo, en los años intermedios, las nuevas técnicas se han desarrollado para resolver muchos de los problemas de la ATP. Por ejemplo, si una estación de tierra dirige un haz láser a la embarcación, a continuación, la embarcación puede utilizar este haz entrante para dirigir su propio transmisor láser. Además, el apuntamiento del haz de láser no requiere el posicionamiento preciso del láser completo en sí. Óptica sofisticados insertados en la trayectoria del haz de luz puede ser manipulado con cuidado para dirigir el haz hacia el camino deseado.

Ahora el problema de Ícaro es que no está claro si la transmisión de un enlace ascendente haz de láser desde la Tierra en realidad ayudará a la nave para apuntar su propio láser. Las distancias son tan grandes que los errores pueden invadir los beneficios.

Así que estamos buscando en este, así como otros métodos como la determinación de la posición y la dirección a partir del análisis de los púlsares. Los cálculos iniciales sobre las características de primas de las comunicaciones por láser, con la asistencia de nuestros estudiantes de diseño Divya Shankar en la India, demuestran que la tecnología representa una gran promesa para la entrega de cantidades respetables de datos a través de grandes distancias.

Ubicación, ubicación, ubicación

El equipo de Dédalo, como se mencionó anteriormente, se prevé la estación receptora que se encuentra en la superficie de la Tierra. Sin embargo, también se considera fuera de la Tierra lugares como bases potenciales para un sistema solar estación receptora (SSRS), como ellos lo llamaban.

La ventaja de basar las SSRS en la Tierra es que es mucho más fácil hacer una gama muy amplia que cubre un área enorme. El mantenimiento es relativamente simple, como los técnicos pueden conducir a las antenas en camiones. El costo de construcción es menor también, porque los componentes de envío masivos alrededor de la Tierra es mucho más barato que el lanzamiento al espacio.

La Tierra tiene un par de desventajas como base. En primer lugar, la atmósfera se degrada (o 'atenúa') la señal recibida en cierta medida. (La cantidad de degradación depende de la longitud de onda de la señal.) Además, la rotación de la Tierra significa que cualquier antena en la superficie se señala en la nave distante por sólo una fracción de cada día. Eventos meteorológicos además puede afectar a la disponibilidad del receptor.

Estos factores se pueden compensar en cierta medida. La atenuación atmosférica de la señal puede ser compensada por lo que la matriz de la antena más grande que de otro modo sería necesario. El hecho de que la Tierra basado en la construcción es más barata que la construcción del espacio puede hacer que este costo-efectiva. Al tener varias copias de la red de antenas en diferentes lugares de la Tierra, los efectos del clima pueden ser mitigados, y un enlace casi continuo con la nave puede mantenerse. Esto podría no ser rentable para una misión, pero si la red está siendo utilizada para cubrir diversas misiones (tal vez nave interplanetaria también), entonces puede comenzar a tener sentido económico.

Alternativamente, la estación receptora podría ser construido en el espacio.

Teniendo en cuenta los parámetros del problema para Ícaro, la utilización de las comunicaciones láser se traduciría en un requisito para los componentes más pequeños que el receptor de radio. La economía por lo tanto, a favor de Comunicaciones láser si tenemos un receptor basado en el espacio.

Las posibles ubicaciones de espacio para el receptor incluyen la órbita de la Tierra, la superficie de la luna (aunque esto también podrían verse afectados por el problema de la disponibilidad periódica debido a la rotación de la luna), y los puntos de Lagrange (volúmenes de espacio donde la gravedad de la Tierra, Luna y el Sol están en equilibrio). Estamos investigando todas las opciones para ver cuál tiene más sentido para el Ícaro.


Transmitir el mensaje

Teniendo en cuenta los desafíos de la transmisión de una señal por las grandes distancias del espacio interestelar, ¿hay otra manera de abordar el problema al dejar caer los relés en el camino? Andreas Tziolas ha estudiado el uso de tanques de combustible gastadas como relés (impresión de un artista se muestra, a la derecha - haga clic para la animación de los tanques de combustible gastado en la acción).


La idea es que con una cadena de relevos entre Ícaro y la Tierra, cada 'salto' de la señal es una distancia mucho más corta que la distancia total de varios años luz. Por lo tanto, podría, potencialmente, reducir la demanda de potencia del transmisor, o el tamaño de la antena de Ícaro, o alternativamente, aumentar la tasa de datos que se pueden enviar por el enlace.

Por desgracia, cuando construimos nuestro modelo matemático para un sistema de retransmisión utilizando las frecuencias de radio, resultó que el número de relés necesarios sólo para igualar el rendimiento de la relación directa que es inmenso, incluso con hipótesis muy conservadoras sobre el tamaño de la antena y la potencia disponible para cada relé.

En este momento parece que los relés no ayudará a que el problema de comunicación. Sin embargo, eso no significa que los relés se abandonó como un concepto. Ellos pueden tener valor para otros fines, tales como investigaciones científicas, y hay una posibilidad de que los relés puede ser más económico para las comunicaciones con láser.

Gravitational Lensing

Teoría General de la Relatividad de Einstein nos dice que los objetos masivos desviar la luz que pasa cerca de ellos. Para un objeto muy masivo como el Sol, la desviación de la luz es lo suficientemente grande que el Sol mismo se puede utilizar como lente gravitacional. ¿Cómo puede esto ayudar al problema de comunicación?

De las ecuaciones de Einstein, sabemos que la distancia focal mínima del Sol es de aproximadamente 550 UA. (1 Unidad Astronómica - 1 UA -. Es la distancia entre la Tierra y el Sol) Cuando consideramos que la nave Voyager 1 que dejó la Tierra en la década de 1970 es en la actualidad sólo alrededor de 120 UA del Sol, comenzamos a apreciar que la UA 550 es en realidad bastante a una distancia considerable (aunque lejos de la distancia a Alfa Centauri, que está a unos 270.000 UA).

Si enviamos un oficio del receptor a 550 UA del Sol en la dirección opuesta a Icaro, el receptor será capaz de utilizar el Sol como una lente de gran - de hecho una antena enorme - para aumentar la señal de Ícaro.

La nave puede retransmitir los datos sobre la Tierra. La ganancia potencial de hacer esto es inmenso. La potencia del transmisor de Ícaro podría ser aumentada a niveles mucho más bajos sin afectar la velocidad de datos disponibles, o si el poder se mantiene igual, podríamos recibir muchos más datos que un enlace directo que proporcionan.

(Es importante señalar que la lente gravitatoria es ligeramente diferente a la lente óptico que nos son familiares. En una lente óptica, rayos paralelos son llevados a un solo foco. Es decir, podemos hablar de la distancia focal de una lente. Para una lente gravitacional, sólo tenemos una distancia focal mínima. Una vez que la nave llegue a 550 UA, se puede seguir adelante, ya que la lente gravitacional se seguirá trabajando. No tiene que llevar la nave a su fin.)

Ahora bien, hay un par de desafíos importantes para conseguir que este sistema funcione.

En primer lugar, tenemos que conseguir una embarcación de receptor a 550 UA del sol. En la actualidad, eso es un problema difícil, pero el tipo de civilización que puede lanzar un Ícaro-como la sonda interestelar probablemente no les parece demasiado difícil.

En segundo lugar, tenemos que mantener la embarcación receptor exactamente en línea con el centro del Sol y la distancia de la sonda Ícaro. La tolerancia aquí es grave. El receptor no pueden desplazarse por más de unos pocos metros fuera de la pista antes de que pierda la señal por completo.

Mantener la nave del receptor en la pista es muy desafiante. En el Congreso Internacional de Astronáutica (IAC) en Praga, de 2010, presentó un trabajo sobre un sistema que hemos diseñado que podría ser capaz de lograr el control de navegación requerida. Este es un argumento plausible y no una sugerencia para un sistema de trabajo, ya que queríamos ver si este concepto era viable.

La idea se nos ocurrió fue poner en marcha un sistema de satélites de navegación (Navsats) en órbita alrededor del sol. La distancia de la sonda Ícaro se emiten destellos muy brillantes que periódicamente viajan a través del espacio interestelar y ser detectado por estos Navsats. Al detectar las pequeñas diferencias en la sincronización de las llegadas pulso en la Navsats, el sistema como un todo podría dirigir la embarcación receptor en el foco gravitacional para mantener su bloqueo en la señal de Ícaro.

Nuestros cálculos muestran que con supuestos razonables las Navsats tendría que ser en una órbita de radio de aproximadamente 10 UA. Eso es casi lo mismo que la órbita de Saturno. Así que desde esta perspectiva, el sistema parece ser plausible.

El problema que no han abordado todavía es los requisitos de empuje de la nave receptor. Con el fin de mantener su bloqueo en la señal, la embarcación en el foco tendrá que hacer ajustes en su posición con el tiempo. Si la sonda distante Ícaro está en órbita alrededor de la estrella de destino, entonces el receptor embarcación será necesario hacer una gran cantidad de ajuste para un período de tiempo prolongado. No está claro si este aspecto del sistema pueden ser resueltos en el corto plazo.

Por ahora, estamos manteniendo la lente gravitatoria como una opción interesante que podría ser probado con Ícaro, pero no vamos a especificar como el mecanismo principal de comunicación.

Optimismo

Mientras que la física de las comunicaciones interestelares se entiende bien, los retos de la ingeniería son difíciles. Somos optimistas, sin embargo, porque incluso en la década de 1970 estaba claro para el equipo Daedalus que un sistema básico podría ser construido utilizando la tecnología de la jornada:

No necesitamos grandes avances tecnológicos "," en esta área, el desarrollo del sistema podría comenzar ahora.

Hoy en día, esta afirmación sigue siendo válida. Podríamos, de hecho, comenzar a desarrollar este sistema en este momento .

fuente, http://news.discovery.com/space/project-icarus-interstellar-communications-120206.htm

saludosl

alan d
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