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sábado, enero 31, 2015

Susurros en la oscuridad

Las complicadas y lentas comunicaciones entre la New Horizons y La Tierra.

Desde hace unos días se encuentra en fase de encuentro con Plutón, lo que significa el inicio de la toma de imágenes de su objetivo, aún demasiado lejos para ser poco más que un punto de luz en la distancia, pero útiles a la hora de mediar con precisión su posición en cada momento y ajustar la trayectoria de ser necesario. La última serie de imágenes para la navegación óptica de esta semana se tomarán hoy, pero probablemente serán necesarias 2 semanas o más para que se transmitan de forma completa a la Tierra. Eso nos lleva a las inevitables preguntas: ¿Por qué tarda tanto tiempo, cuando hablamos, como máximo, de 10 imágenes de su cámara LORRI por día? Y por qué se necesitarán meses, quizás un año terrestre, en completar el envío de todo lo observado durante el encuentro con este mundo?

La respuesta  más sencilla, así como evidente, es que Plutón está muy lejos (30 veces la distancia entre La Tierra y el Sol), de modo que la señal de radio de la New Horizons, ya de por sí limitada por no disponer de una gran antena (no deja de ser una sonda muy pequeña) que podemos captar es débil, muy débil, y eso significa un bajo flujo de datos, el equivalente a menos de un tweet por segundo: Ahora mismo puede transmitir como máximo 1 kilobit por segundo, y solo los platos de 70 metros de la Red de Espacio Profundo de la NASA, aquellos de mayor tamaño, pueden detectara. Solo existen 3 de ellas, una en cada centro de control situado en Pasadena, Madrid y Camberra, y debe ser compartido con otras misiones, por lo que el tiempo disponible para la New Horizons es aún más limitado.

¿Cuantos datos forman una sola imagen de LORRI, la cámara de mayor resolución? Su detector es de 1024 píxeles cuadrados. Al igual que muchas cámaras espaciales modernas, cuando lee su detector, LORRI digitaliza cada píxel como números de 12 bits. Doce millones es una gran cantidad de bits, especialmente cuando se tienen que transmitir a una antena situado a 6.000 millones de Kilómetros de distancia, pero afortunadamente sus imágenes pueden ser comprimidas, sobre todo ahora, cuando lo que contienen es principalmente el negro espacio, hasta unos 2,5 Megabits sin pérdida de detalles. Se pueden hacer aún más pequeñas con la compresión JPEG, aceptando un grado de pérdida, pero para la navegación óptica, donde es necesaria la mayor precisión, las fotografías tienen que ser enviadas sin pérdidas.
 
Sumando el tamaño con el ritmo de transmisión actual, se tardan 42 minutos para enviar una sola fotografía a La Tierra. La mayoría de las sesiones de comunicaciones duran alrededor de 8 horas. Eso supondría un máximo de 11 imágenes por sesión de comunicaciones, pero eso solo si la New Horizons estuviera transmitiendo únicamente datos de LORRI, que no es el caso; hay otros instrumentos científicos, además de la telemetría de la propia sonda. No solo eso, ya que a causa de su diseño, y nunca hemos de olvidar lo relativamente modesta que es, no puede tomar datos y transmitir al mismo tiempo, lo que reduce el tiempo disponible para esto último. Durante los momentos de máxima actividad, con el sobrevuelo de Plutón, New Horizons entrará en periodos de completo silencio, centrada como estará en tomar datos, almacenados para su posterior y lento envío.

El equipo de tierra, por supuesto, es consciente de estas limitaciones, y por ello han desarollado con los años "trucos" para compensar en parte esta situación. Su sistema de radio incluye dos amplificadores de tubo de onda o TWTAs, que como su nombre indica, sirven para amplificar las señales de radio antes de que se emitan por su antena de 2.1 metros de diámetro. Hay dos TWTAs por redundancia: Si uno falla, todavía sería capaz de devolver datos con el otro. Pero ahora, al no ser idénticos, transmitirán simultáneamente los mismos datos, 2 señales que en La Tierra podrán ser combinadas para hacerla más fuerte, lo que implica una tasa de transmisión casi el doble de alta. Y eso es precisamente lo que se quiere hacer.

Existe un problema, y es que después de una década de viaje su único Generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) ha decaído tanto que ya no es capaz de suministrar la energía necesaria para cubirir todas las necesidades de la sonda en caso de que los 2 TWTA, que tiene un gasto muy elevado, estuvieran activos. Pero nuevamente su equipo tiene trucos para compensarlo: Convertir la sonda desde una cuya orientacion se mantiene fija a otra que gira sobre si misma, técnica con la cual la orientación se mantiene increiblemente estable, permitiendo desconectar temporalmente su sistema de guía y control, utilizando la energía ahorrada para alimentar al segundo TWTA. 

Es costoso en términos de hidracina, el combustible que utilizan los impulsores, y no se pueden tomar fotografías es esta situación con el tipo de cámaras fijas que llevaNew Horizons, por lo que se utilizará de forma limitada: El primer periodo de giro se extenderá entre el 10 Marzo al 4 de Abril; el segundo del 15 al 27 de Mayo. En ellos tendremos la llegada de muchas imágenes de LORRI, permitiendo además "limpiar" la memoria disponible de cara al encuentro, pero no se tomará ninguna otra, a pesar de que Plutón ya estará creciendo antes los ojos de la sonda. Un pequeño sacrificio en ciencia y combustible, pero que se considera necesario para tenerlo todo listo para el gran momento.

Y más allá. New Horizons seguirá utilizando ambos TWTAs después del encuentro (si ambos siguen en perfecto estado, claro está), pero así y todo serán necesario más de 1 año para completar el envío de la totalidad de los datos reunidos en ese momento. Así de difícil, lenta y dificultosa es comunicarse con ella, y que ella nos pueda enviar todo el tesoro científico que vaya reuniendo. Es una misión que requerirá mucha paciencia, ser conscientes de las circunstancias que la rodean y comprensivos con la lentitud con la llegarán las imágenes y los descubrimientos. No escucharemos una potente voz en la oscuridad, solo un tenue susurro. Y con el llegará aquello que durante tanto tiempo soñamos. Hemos esperado 85 años. ¿Acaso importa hacerlo un poco más?

La antena de 70 metros de Canberra, Australia, que forma parte de la Red del Espacio Profundo de la NASA.

Aunque grande en relación a la sonda, la antena de la New Horizons apenas mide unos 2 metros de diámetro. Con ella debe comunicarse con antenas de 70 metros situadas a 6.000 millones de Kilómetros. Todo un reto para una sonda relatviamente limitada como ella. 
El flujo de información que nos llega actualmente de New Horizons apenas permitiría publicar un tweet por segundo.

Talking to Pluto is hard! Why it takes so long to get data back from New Horizons

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