O caçador de asteroides recém-lançado pela NASA, Psyche, foi projetado para nos dar uma olhada em um corpo que pode se assemelhar a profundezas distantes da Terra, onde nunca poderemos ir. Mas um instrumento que está acompanhando o passeio está empolgando os cientistas especializados em um campo completamente diferente – o das comunicações espaciais.
Desde o início da Era Espacial, elas dependem de ondas de rádio, apenas uma parte do espectro eletromagnético. Mas os cientistas esperam em breve expandir para outra parte do espectro. Seu objetivo é acrescentar lasers ao nosso kit de ferramentas de comunicação cósmica.
A principal missão da espaçonave Psyche é explorar um asteroide de 144 milhas de comprimento, em forma de batata, com uma órbita aproximadamente três vezes mais distante do Sol do que a da Terra. Uma das principais teorias sustenta que o asteroide alvo, também chamado de Psyche (16 Psyche, para ser exato), é o núcleo metálico de um planeta outrora esperançoso, cuja superfície rochosa foi destruída por colisões no cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter.
Se assim for, sentir o cheiro de sua mistura única de ferro, níquel e rocha pode ser o mais próximo que chegaremos de investigar o núcleo metálico da Terra.
Serão necessários seis anos para que a nave chegue e descubra se as medições do asteroide que sugerem uma superfície metálica estão corretas. Se estiverem, poderemos nos deparar com um objeto mais alienígena do que os escritores de revistas pulp das décadas de 1940 e 50 imaginaram, com ejetores de metal congelados em formas bizarras de encontros com outros asteroides.
"Mas os pesquisadores de comunicações espaciais começarão a ver os resultados muito mais cedo. O teste Deep Space Optical Communications (DSOC) será a primeira demonstração de comunicação a laser, ou óptica, além da Lua, e poderá ajudar a facilitar o caminho quando os astronautas retornarem à Lua e derem o próximo salto gigante – para Marte. Ele também representa uma etapa fundamental na abertura de uma nova era nas comunicações espaciais.
Se esse e outros testes relacionados funcionarem como esperado, os lasers oferecerão um impulso necessário para os limites de largura de banda enfrentados pelo principal sistema de comunicações fora do planeta, chamado Deep Space Network (DSN).
Os três locais de antena de rádio da DSN, cada um dominado por uma antena parabólica de 70 metros e localizados a 120 graus de distância um do outro na Espanha, na Austrália e no deserto da Califórnia, enfrentam um engarrafamento de proporções da hora do rush de Houston, segundo alguns.
Atualmente, as demandas de dezenas de missões espaciais, desde o telescópio James Webb até pequenos satélites comerciais (que pagam pelo serviço), precisam competir pelo tempo da rede.
“Pode haver solicitações em conflito entre várias missões”, diz Mike Levesque, gerente de projetos da DSN no escritório de Comunicações Espaciais e Navegação da NASA (SCaN). “Vinte por cento das solicitações não podem ser atendidas hoje. O problema só vai piorar com o tempo. Será de 40% até 2030.”
E outras 40 missões espaciais devem entrar em operação em um futuro próximo, cada uma exigindo tempo da rede de comunicações. Ainda mais importante, algumas dessas missões serão tripuladas, com instrumentos que transmitem vídeo de alta definição e leituras metabólicas momento a momento dos astronautas enquanto eles trabalham na Lua, construindo laboratórios e abrigos. Eles não vão querer que lhes digam para ficarem parados por causa de um CubeSat comercial, os minissatélites que transmitem vários tipos de dados científicos e fornecem conectividade com a Internet, e que proliferaram na órbita baixa da Terra.
“Os atrasos podem ser aceitáveis para a ciência, mas para as missões humanas precisamos de todas as mãos no convés”, diz Jason Mitchell, executivo de programas da SCaN. “Ao analisarmos o que os astronautas humanos querem ao irmos para a Lua e planejarmos Marte, os instrumentos científicos também crescerão. Poderemos estar enviando terabytes de dados por dia.”
Na demonstração recém-lançada, os pesquisadores procuram aproveitar a maior capacidade de transporte de informações da luz laser em relação às ondas de rádio. Os comprimentos de onda ópticos na parte do infravermelho próximo do espectro eletromagnético são tão pequenos – medidos em nanômetros – e as frequências são tão altas que muito mais informações podem ser armazenadas no mesmo espaço, aumentando as taxas de dados em 10 a 100 vezes mais do que é possível com o rádio.
“É por isso que o sistema óptico é uma ótima opção”, diz Mitchell. “As taxas de dados são muito altas.”
Com recursos semelhantes, os sistemas a laser também podem ser mais compactos do que os de rádio, exigindo menos energia, outro fator importante quando a espaçonave viaja a algumas centenas de milhões de quilômetros de casa.
Durante a última década, a NASA testou a nova tecnologia em diferentes ambientes, desde a órbita baixa da Terra até a Lua. O instrumento a bordo do Psyche possibilitará o primeiro teste no espaço profundo, um marco importante, pois a comunicação óptica tem suas desvantagens. Como o feixe de laser é estreito, ele deve ser apontado para os receptores na Terra com alta precisão, um desafio que só aumenta com a distância.
Abhijit Biswas, tecnólogo do projeto DSOC no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que construiu o instrumento, compara a dificuldade à tentativa de acertar uma moeda de dez centavos em movimento a um quilômetro de distância. Até mesmo uma sacudida pode interferir: Para manter o transceptor estável na Psyche, o JPL instalou suportes e atuadores especiais para isolá-lo das vibrações da espaçonave de 81 pés de comprimento.
Outros possíveis problemas incluem nuvens na Terra que podem bloquear o feixe óptico e o enfraquecimento significativo do sinal à medida que a distância aumenta e o feixe se espalha. Isso limita seu uso em distâncias além de Marte, pelo menos com a tecnologia atual. É por isso que o teste será realizado somente durante os dois primeiros anos da missão, antes que a nave viaje mais longe até o próprio asteroide.
Por esses motivos, bem como pelo fato de que não existe atualmente nenhuma rede terrestre de receptores ópticos, ninguém está prevendo um momento em que a comunicação a laser substituirá as ondas de rádio. Mas ela poderia acrescentar um novo canal. “As operações futuras serão projetadas para a diversidade”, diz Biswas.
Durante os testes a bordo da Psyche, um transmissor de cinco quilowatts na Table Mountain, no sul da Califórnia, enviará um pacote de comunicação de baixa taxa – nada exótico, principalmente padrões aleatórios, diz Biswas – para um transceptor a laser acoplado ao telescópio de 8,6 polegadas da espaçonave.
O instrumento travará no feixe e fará o download da mensagem, usando uma câmera que conta as partículas de luz, ou fótons, antes de retransmiti-la em alta velocidade para o telescópio Hale de 200 polegadas no Monte Palomar, perto de San Diego, onde poderá ser comparada com o original quanto à precisão.
Mesmo a distâncias mais próximas do que Marte, o sinal de laser é relativamente frágil. O pacote que chega ao telescópio Hale vindo da Psyche consistirá em apenas alguns fótons, e é por isso que a decodificação depende de um detector de contagem de fótons extremamente sensível e resfriado criogenicamente (feito com nanofios supercondutores) acoplado ao telescópio.
Para Biswas, cuja formação é em espectroscopia a laser, o teste de comunicações ópticas é o ponto culminante de um esforço de uma década. “É muito empolgante”, diz ele. “Há muitas coisas que estamos fazendo pela primeira vez.”
Embora a comunicação a laser, assim como as faixas de estacionamento das rodovias, possa não evitar futuros engarrafamentos na Deep Space Network, ela pode ajudar algumas mensagens a evitar engarrafamentos no espaço.
Este artigo foi republicado de Knowable Magazine , uma iniciativa jornalística independente da Annual Reviews.
