Ingenieros de la NASA elegidos para construir el primer módem de fotónica integrada

Se ha recurrido a un equipo de la NASA para construir un nuevo tipo de módem de comunicaciones que empleará una tecnología emergente y potencialmente revolucionaria que podría transformar todo, desde las telecomunicaciones, las imágenes médicas y la fabricación avanzada hasta la defensa nacional.

 

El primer módem de fotónica integrada de la agencia espacial se probará a bordo de la Estación Espacial Internacional a partir de 2020 como parte de la Demostración de retransmisión de comunicaciones láser (LCRD) de varios años de la NASA. El dispositivo del tamaño de un teléfono celular incorpora funciones basadas en óptica, como láseres, interruptores y cables, en un microchip, muy parecido a un circuito integrado que se encuentra en todos los equipos electrónicos.

Una vez a bordo de la estación espacial, el llamado Módem y Amplificador de Usuario LCRD LEO (Órbita Terrestre Baja) Integrado (ILLUMA) servirá como terminal de órbita terrestre baja para el LCRD de la NASA, demostrando otra capacidad más de alta velocidad, láser- comunicaciones basadas.

Las tarifas de datos exigen nueva tecnología

Desde sus inicios en 1958, la NASA se ha basado exclusivamente en comunicaciones basadas en radiofrecuencia (RF). Hoy en día, con las misiones que exigen velocidades de datos más altas que nunca, la necesidad de LCRD se ha vuelto más crítica, dijo Don Cornwell, director de la División de Navegación y Comunicaciones Avanzadas de la NASA dentro del Programa de Navegación y Comunicaciones espaciales, que financia el desarrollo del módem.

LCRD promete transformar la forma en que la NASA envía y recibe datos, videos y otra información. Utilizará láseres para codificar y transmitir datos a velocidades de 10 a 100 veces más rápidas que los equipos de comunicaciones actuales, y requerirá significativamente menos masa y energía. Un salto tecnológico de este tipo podría ofrecer mediciones en video y de alta resolución desde naves espaciales sobre planetas de todo el sistema solar, lo que permitiría a los investigadores realizar estudios detallados de las condiciones en otros mundos, de manera muy similar a como los científicos hoy rastrean huracanes y otros cambios climáticos y ambientales aquí en la Tierra.

El proyecto, que se espera que comience a operar en 2019, no es la primera incursión de la NASA en las comunicaciones láser. Una carga útil a bordo del Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) demostró velocidades récord de descarga y carga hacia y desde la órbita lunar a 622 megabits por segundo (Mbps) y 20 Mbps, respectivamente, en 2013.

LCRD, sin embargo, está diseñado para ser un sistema operativo después de un período inicial de demostración de dos años. Se trata de una carga útil alojada y dos especialmente equipados estaciones terrestres. La misión dedicará los dos primeros años a demostrar un sistema en pleno funcionamiento, desde la órbita geosincrónica hasta las estaciones terrestres. Una vez que la NASA demuestre esa capacidad, planea utilizar ILLUMA para probar las comunicaciones entre naves espaciales geosincrónicas y de órbita terrestre baja, dijo Cornwell.

Una terminal excepcional

ILLUMA incorpora una tecnología emergente, la fotónica integrada, que se espera que transforme cualquier tecnología que emplee luz. Esto incluye todo, desde comunicaciones por Internet hasta cable de fibra óptica hasta espectrómetros, detectores químicos y sistemas de vigilancia, por nombrar sólo algunos.

"La fotónica integrada es como un circuito integrado, excepto que utiliza luz en lugar de electrones para realizar una amplia variedad de funciones ópticas", dijo Cornwell. Los recientes avances en nanoestructuras, metamateriales y tecnologías de silicio han ampliado la gama de aplicaciones de estos chips ópticos altamente integrados. Además, podrían imprimirse litográficamente en masa (al igual que los circuitos electrónicos actuales), lo que reduciría aún más los costos de los dispositivos fotónicos.

"Esta tecnología permitirá todo tipo de misiones de la NASA, no sólo las comunicaciones ópticas en LCRD", añadió Cornwell.

"Hemos impulsado esto durante mucho tiempo", dijo Mike Krainak, quien dirige el desarrollo del módem en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “La tecnología simplificará el diseño del sistema óptico. Reducirá el tamaño y el consumo de energía de los dispositivos ópticos y mejorará la confiabilidad, al mismo tiempo que permitirá nuevas funciones desde un sistema de menor costo. Está claro que nuestra estrategia para aprovechar los circuitos fotónicos integrados conducirá a una revolución en las comunicaciones de la Tierra y el espacio planetario, así como en los instrumentos científicos”.

Además de liderar el desarrollo de ILLUMA, Krainak se desempeña como representante de la NASA en el primer consorcio del país para avanzar en la fotónica integrada. Financiado por el Departamento de Defensa de EE. UU., el Instituto Americano para la Fabricación de Fotónica Integrada, una organización sin fines de lucro, con sede en Rochester, Nueva York, reúne el talento tecnológico líder del país para establecer un liderazgo global en fotónica integrada. Su objetivo principal es desarrollar métodos de fabricación de bajo costo y alto volumen para fusionar productos electrónicos. circuitos integrados con dispositivos fotónicos integrados.

La Dirección de Misiones de Tecnología Espacial (STMD) de la NASA también nombró a Krainak como líder de fotónica integrada para su Programa de Subvenciones para Investigación de Tecnología Espacial, que apoya las innovaciones en etapas iniciales. El programa anunció recientemente una serie de premios de investigación en esta área tecnológica (ver artículo relacionado).

Primer paso en la demostración de la fotónica

En el marco del proyecto de la NASA, Krainak y su equipo reducirán el tamaño de la terminal, que ahora tiene aproximadamente el tamaño de dos hornos tostadores, un desafío que se simplificará porque todas las funciones relacionadas con la luz se integrarán en un microchip. Aunque se espera que el módem utilice algo de fibra óptica, ILLUMA es el primer paso en la construcción y demostración de un circuito fotónico integrado que en última instancia integrará estas funciones en un chip, afirmó.

ILLUMA calificará la tecnología para el vuelo y demostrará una capacidad clave para futuras naves espaciales. Además de comunicarse con estaciones terrestres, los futuros satélites requerirán la capacidad de comunicarse entre sí, afirmó.

“Lo que queremos hacer es proporcionar un intercambio de datos más rápido a la comunidad científica. Los módems tienen que ser económicos. Tienen que ser pequeños. También tenemos que mantener su peso bajo”, dijo Krainak. El objetivo es desarrollar y demostrar la tecnología y luego ponerla a disposición de la industria y otras agencias gubernamentales, creando una economía de escala que reducirá aún más los costos. "Esta es la recompensa", dijo.

Aunque la fotónica integrada promete revolucionar la ciencia espacial y las comunicaciones interplanetarias, su impacto en los usos terrestres también es igualmente profundo, añadió Krainak. Uno de esos usos es en los centros de datos. Estas costosas y muy grandes instalaciones albergan servidores que están conectados por cable de fibra óptica para almacenar, gestionar y distribuir datos.

La fotónica integrada promete reducir drásticamente la necesidad y el tamaño de estos gigantes, sobre todo porque el hardware óptico necesario para operar estas instalaciones se imprimirá en un chip, muy parecido a los circuitos electrónicos actuales. Además de reducir los costos, la tecnología promete una potencia informática más rápida.

"Google, Facebook, todos están empezando a mirar esto tecnología”, dijo Krainak. "Como fotónica integrada Si avanza hasta ser más rentable que la fibra óptica, se utilizará”, dijo Krainak. "Todo va en esta dirección".