Así se comunica la ESA con sus sondas en el espacio profundo

La red de espacio profundo de la ESA, Estrack, ha cumplido 40 años en funcionamiento desde que se instalaron las primeras antenas de seguimiento de satélites en VILSPA, lo que ahora es el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) en Villanueva de la Cañada (Madrid). La red tal y como está actualmente en operación empezó a montarse, en realidad, en 1998, respondiendo a las necesidades cada vez mayores de la agencia de poder comunicarse con sus misiones espaciales sin tener que depender de la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA.

La evolución y funcionamiento actual de Estrack es un buen ejemplo de cómo se comunica una agencia espacial con sus sondas desperdigadas por el Sistema Solar, y cómo se decide dónde ubicar las antenas, cómo organizar su tiempo, en qué anchos de banda se comunican con los satélites y cómo colaborar con otras agencias y otros países dando soporte a sus misiones.

Una red por todo el mundo

Cuando se decide instalar una red de espacio profundo (que pueda recibir y enviar datos a satélites situados a un mínimo de dos millones de kilómetros de distancia de la Tierra), se busca que tenga una cobertura de 24 horas durante todos los días, que sea visible para las sondas constantemente. Para ello, hace falta instalar las antenas por todo el mundo, separadas por 120º entre sí. Así es como la NASA decidió situar sus tres antenas de DSN en Goldstone (Estados Unidos), Camberra (Australia) y Robledo de Chavela (España), y como la ESA eligió Cebreros (España), Nueva Norcia (Australia) y Malargüe (Argentina).

La red completa de Estrack la forman diez estaciones de seguimiento en siete países. Las tres mencionadas antes son estaciones de espacio profundo equipadas con antenas parabólicas de 35 metros de diámetro. Después, hay otras seis dedicadas al seguimiento de misiones en órbitas bajas y cercanas, cuytas antenas miden 15 metros de diámetro, y que están ubicadas en Kourou (Guayana Francesa), Maspalomas y ESAC (España), Redu (Bélgica), Kiruna (Suecia) y Perth (Australia). La de Perth también se dedica a seguir a las lanzaderas (como Ariane y Vega, que despegan desde Kourou) en su trayecto hacia la órbita, junto con una estación específica ubicada en la isla de Santa María en las Azores (Portugal).

Inicialmente, algunas de estas estaciones se construyen para dar seguimiento a una misión en concreto. La de Cebreros (Ávila), por ejemplo, se inauguró en 2005 para dedicarse casi en exclusiva a Venus Express, mientras la de Kiruna está más centrada en misiones de observación de la Tierra. Sin embargo, esa habitual que, después, pasen a recibir datos y a enviar telecomando a otros satélites. Según van evolucionando las necesidades de comunicación con las sondas, así va mejorando y creciendo la red. En palabras de Thomas Reiter, ex astronauta y director de Vuelo Tripulado y Operaciones de la ESA en el actp de celebración de esos 40 años de Estrack, "esta tecnología (de seguimiento) tiene que desarrollarse, no puede reutilizarse. Son antenas cuya semsibilidad tiene que mejorar constantemente.

Así se comunica una antena con un satélite

Las tres antenas de espacio profundo de Estrack son las más sensibles de todas. Al fin y al cabo, las misiones con las que se comunican son las que se encuentran más alejadas. Todas pueden girarse, elevarse y apuntar con gran precisión a sus objetivos de forma automatizada y resistiendo fuertes vientos y temperaturas extremas. Sus estructuras móviles pesan unas 620 toneladas, y pueden transmitir señales de radio de hasta 20kW de potencia.

Las antenas reciben las señales de los satélites, que se reflejan en su enorme superficie colectora y son amplificadas y enviadas a una serie de espejos dicroicos metálicos que reflejan y separan las señales de radio con frecuencias entre los dos y los 40 GHz. En las estaciones de la ESA, las señales de las misiones recibidas se envían a ESOC, el centro de operaciones en Darmstadt (Alemania). Allí, se separan las señales de telemetría de los datos científicos, que se envían para su procesado y almacenamiento a ESAC.

Lionel Hernández, director de la estación de Cebreros, explica que:

"Tenemos un calendario muy previsto. Sabemos que ahora hemos terminado con Rosetta, probablemente, y que dentro de dos horas vamos a pasar a Mars Express. Todo eso está completamente automatizado, no hacemos operaciones aquí. El equipo sólo hace operaciones en la fase crítica de una misión. Si no, está todo controlado, remotamente, desde Alemania. Todo está automatizado, la antena está programada para que, a tal hora, apunte a Mars Express y la siga durante cinco horas".

Las antenas, además, incluyen receptores enfriados a -258º C para reducir el ruido eléctrico del sistema y captar mejor las señales de las sondas, que están tan lejos, que se reciben bastante débiles. Para comunicarse con las sondas Voyager, por ejemplo (que están tan lejos del Sol, que su distancia ya se mide directamente en unidades astronómicas), la NASA tiene que enfriar los receptores de sus antenas de 70 metros de diámetro a -255º para poder captar sus señales.

La antena de Cebreros, en concreto mide 40 metros de altura, su reflector, de 35 metros de diámetro, pesa 130 toneladas, y tiene un espejo M6 con varias capas de diferentes espesores. En él hay taladrados miles de agujeros rectangulares, con una precisión entre 5 y 15 micras, para dejar pasar a los receptores rangos específicos de frecuencias, mientras refleja el resto. Pero estas especificaciones técnicas van mejorándose conforme las misiones van aumentando sus necesidades.

Más ancho de banda y más velocidad

Las antenas de espacio profundo de la ESA operan todas dentro del mismo rango de frecuencias. Lionel Hernández explica la elección de una u otra "depende de las misiones, por supuesto, pero la estación trabaja con dos bandas de frecuencia: la banda X, que son unos 8 GHz, y tenemos también recepción en banda Ka, que son unos 30 GHz. De momento, no tenemos transmisión en banda K, pero eso va a venir bastante pronto porque la necesitamos para la misión BepiColombo".

Esas bandas satisfacen las necesidades de comunicación de las sondas espaciales con sus centros de control, por el momento, pero éstas cada vez captan más cantidad de datos, y de mayor calidad, en sus misiones, por lo que se necesita no sólo más ancho de banda para las transmisiones, sino también una mayor velocidad de emisión de datos. Por ejemplo, la señal de Mars Express (que fue lanzada a Marte en 2003) tiene una velocidad de descarga de 228 kbit/s, mientras Gaia, dedicada desde el año pasado a la cartografía de la Vía Láctea (y situada bastante más lejos que Mars Express), lo hace a 7,6 Mbit/s. Pero para cuando se lancen, en unos años, ExoMars y el telescopio espacial Euclid, esas velocidades deberían aumentar a 2,2 Mbit/s y 74 Mbit/s, respectivamente, por lo que se están actualizando y mejorando las antenas de espacio profundo de Estrack.

Lionel Hernández señala, en cuanto a la banda empleada para la comunicación con los satélites, que:

"La más común es la banda X. Antes trabajábamos en la banda S, de 2 GHz, pero ahora tenemos ahí la competencia de los móviles, así que es un poco difícil encontrar las licencias y estar bien aislado. Cada vez, las misiones piden más ancho de banda para recibir más datos, así que la banda S era limitada. Pasamos a la banda X. Ahora, el 90, 99% de las misiones están en la banda X, pero para misiones futuras se necesita aún más ancho de banda, así que vamos a empezar a trabajar con la banda K y la Ka".

Hernández también señala que "lo que hacemos en una estación de seguimiento de satélites es que seguimos a un satélite, recibimos los datos, que pueden ser científicos o datos de vida del satélite, como el estado de la batería o de los paneles solares. Podemos también mandar telecomandos al satélite y también hacemos medición de ubicación. Tenemos que saber siempre dónde está el satélite, para ver si la trayectoria es la que está prevista y para, al día siguiente, poder encontrarlo donde lo esperamos. Hacemos dos medidas, una de distancia y otra de velocidad, y con eso, nos da exactamente dónde está el satélite".

Las redes de seguimiento de satélites, como Estrack, son fundamentales para que las agencias espaciales reciban los datos obtenidos por ellos y sepan en todo momento dónde están y en qué estado se encuentran. Es habitual que agencias como la NASA y la ESA colaboren para darse apoyo en algunas misiones, y Estrack dio soporte, por ejemplo, a la primera misión china que llevó un aterrizador a la Luna. Con las nuevas misiones en proyecto para el futuro, incluyendo un hipotético viaje tripulado a Marte, las estaciones de espacio profundo tienen también que incirporar las últimas tecnologías.