Comunicaciones interplanetarias
(1999)

Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
www.solred.com.ar/lu6etj
SOLVEGJ Comunicaciones
www.solred.com.ar/solvegj

Era mi intención refritar un viejo boletín enviado hace unos cuantos años a la LATNET vía packet radio. Lamentablemente lo perdí, así que reescribiré los conceptos fundamentales establecidos en aquel, aunque sin la parte literaria de ciencia ficción que lo acompañaba para amenizarlo.

El tema de las comunicaciones espaciales no es habitual en la radioafición argentina, exceptuando aquellos directamente relacionados con la comunicación mediante los satélites amateur o esporádicamente con el denominado "rebote lunar".

Hace apenas unos días, al afirmar que era posible captar las señales del Mars Global Surveyor Relay con equipos y antenas relativamente sencillas me sorprendió el nivel de incredulidad que provocó el comentario. La convicción intuitiva de los participantes de la rueda era que se necesitan para ese fin enormes conjuntos de antenas y tecnologías basadas en sistemas superenfriados.

Estoo sugiere que, al menos en el "nivel popular" de la radioafición local, no hay conocimientos bien difundidos de todo lo que es posible en este sentido. Idéntica situación probablemente ocurra con el proyecto SETI amateur pues quizás pocos creerán que existe alguna probabilidad de que mediante equipos domésticos estemos en condiciones de captar señales de alguna inteligencia extraterrestre y que esa inteligencia pueda estar situada fuera de nuestro sistema solar a distancias de varias decenas de años luz. 

¿Es posible comunicar con otros mundos?

La respuesta es obvia: lo hemos hecho con todas las sondas enviadas para explorar nuestro sistema solar que se acercaron a ellos, la pregunta correcta sería entonces: ¿podemos comunicar con otros mundos con equipos amateur?

Algunos sospecharán que si, entonces precisemos mejor la pregunta: ¿Es posible comunicar con otros mundos con nuestros equipos sin que ello signifique una inversión económica prohibitiva o conocimientos extremadamente complejos?

La respuesta categórica es si, SI, ¡SI...!

Para verificarlo echaremos mano a un poco de teoría y adelantándome a la típica afirmación de que "eso es teórico", responderé desde ya: ¿cómo es que se envía una nave a Marte o Júpiter y se comunica con ella? ¿con la práctica?, ¿apuntando y disparando para luego ver qué pasa?

La propagación en el espacio libre

Se puede encontrar en cualquier libro de radiotecnia básica una sencilla fórmula que permite calcular la atenuación de una señal en en su viaje por el espacio libre; es la bien conocida de Harold Friis:

Ao = 32.4 + 20 log d + 20 log f   donde:

Con esta sencilla ecuación podemos calcular cuál sería la atenuación de un enlace en la banda de UHF (1) con una una nave orbitando el planeta Marte en su momento de mayor aproximación a nuestro planeta, que es de aproximadamente unos 55 millones de kilómetros. El resultado es (verifíquelo con su calculadora).
(1) (440 MHz, aunque quizás una misión real utilizará otra/s)

Ao =  239,9 dB

¡Esta es verdaderamente una gran atenuación...!

El número es grande, por eso trataremos de asociarlo con algo familiar, por ejemplo un cable coaxil tipo RG-213/U, que en esa frecuencia posee una atenuación de 0,2 dB por metro (6,1 dB/100 ft, según Handbook ARRL 1996 pág. 19.5), entonces:

La longitud de RG-213/U cuya atenuación es igual equivalente a la del enlace con Marte es:

239,9 [dB] / 0,2 [dB/m] = 1199 m.

Vemos que un cable de poco más de un km presenta la misma atenuación que el enlace a Marte, así, el asunto no parece tan difícil de imaginar ¿verdad?; después de todo ¡no puede ser un desafío mayúsculo hacer llegar un miserable vatio al otro extremo de un cable de apenas un km!
Como no todo lo que reluce es oro, verifiquemos si nuestra intuición es correcta. Veamos qué representan estos 240 dB de atenuación. Recordando que:

Relación de potencias en dB = 10 * log (P2/P1)

Si a la salida de tal cable precisáramos 1 W ¿Cuanto deberíamos inyectar en la entrada? Observe:

240 dB = 10 * log (1.000.000.000.000.000.000.000.000 W / 1W)

Si no me equivoco esto se llama:  Un cuatrillón de watts...

¡No puede ser!, algo debe estar mal ¡cómo vamos a necesitar tanta potencia!. Desgraciadamente estos números nos dicen claramente que no se puede obtener 1 watt de un cable de 1 km en 440 MHz...
Lo peor es que, ni un watt, ni un miliwatt, ¡ni tan siquiera un microwatt...! ¿Es contrario al sentido común, verdad?, eso es lo que pretendía demostrar con este ejemplo

¡Ni el sentido común ni la intuición son herramientas muy confiables para manejarnos en la ciencia de la radio...!

Y así como la intuición falla haciéndonos creer que es posible obtener 1 watt al final de un cable RG 213 de un km en UHF, también se equivocaría creyendo que una comunicación a 55 000 000 de km es casi imposible para el aficionado...

El problema se reduce a encontrar cuáles son las condiciones eléctricas que harían posible el contacto. Sabemos que podemos jugar con los siguientes elementos.

Existe otro ítem, no tan familiar que resultará esencial para esta discusión: El ancho de banda de la información que se intercambia y a consecuencia de eso, el ancho de banda óptimo del receptor involucrado.

Nuestra meta consistirá en averiguar cómo podemos manipular estas variables para lograr el objetivo presumiendo -arbitrariamente para el ejercicio- la clase de equipos que podría llevar una futura misión tripulada (o no) con este fin.
Por de pronto nada nos impide imaginar que la nave no pueda transportar un equipo de unos 100 W para comunicar con radioaficionados, tampoco que no tenga antenas de ganancia importante para trasmitir otro tipo de información a la tierra compatibles con las frecuencias asignadas a nuestro servicio.

Imaginemos pues un sistema de antenas de unos 23 dB de ganancia en ambos extremos. Una antena de 23 dB en UHF es apenas un simple array de cuatro yagis enfasadas de unos 20 elementos per capita (booms de menos de cuatro metros) que cualquiera puede construir por unos pocos pesos en su tallercito casero.

Como preamplificador podemos contar fácilmente con uno capaz de aportar una Figura de Ruido de unos 0,5 dB ¡y aquí viene la sorpresa...!

¡En tales condiciones será posible establecer una comunicación en CW con un filtro común de 250 Hz... con una relación señal/ruido de casi +9 dB...!

Alguien aun podría objetar que una antena de esa ganancia no está al alcance de un aficionado medio, yo opino que si, a menos que el aficionado sea muy haragán, pero concedamos eso suponiendo que es cierto; propongamos entonces una elemental antena Yagi de apenas 13 dB de ganancia.
En este caso el comunicado podría realizarse igualmente reduciendo el ancho de banda de recepción (y de allí la velocidad máxima de la tramisión de CW) a unos 25 Hz. Eso se consigue muy fácilmente mediante un DSP de hardware o software tal como el DSP Blaster (o un simple filtro activo) y ¡hoy cualquier LU tiene una compu con una buena tarjeta de sonido!

Claro que la cuestión no se resuelve tan fácilmente, alguien bien podría decir -¿y cómo se que lo que Ud. dice es verdad?-, -después de todo es solo una afirmación suya como tantas en la Web-

Es verdad, para aceptar racionalmente estas ideas hacen falta algunos conocimientos básicos acerca de cosas tales como decibeles, figura o temperatura de ruido de un receptor y demás cosas que bien mezcladas en la coctelera hacen posible arribar a estos resultados.
Algunos temas no pueden explicarse únicamente con palabras y es menester recurrir a matemáticas para hacerlos claros: haciendo clic aquí se puede descargar una hoja de cálculo en formato Excel que permite experimentar con los números para visualizar resultados en diferentes condiciones de potencia, ganancia, ancho de banda etc.

La importancia del ancho de banda

Vale la pena destacar la cuestión del ancho de banda. Hoy en día el procesamiento digital de las señales (DSP) está al alcance de los aficionados (ver en este mismo sitio "Los contactos límites").

Es fácil obtener un programa capaz de recuperar señales que se encuentren ¡aún debajo del nivel de ruido audible del receptor!, recién mencionamos que aceptando una reducción de la información trasmitida por unidad de tiempo puede disminuirse la ganancia necesaria en la antena (o la potencia en el trasmisor, que es lo mismo) reduciendo el ancho de banda de nuestros receptores habituales para acomodarse a ella.
Lamentablemente el precio a pagar, como acabamos de decir, es la cantidad de información por unidad de tiempo que se puede transportar a medida que se reduce esa banda pasante.
Por ejemplo, si redujéramos el ancho de banda a unos 2,5 Hz, podríamos copiar la señal de CW aún cuando el trasmisor de la nave opere con tan solo 10 W (con la antena de 13 dB), pero la velocidad de trasmisión se reduciría muchísimo; de hecho, con un ancho de banda de 0,2 Hz la potencia del trasmisor podría ser de tan solo 1 W, pero la forma de recuperar la trasmisión sería básicamente graficándola en papel o pantalla, por su lentitud.

En algunas experiencias en el "Mars Surveyor Relay Test" realizado por la NASA con radioaficionados se emplearon anchos de banda del orden de 0,013 Hz.
(Ver http://ourworld.compuserve.com/homepages/demerson/marsspec.htm) o bien AMSAT Journal, Volume 20, No. 1, Jan/Feb 1997. pp.1,4-11. En ese sitio encontrará links a otros que tratan sobre el mismo tema.

Para averiguar algo más acerca de la sensibilidad de los receptores y cómo se la especifica puede encontrar en este sitio los artículos: "Los ruidos molestos..." y "Los ruidos molestos, los calculos..." 

Comunicando con Júpiter, el gigante...

Ahora que hemos visto lo fácil que es comunicar con Marte podemos aventurarnos un poquito más lejos. Sería realmente interesante ver si son posibles los QSO con una hipotética futura misión a Júpiter (no a su superficie, obviamente). Eso estaría más cerca de cosas que nos emocionaron ayer apenas, por ejemplo la legendaria "2001, Odisea del espacio" de Clark-Kubriek o la misión de la nave robot "Voyager" (Viajero), ambas íntimamente ligadas con el planeta de la jovialidad.

En su mayor acercamiento Júpiter se encuentra a una distancia de aproximadamente 600 000 000 de km, unas diez veces más que nuestro vecino guerrero. Empleando los mismos cálculos vemos que no nos será posible efectuar una comunicación en CW con el filtro normal para este modo, pero sin invertir un centavo más, ¿habrá alguna posibilidad...?

Nuevamente la respuesta es un SI rotundo, aunque esta vez tendremos que echar mano al computador y conformarnos con QSOs en telegrafía relativamente lentos o con modos digitales más elaborados, para lograrlo en morse no habrá mucho más remedio que echar mano a un DSP e intentarlo con un ancho de banda de unos 3 Hz que nos proveerá de una señal de unos 10 dB por encima del ruido, bien audible y perfectamente visible en nuestra pantalla; tan sólida que tranquilamente podemos conformarnos con una sola antena de unos 13 dB de ganancia pues en estas condiciones el DSP proveerá un nítido dibujo de puntos y rayas en el viejo código don Samuel.

Éxito en sus DX's interplanetarios :>)

73's


Nota: Puede hacerse un interesante análisis tomando la atenuación que presenta una señal que debe atravesar una distancia de 4,2 años luz que nos separa de nuestra estrella más cercana -Próxima Centauri- El archivo de Excel tiene los cálculos facilitados para distancias expresadas en AL.

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Imágenes
                Marte:   Enciclopedia Microsoft Encarta.
                Júpiter: Enciclopedia Microsoft Encarta.