Cómo construir una internet en Marte

Cuando los astronautas finalmente lleguen a Marte, posiblemente dentro de un par de décadas, necesitarán una forma de comunicación. Esta comunicación debe extenderse entre sí, a cualquier equipo que se encuentre en órbita alrededor del planeta y, por supuesto, al control de la misión en la Tierra. Su distancia de casa exigirá una conexión que les permita mantenerse en contacto con sus seres queridos, actualizar sus listas de reproducción de música o transmitir sus programas favoritos.

Desafortunadamente, no es posible crear una conexión Wi-Fi que se conecte a Internet en la Tierra. Con una distancia que oscila entre aproximadamente 55 y 400 millones de kilómetros entre los dos planetas, dependiendo de sus posiciones en sus órbitas, los astronautas van a necesitar una solución diferente.

Teniendo en cuenta las misiones humanas a Marte, es crucial contar con una infraestructura de comunicaciones sólida, según Claire Parfitt, ingeniera de sistemas de la Agencia Espacial Europea (ESA) que actualmente reside en Noordwijk, Países Bajos. Ella revela que se ha comenzado a trabajar para explorar lo que eso implica.

Actualmente, los científicos están explorando la mejora de las redes existentes, así como alternativas más radicales. Un ejemplo es la misión Psyche de la NASA, que se lanzó en octubre con el objetivo de estudiar un asteroide situado entre Marte y Júpiter. Esta misión también probará la comunicación interplanetaria utilizando láseres, que son capaces de transportar cantidades de datos mucho mayores en comparación con las ondas de radio, el medio de comunicación utilizado desde los albores de los viajes espaciales.

Sin embargo, no se conocen estrategias que puedan eliminar el retraso en las comunicaciones entre la Tierra y Marte debido a la distancia. Un mensaje que viaja a la velocidad de la luz puede tardar entre cuatro y 24 minutos en un viaje de ida. En consecuencia, es imposible una comunicación rápida con el control de la misión, además de una llamada de WhatsApp a casa.

Los astronautas también tienen que lidiar con la conjunción solar, un fenómeno en el que el Sol se interpone entre la Tierra y Marte, explica Parfitt. Este hecho corta la comunicación durante algunas semanas aproximadamente cada dos años, y la última interrupción se produjo en noviembre.

La exploración de nuevos enfoques podría allanar el camino para que Marte tenga más capacidades de comunicación similares a las de la Tierra. Algunos investigadores ya especulan sobre una posible Internet marciana.

Múltiples agencias espaciales tienen módulos de aterrizaje, rovers y satélites presentes en Marte que tienen que comunicarse con la Tierra.

Tomemos como ejemplo el rover Perseverance de la NASA; transmite y recibe dos tipos de datos. Uno es el comando y la telemetría que permiten la toma de decisiones mediante instrucciones enviadas y información recibida desde la Tierra. Recibe más de 1.000 comandos de la Tierra diariamente. En segundo lugar, están los datos científicos, por ejemplo, las imágenes de rocas marcianas recopiladas por Percy. Incluso las misiones Ingenuity recientemente concluidas se comunicaban regularmente con el rover para transmitir datos y comandos entre él y la Tierra. Los satélites en órbita como Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA, además del Trace Gas Orbiter (TGO) de la ESA, también transmiten datos científicos a la Tierra.

Perseverance y otros vehículos exploradores de Marte tienden a recibir órdenes de la Tierra con ondas de radio de banda X. Aunque Percy puede enviar pequeños volúmenes de datos directamente, normalmente utiliza ondas de radio de frecuencia ultraalta (UHF) para transmitir datos a los orbitadores de Mars Relay Network, que tienen antenas importantes para transmitir datos a la Tierra. Percy también realizó tareas de retransmisión de comunicaciones con el helicóptero Ingenuity.

Como lo describe la NASA, muchas comunicaciones de Marte se transfieren a través de la Mars Relay Network en un "baile cuidadosamente coreografiado". La red de retransmisión contiene cinco orbitadores, a saber, MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey y Mars Express, que transmiten información a través de antenas apuntadas hacia la Tierra. Un rover con datos para enviar a la Tierra primero se comunica con un orbitador mediante transmisión de radio de frecuencia ultraalta. Si ese orbitador no tiene línea de visión con la Tierra, puede almacenar los datos hasta que tenga la línea de visión, después de lo cual los transmite a la Tierra. Existen numerosas y poderosas antenas de radio globales que están continuamente buscando señales del espacio profundo.

Sin embargo, este sistema no será suficiente cuando una tripulación humana aterrice en Marte. Vincent Chan, investigador del MIT en comunicaciones por fibra óptica y por satélite, no considera que las comunicaciones en tierra sean un desafío importante. La tripulación marciana puede utilizar radiofrecuencia y tecnologías inalámbricas existentes, dice Chan. Dos minitorres de telefonía celular podrían ser suficientes cuando la tripulación está muy cerca, mientras que se podría emplear una estrategia de retransmisión cuando la tripulación está muy separada y los mensajes deben enviarse más allá del horizonte. Estos son métodos utilizados habitualmente por personas que viven en zonas remotas de la Tierra. "Esos servicios ya están en funcionamiento", afirma Chan, y son "muy económicos".

Según Chan, la primera pieza de infraestructura que probablemente instalarán los exploradores marcianos sería una gran antena en su vehículo de aterrizaje dirigida hacia la Tierra. Sin embargo, los desafíos probablemente aumentarían a partir de ahí. Las antenas terrestres que carecen de línea de visión directa pueden requerir el uso de relés orbitales similares a la Mars Relay Network para conectarse con la Tierra. La provisión de cobertura 24 horas al día, 7 días a la semana requeriría la disponibilidad de numerosos orbitadores, optimizados para una gran transferencia de datos.

Actualmente, la ESA está considerando cómo fortalecer la red de retransmisión actual. Se encuentra en las etapas preliminares de evaluación de un concepto llamado Infraestructura de Navegación y Comunicación de Marte, o MARCONI. Suponiendo que el proyecto avance, el objetivo sería desarrollar un conjunto de cargas útiles relacionadas con la comunicación y la navegación que puedan incorporarse a cualquier misión con destino a Marte.

Parfitt explica que una vez desplegadas en órbita, estas cargas útiles funcionarían como nodos, proporcionando servicios de comunicación por radio marcianos. Luego serían retenidos para uso en futuras misiones. Y añade: "Teniendo en cuenta el mayor coste de aterrizar más masa, no sería ideal aterrizar sistemáticamente sistemas de comunicación masivos en Marte".

Las frecuencias de radio tradicionales pueden ser adecuadas para velocidades de datos bajas, pero un enlace láser podría potencialmente transferir de 10 a 100 veces más datos en el mismo período de tiempo. Debido a las frecuencias más altas de las ondas ópticas, que registran cientos de miles de veces las de las ondas de radio, pueden contener mucha más información. En consecuencia, el futuro de las comunicaciones espaciales probablemente podría residir en este tipo de señal óptica.

La nave espacial Psyche, lanzada en octubre pasado, está programada para medir la viabilidad de las comunicaciones láser de larga distancia mientras viaja hacia Psyche, el asteroide rico en metales que está previsto explorar. La nave espacial está equipada con la tecnología de Comunicaciones Ópticas del Espacio Profundo (DSOC, por sus siglas en inglés) de la NASA.

Aunque el uso de láseres para comunicaciones espaciales no es una novedad, nunca han sido probados desde distancias superiores a las de la Luna. A mediados de noviembre, Psyche transmitió datos a la Tierra desde una distancia 40 veces mayor que la Luna (16 millones de kilómetros), y en diciembre transmitió un vídeo de un gato llamado Taters desde 31 millones de kilómetros de distancia.

La ESA también está examinando el potencial de las comunicaciones ópticas de larga distancia. Uno de esos programas de investigación y desarrollo llamado ScyLight (que se pronuncia skylight y abreviatura de Secure and Laser Communication Technology) apoya la exploración de tecnologías ópticas y cuánticas para proporcionar una comunicación de datos basada en el espacio segura y más rápida.

A pesar de sus ventajas, la comunicación óptica requiere una orientación de la señal muy precisa. A diferencia de las comunicaciones por radio, las señales ópticas se dirigen en un haz estrecho, que debe alinearse exactamente con el receptor. Además, los láseres también pueden verse afectados por los efectos atmosféricos y la cobertura de nubes.

Una transición hacia las comunicaciones ópticas requeriría mejoras en la Red del Espacio Profundo (las antenas de radio actuales que reciben mensajes del espacio profundo) o el establecimiento de una nueva infraestructura.

La Luna, aunque más cercana que Marte, ofrece valiosas lecciones para la conectividad futura. Como parte del programa Artemis, cuyo objetivo es restaurar la presencia humana en la luna, la NASA ha reclutado empresas privadas para crear una red lunar 4G para telecomunicaciones. Esta red estaría basada en ondas de radio e implicaría la instalación de antenas y estaciones base lo suficientemente resistentes como para soportar el severo entorno lunar.

El programa Moonlight de la ESA anima a las corporaciones espaciales privadas a establecer una red de satélites de comunicación alrededor de la Luna, incluso en zonas sin visibilidad directa de la Tierra. La primera fase del programa comprende el lanzamiento del orbitador Lunar Pathfinder, previsto para 2026.

Tomas Navarro, ingeniero de proyectos futuros de la ESA en Londres, afirma: "Todo lo que se hace para la Luna tiene como objetivo apoyar los viajes humanos y de misión a Marte".

Aparte de la simple comunicación, los exploradores y eventuales colonos marcianos probablemente necesitarán algo parecido a Internet en la Tierra para actividades que van desde compartir fotografías hasta acceder a enormes bases de datos. En junio de 2023, Tobias Pfandzelter y David Bermbach de la Technische Universität Berlin propusieron la idea de una red de satélites de Marte que proporcionara al Planeta Rojo su propia Internet.

La mayoría de las personas en la Tierra se conectan a Internet a través de sus teléfonos, ya sea mediante radiación de radiofrecuencia en redes inalámbricas 4G o 5G, o mediante enrutadores Wi-Fi. Estas conexiones están interconectadas a través de cables de fibra óptica globales. Sin embargo, la red marciana propuesta se parecería a Starlink, una constelación de satélites en órbita terrestre baja gestionada por SpaceX. Aunque la cobertura de telefonía móvil e Internet de banda ancha por satélite es cara en la Tierra, un sistema de este tipo podría ser más rentable y más sencillo de construir en Marte que una red terrestre integral y resistente.

Pfandzelter and Bermbach are both experts in cloud computing — the delivery of computing services over the internet. For their proposed Martian internet, they extrapolated concepts from edge computing, in which information is processed close to where it is collected.

Michael Clegg, a general manager at the technology company Supermicro, based in San Jose, Calif., has explained edge computing using the analogy of a popular pizza restaurant “that opens smaller branches in more neighborhoods, since a pie baked at the main location would get cold on its way to a distant customer.” Edge computing generally relies on base stations on the ground to store and relay the data, but low Earth orbit satellites are now being seen as an alternative.

Pfandzelter and Bermbach concluded that a constellation of 81 low-orbit satellites around Mars would be good enough for planetwide coverage. They would provide a local communications system that would be an extension of Earth’s internet.

Consider an astronaut on Mars trying to catch up on a Netflix show. “If you were to stream it from Earth, you would have to first wait 10, 15 or even 40 minutes,” Pfandzelter says, and that’s just to connect. It would be a frustrating stop-and-start affair. And if another astronaut on Mars wanted to watch the same movie, they have to go through the same process all over again.

Instead, a cloud data storage system on Mars could make movies easy to access. “You could just have the same experience that you have on Earth, because all your data is locally copied,” he says. Meanwhile, other uploads and downloads to and from Earth, such as science data, could continue in the background.

Putting internet satellites into orbit around Mars would also be economical because it wouldn’t require landing infrastructure on the surface; landing equipment can make up a big chunk of a mission’s budget. “It would be much cheaper to just send a bunch of networking satellites to Mars, and just keep them in orbit,” says Pfandzelter.

It’s similar to a scaled-up version of the MARCONI concept (and could use radio or optical waves, depending on the state of those technologies).

Even if arrival on Mars is decades away, Parfitt says, it’s not too soon to start planning. Live video-chatting between planets is out of the realm of scientific possibility. Unless there is a major upheaval in the laws of physics, messages won’t ever be able to travel faster than the speed of light. “It’s not a problem to be solved. It’s just a problem.”

But other limitations can be overcome. Tackling those challenges may not only benefit future astronauts on Mars but may also help get them there sooner.

“When you put in an infrastructure like that,” Parfitt says, “you see many, many more missions being proposed.”