Cómo mantener comunicaciones con naves espaciales que entran en la atmósfera

Expertos propone mantener la comunicación con una nave espacial que vuelve a entrar en la atmósfera, haciendo coincidir la resonancia de la antena con la de la cubierta hipersónica circundante.

El enfoque, que se describe en la edición de esta semana de ‘Journal of Applied Physics’, también se podría aplicarse a otros vehículos hipersónicos, como aviones militares futuristas y misiles balísticos.

Cerca del final de la película Apolo 13, que representa el angustioso viaje de los tres astronautas a bordo de la misión lunar abortada en 1970, la tensión aumenta. A medida que la nave espacial esquiva obstáculos en la atmósfera de la Tierra, está rodeada por aire ionizado caliente que corta la comunicación con el control de la misión de la NASA en Houston.

Eso no sólo fue una licencia creativa de un equipo de producción de Hollywood. El apagón de la comunicación del Apolo 13 fue más un minuto más largo de lo esperado, que se añadió a la incertidumbre, pero los apagones de comunicación, incluso los de rutina, pueden crear momentos de ansiedad, ya que no hay manera de saber o controlar la ubicación y el estado de la nave espacial desde la tierra.

«Cuando no es posible conectarse con un vehículo en la reentrada, lo único que se puede hacer es rezar por él», afirma uno de los autores del nuevo planteamiento, Gao Xiaotian, físico del Instituto de Tecnología de Harbin en China, que trabajó con su colega Binhao Jiang.

La imposibilidad de comunicación con los vehículos hipersónicos ocurre porque a medida que la nave se comprime a cinco o más veces la velocidad del sonido, una envoltura de aire ionizado caliente, llamado vaina electrostática, la rodea. Esta vaina de plasma reflejará señales electromagnéticas en la mayoría de las condiciones, cortando la conexión con cualquier cosa fuera del vehículo. Sin embargo, bajo ciertas condiciones especiales, una vaina de plasma puede en realidad mejorar la radiación de una antena de comunicación.

Gao y sus colegas razonaron que sería posible replicar estas condiciones especiales en un vuelo hipersónico ordinario mediante el rediseño de la antena. Los investigadores analizaron primero experimentos anteriores y encontraron que una mejora de la señal especial podría explicarse por una resonancia o emparejamiento de las oscilaciones electromagnéticas, entre la vaina de plasma y el aire circundante. Proponen añadir una «capa adaptada» para antenas de comunicación común para crear las condiciones resonantes deseadas durante el vuelo hipersónico normal.

La capa funciona porque actúa como un condensador –un tipo de unidad de almacenamiento de energía eléctrica– en el circuito de la antena, detalla Gao. La vaina de plasma, por otra parte, actúa como un inductor, que resiste los cambios en una corriente eléctrica que pasa a través de él. Cuando un condensador y un inductor están emparejados juntos, pueden formar un circuito resonante.

«Una vez que se alcanza la resonancia, se puede intercambiar la energía entre ellos de manera constante y sin pérdidas, al igual que la capacitancia e inductancia reales lo hacen en un circuito –detalla Gao–. Como resultado, se puede propagar la radiación electromagnética a través de la capa de emparejado y la vaina de plasma como si no existieran».

Para que la resonancia funcione, el espesor de la capa adaptada y la vaina de plasma debe ser menor que la longitud de onda de las ondas electromagnéticas utilizadas para comunicarse, por lo que el enfoque sería ineficaz si la frecuencia de la antena fuera demasiado alta, matiza Gao.

Las propiedades de la vaina de plasma pueden cambiar durante el vuelo, pero Gao y sus colegas creen que su capa adaptada puede ajustarse para que estos cambios si se hace de un material cuyas propiedades electromagnéticas puede sintonizarse con una señal eléctrica.

«No necesitamos saber exactamente las propiedades de la capa de plasma, pero tenemos que conocer los rangos para estas propiedades. La capa adaptada se ajustará por un sistema de control automático, así que sólo necesitamos saber los rangos para asegurarnos que todo este sistema puede funcionar adecuadamente», afirma Gao.

El equipo no es el primero en tratar de resolver el problema de apgaones de comunicación, pero su enfoque tiene ventajas sobre otros intentos, según los propios autores. Por ejemplo, el equipo necesario para aplicar la capa adaptada es mucho más ligero que el requerido por otros métodos. El enfoque de esta capa no se basa en una forma particular de un vehículo para funcionar, no consume energía adicional y puede adaptarse a los cambios de la vaina de plasma.

 

EP – INNOVAticias

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