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3/4/21 - DJ:

Construyendo el futuro: el GPS espacial

T.E.L: 5 min.

Sobre un sistema de posicionamiento autónomo para naves espaciales.


Si yo le dijera que alguien propuso un sistema de navegación autónomo para...coches voladores ¿Qué me diría? A mí me parecería inútil, a menos que se hagan coches voladores.

En la serie Seinfeld, Temporada 9, episodio 11, titulado "La Concesionaria" (The Dealership), de 1998, Jerry quiere comprar un auto y George lo acompaña. Al inicio del capítulo, conversan y dicen que ya tendría que haber autos voladores. Y pasaron 23 años desde entonces. Sería ridículo pensar un sistema de posicionamiento autónomo de autos voladores, en tanto no exista un avance significativo en la creación de autos que vuelen.

Recientemente se conoció el trabajo de un astrónomo que propuso un sistema de posicionamiento autónomo para naves espaciales en viajes interestelares.
Los viajes interestelares están muy lejos de hacerse realidad. Las naves creadas hasta ahora logran aceleraciones muy por debajo del 1% de la velocidad de la luz. Así, viajar a otras estrellas llevaría miles de años. De modo análogo a los coches voladores, un sistema de navegación autónomo para naves que están muy lejos de existir podríamos pensar que es...inútil. Sin embargo, déjeme contarle de qué se trata y luego vemos cuán inútil es o parece ser.

Jerry y George pensaban que los autos ya debían volar en 1998. 

Hasta ahora, con naves que surcan el sistema solar, la navegación de las naves se hace desde Tierra, enviando y recibiendo señales de radio, a través de antenas. Entre el envío y recepción de las señales hay una demora, ya que las señales viajan a la velocidad de la luz, pero el espacio es grande. Si la distancia entre el planeta y la nave es de 20 horas luz, habrá 20 horas de demora entre el envío y recepción de las instrucciones.

El problema sea hace exponencialmente mayor con el aumento de las distancias. Si la nave viajara al espacio interestelar y estuviera por ejemplo a 1 año luz de distancia, la demora entre el envío y recepción de las señales será de 1 año. Si la nave envía su posición, la información llegaría un año después, tiempo durante el cual la nave habría seguido su viaje, con lo cual su posición al recibir la información, será otra. Si se pretende cambiar el curso, habría que enviar instrucciones que tardarían otro año en llegar a la nave.

Esto justifica la necesidad de pensar un sistema autónomo por el cual la nave, a través de la informática, sea capaz de corregir su curso en caso de ser necesario. El astrónomo Coryn Bailer-Jones propuso un sistema tal, en una publicación alojada en el repositorio ArXiv. Aunque se trata de un trabajo técnico, alcanza con entender lo básico de un sistema de posicionamiento astronómico: la posición angular.

Si ponemos el dedo índice a pocos centímetros del rostro, a la altura de la nariz y miramos al dedo con un solo ojo, en forma alterna, es decir, primero con un ojo y luego con el otro, notaremos una diferencia en la posición aparente del dedo. Al tener visión binocular, porque tenemos dos ojos situados a cierta distancia, lo que observamos en uno y otro caso es ligeramente diferente. Esto depende de dos variables: la distancia entre los ojos y la distancia al dedo.
Si ahora extendemos el brazo y repetimos el procedimiento, notaremos que la diferencia en la posición aparente es menor. Esto supone entonces una relación inversamente proporcional: a mayor distancia, menor diferencia en la posición aparente. Si conocemos esa proporción, entonces al saber la diferencia en la posición aparente, podremos calcular la distancia. Así funciona la paralaje trigonométrica.

La posición angular exige pensar en ángulos que se pueden medir en grados, minutos, segundos. La misión Hipparcos, que cartografió el cielo, tenía una precisión de una milésima de segundos de arco. Más recientemente, la misión GAIA logró una precisión de una millonésima de segundos de arco.

Geometría de una observación XNAV

Lo que propone Bailer-Jones es tomar los datos del catálogo GAIA y que la nave, a través de dispositivos como sextantes, pueda medir la distancia entre estrellas y compararlas con las del catálogo. Tendría que haber una diferencia similar a la que hay al observar el dedo desde diferentes posiciones.

Ya en 2012 se había propuesto un sistema de navegación autónomo espacial, pero con una diferencia: usar púlsares a través de telescopios de rayos-X, sistema conocido como XNAV. La NASA tiene un proyecto específico al respecto llamado Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation (SEXTANT).

Esto no evita que las naves deban seguir teniendo antenas para enviar la información recolectada. Pero...

LA INTERNET ESPACIAL
El astrónomo italiano Claudio Maccone propuso hace algunos años un sistema para recibir señales de naves muy lejanas usando al Sol como lente gravitacional. Para tal efecto se usarían naves tipo FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), que serían naves con una antena para usar al Sol como lente. La distancia mínima para hacerlo sería de 550 UA (Unidades Astronómicas). Para comparación, las naves Voyager están a menos de 200 UA. Por otro lado, esta nave solo podría usarse de este modo para observar objetos que estén justo detrás del Sol. Adicionalmente, el resultado estaría distorsionado, como ocurre con las lentes gravitacionales.


Es interesante, sin embargo, que una buena cantidad de estas naves, alrededor de varias estrellas, podría generar un "internet" cósmico. 

La Estación Espacial Internacional y dos experimentos a bordo: XCOM y NICER.

NASA viene desarrollando también una banda ancha espacial, nuevamente usando rayos-X. A esa tecnología la llaman XCOM y se diseñó un experimento que se probó en la EEI.

EL MOTOR DE LAS CIENCIAS
En ambas propuestas, lo que las motoriza es la curiosidad. En el primer caso, se propone un sistema de información posicional autónomo y en el segundo, un sistema de transmisión de datos a grandes distancias. Sin embargo, lo que realmente se necesita en ambos casos son mejores motores.

Ambas ideas se podrían parangonar con algo ya conocido: el transporte autónomo para autos. Ya existen prototipos de autos a los que se indica un destino y calculan cuándo doblar y cómo llegar a la ubicación. Sin embargo, ese sistema de información posicional del auto sería inútil si el auto no tuviera motor.
La propuesta de Bailer-Jones no dice nada de ningún método de propulsión. Tampoco Maccone sabe cómo ubicar una nave a 550 UA en tiempos humanamente posibles.

Ambas ideas tienen dificultades técnicas que superar y la publicación de las iniciativas promueve la colaboración para lograr tal fin. Por otro lado, la propuesta de Bailer-Jones podría tener alguna aplicación a menor escala, dentro del Sistema Solar. 



De hecho, la tecnología XNAV y SEXTANT fue probada por NASA en la Estación Espacial Internacional en 2018 con éxito, aunque la posibilidad de usarla en naves espaciales requiere de mayor trabajo. En este sentido, aunque su aplicación no sea inmediata, sí hay razones suficientes como para pensar que estos sistemas de navegación autónomo se incorporarán a las naves espaciales en las próximas décadas. Aunque sería mucho más importante en vuelos interestelares, también se puede usar esta tecnología dentro del vecindario solar, como sistema de apoyo.

Adicionalmente, ambas ideas pueden ser muy fructíferas dentro de la ciencia-ficción. En cualquier caso, esto que hoy parece inútil, no es otra cosa que la construcción del futuro. Ni más ni menos.☉ 


Fuentes y enlaces relacionados
Measuring distances to stars via parallax

Lost in space? Relativistic interstellar navigation using an astrometric star catalogue
Coryn A.L. Bailer-Jones (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg)

Un astrónomo acaba de diseñar un sistema de navegación para viajes espaciales interestelares

Coryn Bailer-Jones

Gravitational Lenses Could Allow a Galaxy-Wide Internet

Galactic internet made possible by star gravitational lensing
Claudio Maccone

Dr. Claudio MACCONE, Ph. D.

NASA Will Soon Use GPS Technology to Navigate in Space

Deep Space GPS from Pulsars

Timing X-ray Pulsars with Application to Spacecraft Navigation
Mike Georg Bernhardt, Tobias Prinz, Werner Becker, Ulrich Walter

Johns Hopkins Applied Physics Laboratory to Apply Space Research Expertise to Develop Deep Space Navigation Network

Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation (SEXTANT)

NASA Team First to Demonstrate X-ray Navigation in Space

Media Material Relevant for Pulsar Navigation

ISS Utilization: NICER/SEXTANT (Neutron-star Interior Composition ExploreR / Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)



Sobre las imágenes
Imagen del cúmulo 0024+1654
GRAVITATIONAL LENS CAPTURES IMAGE OF PRIMEVAL GALAXY
Credit: W.N. Colley and E. Turner (Princeton University), J.A. Tyson (Bell Labs, Lucent Technologies) and NASA

Geometría de una observación XNAV: NASA, NICER/SEXTANT Team.

Esquema de lente FOCAL: Claudio Maccone.

Imagen inicial: NICER's Night Moves


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