¿Canales alternativos de transferencia de datos para sondas interestelares?

En primer lugar, para resolver el problema de la potencia del receptor, se trata simplemente de utilizar frecuencias más altas. La razón por la que esto funciona es que permite que un plato más pequeño tenga una alta ganancia, lo que permite un procesamiento de datos más eficiente. La razón principal por la que Mars Reconnaissance Orbiter puede procesar muchos más datos que sus predecesores es que utiliza la banda X, a 8 GHz. La tecnología permite velocidades de datos más altas desde las naves espaciales, desde los algoritmos, la frecuencia y la precisión de puntería, todo se ve mejor. MRO, si se coloca mágicamente donde están las sondas Voyager, tendría una capacidad de datos significativamente mayor que la que tienen las sondas Voyager. La clave tiene que ser usar más apuntamiento direccional para que el plato apunte directamente a la Tierra.

Vale la pena señalar que las frecuencias más altas continúan funcionando, y con frecuencia se propone que las misiones de larga distancia usen láseres o incluso frecuencias más altas, como rayos X o rayos gamma. Estos, por supuesto, requieren una puntería cada vez más precisa, pero teóricamente podrían hacerse.

Alternativamente, los pulsos podrían ser de corta duración y lograr un efecto similar. Esto funcionaría mejor para una baliza de fuente. Podríamos colocar una de estas balizas para que el satélite sepa dónde apuntar la antena, y debería poder encontrar una ubicación muy precisa. Ver Proyectos SETI Ópticos . Aún así, es un desafío, pero es uno que se está volviendo más solucionable cada día.

David G. Messerschmitt ha estado analizando este problema. Argumenta que "el consumo de energía debería tener prioridad en la comunicación interestelar, a diferencia de la mayoría de los sistemas terrestres que principalmente conservan el escaso espectro". Su análisis sugiere que "las señales de transmisión deberían tener un ancho de banda amplio y consistir en energía escasamente concentrada tanto en tiempo como en frecuencia".

Del resumen a "Eficiencia energética en la comunicación interestelar":

Un obstáculo importante para comunicarse con otras civilizaciones a distancias interestelares en longitudes de onda de radio es la falta de coordinación en el diseño del transmisor/receptor. Proponemos abordar esto mediante la optimización con respecto al consumo de recursos relevante a la luz de las degradaciones interestelares observables, que incluyen efectos de propagación interestelar (ruido, dispersión de plasma y dispersión) y efectos de movimiento. En la comunicación hay dos recursos principales, el requerimiento de energía del transmisor para la potencia radiada y el ancho de banda de la señal, y existe una compensación directa entre los dos.

En vista de las grandes distancias y la gran ventana de microondas disponible, argumentamos que el consumo de energía debería tener prioridad en la comunicación interestelar, a diferencia de la mayoría de los sistemas terrestres que principalmente conservan un espectro escaso. El límite fundamental en el consumo de energía para la comunicación interestelar es una llamada de atención de que los tipos de señales que actualmente se anticipan en las búsquedas SETI son ineficientes en múltiples órdenes de magnitud. Revisamos brevemente un conjunto de cinco principios de diseño de señales de transmisión que, en conjunto, pueden acercarse asintóticamente a ese límite fundamental. Estos principios nos enseñan que las señales de transmisión deben tener un ancho de banda amplio y consistir en energía escasamente concentrada tanto en tiempo como en frecuencia. Aunque las señales con estas características no serán descubiertas por las metodologías de búsqueda SETI actuales, revisamos el desafío del descubrimiento y discutimos cómo se pueden modificar las búsquedas actuales para buscar estas señales de conservación de energía. Se pueden buscar simultáneamente balizas sin información y señales portadoras de información.

De su artículo de 2013, " Diseño de sistema de comunicación interestelar de extremo a extremo para la eficiencia energética ":

Resumen
Se estudia la comunicación por radio a través de distancias interestelares, teniendo en cuenta el ruido, la dispersión, la dispersión y el movimiento. Las grandes potencias transmitidas sugieren maximizar la eficiencia energética (relación entre la tasa de información y la potencia media de la señal) en lugar de restringir el ancho de banda. El límite fundamental para una comunicación confiable está determinado y no se ve afectado por la frecuencia de la portadora, la dispersión, la dispersión o el movimiento. La eficiencia disponible está limitada únicamente por el ruido, y la tasa de información disponible está limitada por el ruido y la potencia media disponible. Un conjunto de cinco principios de diseño (dentro de nuestra propia capacidad tecnológica) puede acercarse asintóticamente al límite fundamental; ninguna otra civilización puede lograr mayor eficiencia. El ancho de banda se puede ampliar de manera que se evite invocar el deterioro por dispersión o dispersión. Las señales energéticamente eficientes resultantes tienen características muy diferentes de los objetivos actuales de SETI, con un ancho de banda amplio en relación con la tasa de información y una escasa distribución de energía tanto en tiempo como en frecuencia. Se estudian las balizas sin información que alcanzan la potencia media más baja compatible con un tiempo de observación del receptor determinado. No es necesario que tengan un ancho de banda amplio, pero distribuyen la energía más escasamente en el tiempo a medida que se reduce la potencia promedio. Se analiza el descubrimiento de balizas y señales portadoras de información, y se asemeja más a los enfoques que se han empleado en SETI óptico. No se necesita ningún procesamiento para tener en cuenta las degradaciones distintas del ruido. Se establece un compromiso estadístico directo entre un mayor número de observaciones y una menor potencia promedio (incluso debido a una menor tasa de información). Las “falsas alarmas” en las búsquedas actuales son firmas características de estas señales. Las búsquedas conjuntas de balizas y señales portadoras de información requieren modificaciones sencillas a los enfoques actuales de reconocimiento de patrones SETI.

También hay un video en YouTube de la presentación del Prof. Messerschmitt en el Starship Congress este verano:

Enviar una tarjeta de memoria (o cualquier otra cosa) a la Tierra agregaría una gran cantidad de peso a la sonda, debido al motor y todo el combustible que necesita para desacelerar la tarjeta de memoria a 0, luego acelerarla a una velocidad decente en el dirección de la Tierra. Además, necesitaría un escudo térmico, un transmisor de radio para poder encontrarlo una vez que regrese a la Tierra, lo que a su vez significa un sistema de energía, etc. etc. Esto haría que la misión fuera mucho más costosa. Por la misma razón, hemos tenido bastantes naves espaciales aterrizando en Marte pero ninguna misión de regreso todavía.

Puede valer la pena señalar que el envío físico de "tarjetas de memoria" (o en este caso, botes de película) ha sido realizado por los satélites espías KH-9 Hexagon recientemente desclasificados, cada uno de los cuales estaba equipado con 4 a 5 cápsulas de reentrada que fueron embalados con película para su recuperación. Estos satélites operaron en órbita terrestre baja durante solo unos pocos meses cada uno, por lo que los requisitos de complejidad del vehículo de retorno y Delta-V son significativamente más bajos que devolver una cápsula de una trayectoria de escape solar.

Además de los puntos planteados por Hobbes, también debería considerar:

• El diseño de la trayectoria de retorno de dicho vehículo.
• Los riesgos asociados con una devolución física: ¿recuerdan el accidente de Génesis ? Tanto Hexagon como Genesis planearon recuperaciones en el aire (utilizando un C-130 modificado y un helicóptero respectivamente) de cápsulas de reentrada. Un goteo de datos a largo plazo puede ser preferible a un retorno fragmentado y de alto riesgo de volúmenes mayores.
• Dado que las restricciones de masa ya son muy estrictas, parece poco probable que la masa se gaste en un sistema de retorno dado que cualquier misión de este tipo requeriría un transmisor/receptor capaz en cualquier caso.

Fuentes:

Wikipedia: Hexágono KH-9

Trabajando en las sombras: Phil Pressel y la cámara espía Hexagon

Mencionaste la Voyager. Este es en realidad un ejemplo de una estrategia alternativa de transferencia de datos. La Voyager fue construida para misiones de sobrevuelo: pasó zumbando por un planeta a alta velocidad, recopilando datos científicos a una velocidad mucho mayor de la que podría transmitir. Estos datos se almacenaron a bordo y se enviaron a la Tierra más tarde, durante el largo y aburrido viaje al siguiente planeta.
New Horizons hará lo mismo durante el sobrevuelo de Plutón. De hecho, no puede transmitir durante el sobrevuelo porque tiene que apuntar sus instrumentos científicos a Plutón, lo que aleja la antena de radio de la Tierra.

Las sondas interestelares podrían seguir una estrategia similar, aunque es difícil imaginar una sonda que tenga un transmisor de radio capaz de enviar señales a una distancia medida en años luz. El poder requerido aturde la mente.

1. La misión interestelar podría consistir en un convoy continuo de naves que forman una cadena de comunicación. Si las naves interestelares reciben energía emitida desde la Tierra, las naves en dicho convoy también podrían usarse para reenfocar ese rayo de energía a la próxima nave.

2. El foco gravitatorio del Sol podría usarse para captar las señales de radio. La ganancia sería estupenda. Probablemente nos gustaría hacerlo de todos modos para investigar telescópicamente el destino interestelar en detalle y medir la cantidad de polvo en el camino, antes de emprender cualquier viaje allí. El foco es una línea, no un punto, por lo que la nave espacial de comunicación de enfoque por radio nunca necesita desacelerar. Geométricamente, comienza a 550 AU del Sol, pero debido a la corona, uno podría tener que alejarse entre 700 y 1000 AU (en la dirección opuesta al destino) antes de que funcione de manera práctica. Eso está cerca en comparación con la estrella más cercana a 270.000 AU de distancia.