¿Podríamos usar un paradigma estrecho, digamos láser, para obtener información más rápido de New Horizons? (Con una base de luna.)

Absolutamente podría suceder, pero requeriría una indicación más precisa que la que tiene New Horizons. Los láseres de algún tipo son los mejores para la alta resolución de datos. La nave espacial que más utiliza láseres en la comunicación es el Lunar Reconnaissance Orbiter . También se ha hablado durante mucho tiempo como un objetivo para un satélite de comunicaciones de Marte, que permitiría recibir muchos más datos de Marte. El problema es que los requisitos para apuntar son bastante extremos, incluso tienes que saber a qué sitio de la Tierra vas a apuntar, el rayo láser no cubrirá todo el planeta Tierra desde Marte. Por ejemplo, MRO tiene un requisito de precisión de puntería de 0,0032 mrad. Los requisitos de puntería para un sistema láser son, de hecho, similares a este requisito, sin embargo, requieren estabilidad durante mucho más tiempo. HiRISE solo lo requiere durante unos pocos milisegundos, mientras que un sistema de comunicación láser lo requiere esencialmente de forma indefinida.

En el caso de New Horizons, simplemente no es necesario. Sí, tomará mucho tiempo recuperar los datos, pero eso no es un problema, hay mucho tiempo que esperar.

Como referencia, los sistemas de energía láser generalmente requieren menos energía que los sistemas basados ​​en radio, porque transmiten energía más directamente y, por lo tanto, desperdician menos energía.

Intentemos hacer algunos números. Tendremos que hacer algunas suposiciones. Voy a elegir aquellas que faciliten los cálculos, variar podría producir una variación de un factor de 10 o 100 en la respuesta.

1. Un láser IR cercano con una longitud de onda de$1 \mu m$
2. NH transmitiendo utilizando el telescopio LORRI con una apertura de unos 20cm. Sabemos que NH puede apuntar con suficiente precisión para mantener este telescopio en el objetivo.
3. Un detector en órbita terrestre (más fácil que en la Luna, creo) idéntico al JWST con un espejo de 6m.
4. Un objetivo de 10 fotones por bit golpeando el detector para estar razonablemente seguro de seleccionar la señal del ruido.

Así que ahora tenemos un ancho de haz de$1 \mu m/ 20cm = 5 \mu Rad$

A seis mil millones de km, este es un ancho de haz cerca de la Tierra de$30 000 km$.

Así que nuestro detector recoge$\left(6m/30000km\right)^2 = 4\times 10^{-14}$del haz

Así que necesitamos transmitir sobre$2.5 \times 10^{14}$fotones por bit.

A esta longitud de onda, un fotón tiene aproximadamente$2\times 10^{-19}$Julios de energía, por lo que debemos transmitir$5\times 10^{-5}$Julios por bit de luz láser.

Así que ahora tenemos una compensación de potencia contra velocidad de datos. Usando la misma potencia (12W) que el transmisor de radio actual, podríamos manejar alrededor$240 kb/s$asumiendo un láser perfectamente eficiente, probablemente del 10 al 50 % de eso en la práctica. Usando el 100% de la energía del RTG (190 W), podríamos obtener 3 Mb/s más o menos y así sucesivamente.

La respuesta de Steve Linton es excelente, aunque posiblemente un poco conservadora. La información se ha transmitido en el laboratorio a través de láser a una velocidad de 1 bit por fotón. Para los usos propuestos, los códigos de Detección y Corrección de Errores están definitivamente indicados.

¿Alguien ha propuesto, o de hecho (4) ya usamos, comunicaciones de estilo láser en el espacio?

Sí a las dos, aunque por poco. En 2013, la Demostración de Comunicación Láser Lunar operó con éxito en una misión LADEE. Los plazos de entrega para explotar la tecnología en las misiones del espacio profundo son muy largos, al menos una década, por lo que pasará un tiempo antes de que se lancen misiones reales que utilicen la tecnología. No obstante, los astrónomos están salivando ante la idea de imágenes de alta resolución y alta velocidad de fotogramas.

Esto está estrechamente relacionado con el concepto de ganancia de antena , que para la transmisión de radio mide qué tan estrecho es el haz que puede enfocar la antena. Cuanto más angosto sea el haz, con mayor precisión necesitarás apuntarlo.

Sin embargo, cualquier rayo láser o de radio seguirá siendo divergente: se extenderá a medida que se aleje. Y se extenderá a la misma velocidad, con el diámetro del haz duplicándose cada vez que se duplique la distancia. Esto lleva a que el área del haz aumente por el cuadrado de la distancia, lo que da la ley del cuadrado inverso .

Un haz más angosto solo mejora la potencia de la señal inicial; por ejemplo, un área de haz 10 veces más pequeña dará una potencia de transmisión 10 veces mayor. Cuando llegue al cinturón de Kuiper, la señal será solo 1/400 000 000 de la fuerza que tendría en la órbita lunar. Una mejora de haz angosto de 10x o incluso 100x palidece en comparación con eso.

O para decirlo de manera más simple: un haz angosto es más rápido, pero cuando llegas tan lejos, será lento de todos modos.

Si desea apuntar un láser exactamente a un punto en la Tierra, entonces necesitaría saber el momento transversal exacto de cada fotón. El principio de incertidumbre dice que para eso debes tener una incertidumbre infinita sobre su posición transversal, lo que significa que necesitas un transmisor infinitamente grande.

Como una estimación aproximada del orden de magnitud de la dispersión del haz, puede tomar (la distancia que recorre el haz)*(longitud de onda de la luz)/(ancho del transmisor). New Horizons está a 6*10^12 m de distancia y tiene unos 2 m de ancho. La luz visible tiene una longitud de onda de aproximadamente 5*10^-7. Entonces, un láser en el espectro de luz visible tiene un límite inferior de propagación de aproximadamente 3000 km. Por lo tanto, para responder a su segunda pregunta, incluso si pudiera construir un láser con una dispersión muy baja y apuntar a un punto en la tierra con precisión, violaría la física básica golpear un receptor exactamente, a menos que el receptor sea aproximadamente del mismo tamaño que la luna. , y para responder a su tercera pregunta, a medida que New Horizons se aleja, el tamaño aumentaría. Y cuanto más pequeña es la longitud de onda, más energía se necesita para crear cada fotón.

Entonces, la respuesta a su tercera pregunta es sí, incluso un láser requeriría