La fotónica proporciona tecnologías clave para la exploración de la Tierra

La luz es la clave para comprender el universo. Los procesos fotónicos permiten obtener información sobre galaxias lejanas, la composición de la atmósfera terrestre y los mecanismos del cambio climático. Facilitan la transferencia de datos de banda ancha a lo largo de millones de kilómetros, así como mediciones y posicionamientos precisos de satélites. Laser World of Photonics será el punto de encuentro de los principales actores del sector del 22 al 27 de junio de 2025.

El láser tenía menos de diez años cuando el módulo Eagle realizó el primer alunizaje tripulado el 20 de julio de 1969. Sin embargo, el módulo lunar de la misión Apolo 11 ya llevaba a bordo un reflector láser, que Buzz Aldrin colocó en la Luna para futuras mediciones del Lunar Laser Range (LLR). Hasta el día de hoy, este reflector, fabricado con un vidrio de cuarzo especial de Heraeus, ha resistido las fluctuaciones de temperatura y la intensa radiación lunar. Sus 100 prismas triples reflejan los haces de láser enviados desde la Tierra de vuelta a su punto de partida. El tiempo de tránsito de la luz permite determinar con precisión la distancia exacta entre la Tierra y la Luna. Actualmente, hay en funcionamiento cinco de estos reflectores, y una nueva generación está siendo instalada en misiones recientes. A largo plazo, estas series de mediciones generan datos esenciales sobre la deriva de la Luna respecto a la Tierra, la rotación del satélite terrestre y las fuerzas gravitacionales y de marea que actúan sobre él.

Hoy en día, los procesos con láser permiten obtener datos de posición de satélites y desechos espaciales con una precisión milimétrica, además de medir la topografía de planetas y lunas. Estos datos se recopilan en una red en crecimiento de estaciones terrestres y satélites, equipados con láseres cada vez más potentes y detectores más sensibles.

La transmisión inalámbrica de datos es también un campo de aplicación clave para el láser. El expositor de Laser optoSiC está proporcionando Fast Steering Mirrors (FSM) para la misión Psyche de la NASA, que recientemente transmitió señales láser a una distancia récord de 460 millones de kilómetros. Láseres de kilovatios en la Tierra enviaron las señales a la sonda espacial Psyche, que explorará un asteroide situado a 3.500 millones de kilómetros de la Tierra a partir de 2029. La fotónica proporciona los equipos necesarios para esta misión: una cámara multiespectral, un magnetómetro y un espectrómetro de rayos gamma y neutrones. Al mismo tiempo, la misión está probando la comunicación óptica en el espacio profundo (DSOC). Para las transmisiones de vídeo hacia la Tierra, las tasas de datos alcanzan varios megabits por segundo a pesar de la enorme distancia.

La Agencia Espacial Europea (ESA) también está trabajando en la comunicación óptica. Uno de sus objetivos es que los satélites de comunicación complementen las redes de fibra óptica en la Tierra y sirvan como alternativa en caso de fallos en los cables submarinos. El Laser Zentrum Hannover (LZH) está desarrollando un amplificador láser con 100 vatios de potencia óptica de salida para multiplexación por división de longitud de onda. Este amplificador refuerza diez longitudes de onda muy cercanas dentro de una fibra óptica, permitiendo diez canales de datos independientes y garantizando así las máximas tasas de transmisión. Empresas como Toptica Eagleyard suministran láseres y diodos láser para la comunicación óptica entre satélites y dentro de ellos. Los satélites intercambian información constantemente en el marco de la observación de la Tierra, la comunicación y la navegación. Al mismo tiempo, sus distintos subsistemas también están interconectados. Debido a las altas tasas de datos, la baja latencia y el reducido consumo de energía, la transmisión de datos basada en láser está ganando cada vez más demanda.

Los sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging) y los espectrómetros también tienen una base fotónica. Expositores como el LZH o los institutos Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF en Jena y de Tecnología Láser ILT en Aquisgrán los desarrollan continuamente. La misión ‘Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring’ de la ESA, que utilizará dos satélites a partir de 2026 para medir los niveles de CO₂ y metano en la atmósfera, es un claro ejemplo de lo que es posible. El Fraunhofer IOF ha desarrollado un conjunto óptico compuesto por dos prismas y una rejilla nanoestructurada que descompone la luz reflejada por la Tierra en su espectro de colores. El contenido de CO₂ puede leerse a partir de estos espectros con una precisión de menos de cien partículas de CO₂ por cada mil millones de moléculas. Así, los satélites podrán determinar con exactitud cuánto gas de efecto invernadero se está emitiendo en cada región y por qué fuentes (humanas). El Fraunhofer ILT participa en otra misión destinada a monitorear el metano mediante Lidar. El pequeño satélite Merlin enviará pulsos de luz a la atmósfera y determinará la concentración de gases de efecto invernadero a partir de la luz reflejada.

Numerosos expositores de Laser participan regularmente en misiones espaciales. Proveedores como Excelitas, Ametek Zygo, Ohara, POG Präzisionsoptik Gera y LaserOptik suministran ópticas robustas diseñadas para las exigentes condiciones ambientales del espacio y las órbitas terrestres bajas. Otros, como AEMtec, Diamond, Glenair o SEDI-ATI Fibres Optiques, proporcionan soluciones microelectrónicas y de fibra óptica certificadas para el espacio, así como conectores. Empresas especializadas como Acktar ofrecen recubrimientos ultranegros para la gestión pasiva del calor y la supresión de luz parásita, mientras que Cilas suministra filtros dicroicos y espejos que han llegado hasta Marte en los sofisticados instrumentos fotónicos del rover Perseverance. La diversidad de soluciones y proveedores demuestra que la exploración espacial es un esfuerzo colaborativo que requiere toda la experiencia fotónica disponible, desde el posicionamiento de fibra óptica de MPS Micro Precision Systems hasta peines de frecuencias astro y láseres de alta gama para relojes atómicos de Menlo Systems o Toptica Photonics.

Al observar las misiones lunares de 1969 a 1972, destaca otro expositor: Northrop Grumman, la empresa matriz de Synoptics, que recibió el encargo de construir todos los módulos lunares del programa Apolo como principal fabricante de satélites. La compañía también desempeñó un papel destacado en el desarrollo y construcción del telescopio espacial James Webb, que alcanzó su órbita a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en 2022. Desde entonces, ha ofrecido imágenes impresionantes sobre los orígenes del universo, con datos de hasta 13.000 millones de años luz de distancia. Sus espejos de alta precisión enfocan un amplio espectro de longitudes de onda del infrarrojo sobre detectores fotónicos avanzados, proporcionando imágenes fascinantes de galaxias lejanas, estrellas, exoplanetas y agujeros negros. Este logro es fruto del trabajo en equipo de casi 260 empresas, universidades e institutos de investigación de 14 países, incluyendo expositores de Laser como Coherent, Fraunhofer IOF, Physik Instrumente (PI) y Teledyne Technologies.