transmisiones extraterrestres (extraterrestrial relays)

7/25/2019 Transmisiones Extraterrestres (Extraterrestrial Relays)

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Transmisiones extraterrestresBogot D.C., 2016Centro de Estudios de CienciasAeronuticas CEA

Transmisiones ExtraterrestresArthurC. Clarke

[email protected]

Resumen

El presente documento es una traduccin del artculo publicado por Arthur C. Clarke en la re-

vistaWireless World, en el ao de 1945, bajo el titulo de Extra-Terrestrial Relays. En dicho

documento, Clarke expresaba su idea de poder comunicar a transmisores y receptores localizados en

cualquier parte del planeta empleando nicamente tres satlites ubicados en una rbita con caractersti-

cas especiales. Esta idea fue postulada 9 aos antes de la puesta en rbita del primer satlite lanzadopor el ser humano, elSputnik 1, lanzado por la Union Sovetica, y 15 aos del lanzamiento del primer

satlite geostacionario,Syncom, lanzado por los Estados Unidos.

Pueden estaciones espaciales proveer

un cubrimiento global?

Aaunque es posible, por medio de unaeleccin adecuada de frecuencias yrutas, proveer conexin telefnica en-tre dos puntos o regiones cualquiera duranteun largo periodo de tiempo, la comunicacina larga distancia es significativamente afec-tada por las particularidades de la ionsfera,

llegando a presentarse ocasiones en que esincluso imposible establecer la comunicacin.Un verdadero servicio de transmisin, queprovee potencia de campo constante en todomomento sobre el globo terrestre entero ten-dra un valor invaluable, por no decir indis-pensable, en una sociedad globalizada.La telefona y el telegrfo presentan unasituacin insatisfactoria, y mucho peor es lasituacin de la televisin, dado que la trans-misin ionosfrica no puede ser empleadapor completo. El rea de servicio de una

estacin de televisin, incluso en una muybuena ubicacin, es tan slo de cerca de unoscientos de kilmetros de alcance. Para cubrirun pequeo pas como Gran Bretaa se re-querira una red de tranmisores, conectadospor cables coaxiales, guas de onda o en-laces repetidores en VHF. Un estudio tericoreciente[1] a demostrado que tal sistema re-querira de repetidores en intervalos de hastaun mximo de 80 kilmetros. Un sistemade este tipo podra proveer cubrimiento de

televisin completo sobre la totalidad de unpas pequeo a un muy considerable costo.Estara fuera de concepcin pensar en unsistema similar para proveer cubrimiento aun gran continente, incluyendo nicamentea los principales centros de poblacin en lapretenciosa red.El problema es igualmente serio cuando sehace un intento para enlazar servicios detelevisin en diferentes partes del globo ter-

rqueo. Una cadena de retransmisores de var-ios miles de kilmetros de largo costara mil-lones, y aun as los servicios transocanicosseran imposibles. Consideraciones similaresaplican para proveer servicios de modulacion

de frecuencia de banda ancha y otros servi-cios, tales como el facsimile de alta velocidadel cual por su naturaleza propia se encuentrarestringido a ultra altas frecuencias (UHF).Muchos podrn considerar la solucin prop-uesta en esta discusin muy lejos de seralcanzada para ser tomada seriamente. Tal ac-

titud es irrazonable, ya que todo lo concebidoaqui es una extencin lgica de los desarrol-los de los ltimos diez aos -en particularla perfeccin del misil de largo alcance, delcual surgio el prototipo V2. Mientras que este

artculo era escrito, fue anunciado que losalemanes estaban considerando un proyectosimilar, el cual ellos crean posible en unos 50

o 100 aos.Antes de proceder ms lejos, es necesario

https://es.wikipedia.org/wiki/Arthur_C._Clarke

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discutir cortamente algunos leyes fundamen-tales de la propulsin de los cohetes y la"astronutica". Un cohete el cual alcance una

suficiente alta velocidad en un vuelo hacia elespacio exterior dejando la atmsfera de latierra no regresar jams. Esta velocidad "or-bital" es 8 km/s, y un cohete que consiguieradicha velocidad se convertira en un satliteartificial, orbitando el planeta para siempresin ningn tipo de energa -una segunda luna,

de hecho.El cohete alemn transatlntico AIO habraalcanzado ms de la mitad de esta velocidad.Ser posible en unos aos ms construir co-hetes radio controlados los cuales puedan ser

dirigidos hacia tales rbitas ms all de loslmites de la atmsfera y permitir la trans-misin de informacin cientfica de vuelta ala tierra. Un poco despus, cohetes tripulados

sern capaces de realizar vuelos similares con

el suficiente exceso de energa para salir de la

rbita y volver de nuevo al planeta tierra.Hay un nmero infinito de posibles rbitasestables, circulares y elpticas, en las cuales

un cohete permanecera si las condicionesinciales fueran las correctas. La velocidad delos 8km/s aplica solo a la posible rbita mscercana, una que se sita justo a la salida dela atmsfera, y el periodo de revolucin serade 90 minutos. A medida que el radio de larbita se incrementa la velocidad disminuye,debido a que la gravedad va disminuyendoy menos fuerza centrfuga es necesaria paralograr el balance. La figura 1 muestra loanteriormente dicho grficamente. La luna,por supuesto, es una caso particular y se

observaria en la figura si se extrapola (la lunase encuentra a 384405 km del centro de latierra). La estaciones espaciales alemanaspropuestas tendran un periodo de alrededorcuatro horas y media.

Figure 1: Variacin del periodo y velocidad orbital con respecto a la distancia desde el centro de la tierra

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Ser observado que una rbita, con unradio de 42000 km, tiene un periodo de 24horas. Un cuerpo en tal rbita, si su plano

coincide con aquel del ecuador terrestre, or-bitara junto con la tierra y por ende estaraestacionario sobre el mismo punto sobre latierra. Permanecera fijo en el cielo de unhemisferio completo y a diferencia de todoslos otros cuerpos celestes nunca se saldrani se pondra (como el sol o la luna). Uncuerpo en una rbita ms pequea orbitarade manera ms rpida que la tierra de talforma que saldra por el occidente, como dehecho pasa con la luna ms interna de marte.Usando material transportado por cohetes,

sera posible construir una "estacin espacial"en dicha rbita. La estacin podra estarprovista con cuartos habitables, laboratoriosy todo lo necesario para el comfort de sutripulacin, la cual podra ser remplazaday aprovisionada por un cohete de servicioregular. Este proyecto podra ser llevado acabo por propsitos puramente cientficosya que contribuira de manera significativaa nuestro conocimiento sobre la astronoma,la fsica y la meteorologa. Una muy buenaliteratura sobre el tema ha sido escrita sobre

el tema[2].Aunque llevar todo esto a cabo parezca fants-

tico, requiere para su cumplimiento cohetesel doble de veloces que los que ya estanen proceso de diseo. Ya que las tensionespor gravedad involucradas en la estructurason despreciables, se podran emplear nica-mente los materiales ms ligeros y la estacin

podra ser tan grande como sea requerido.Supongamos que tal estacin fuese constru-ida en dicha rbita. Puede ser provista concon equipos de transmisin y recepcin (el

problema de la potencia ser discutido mstarde) y pudiese actuar como un repetidorpara realizar transmisiones entre cualquierados puntos en el hemisferio en que se encuen-

tre la estacin, usando cualquier frecuenciaque pentre la ionosfra. Si arreglos directivosfueran usados, es decir antenas, la potenciarequerida sera muy pequea, tal como la us-ada en el caso de transmisiones directas porlnea vista. An queda el punto el importante

punto que las antenas en la tierra, una vezconfiguradas, permanecera fijas indefinida-

mente.Ms an, una transmisin recibida decualquier punto en el hemisferio puede ser

transmitida a la totalidad de la cara visibledel globo, y entonces los requerimentos detodos los posibles servicios seran cumplidos.Figura 2.

Figure 2: Servicio de transmisin extraterrestre tpico.

Transisiones desde A siendo retransmitidas

hasta B y el rea C. Transmisiones desde D

siendo retransmitidas hacia todo el hemisfe-rio.

Puede ser discutido el hecho de que hastael momento no hay evidencia directa de lasondas de radio pasando a travs de la atms-fera desde la tierra hasta el espacio exterior;todo lo que podemos decir con certeza esque las longitudes de onda ms cortas noson reflejadas de vuelta a la tierra. Evidenciadirecta de la potencia del campo sobre laatmsfera terrestre puede ser obtenida atravs de los cohetes V2, y se espera que

alguien haga algo al respecto pronto dadoque debe haber algo all!. Alternativamente,dada la potencia de transmisin suficiente,podramos obtener la evidencia necesariapor medio de la exploracin empleandoecos provenientes de la luna. Mientras tanto,tenemos evidencia visual que frecuencias alfinal de la banda ptica (visible) del espectropasa a travs con muy poca absorcin(exceptuando frecuencias especificas a lascuales efectos de resonancia pueden ocurrir).Frecuencias altas-medias van a travs de lacapa E dos veces para ser reflejadas en la

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capa F y ecos han sido recibidos por parte demeteoros en la propia capa F o por encimade ella. Parece verdad que ciertas frecuencias

desde, digamos, 50 Mc/s hasta 100000 Mc/spueden ser usadas sin la presencia de unaexcesiva absorcin en la atmsfera o laionsfera.Una sla estacin podra proveer cubrimiento

a la mitad del globo, y para un servicio global

tres estaciones seran necesarias, aunquemas estaciones podran ser fcilmenteutilizables. La figura 3 muestra el arreglo oconfiguracin ms simple. Las estacionesestaran configuradas aprximadamente auna distancia equidistante alrededor de la

tierra, para lo cual las siguientes longitudesparecen ser las ms apropiadas:

30 E - frica y Europa

150 E - China y Oceana

90 W - Las mericas.

Las estaciones en la cadena estaran en-lazadas por rayos pticos (lser) o ondas deradiofrecuencia, de manera que cualquiersercicio de transmisin que se pueda concevir

podra ser proveido.Los problemas tcnicos involucrados en eldesarrollo de tales estaciones son extremada-mente interesantes [3], pero slo unos pocossern expuestos aqu. Las bateras de losreflectores parablicos seran proveidos, y suapertura dependera del tipo de frecuenciautilizada. Asumiendo el empleo de ondasde 3000 Mc/s, reflectores de un metro dedametro de largo emitiran casi toda la po-tencia hacia la tierra. Reflectores ms grandes

pueden ser usados para iluminar un pascompleto o regiones para aquellos serviciosque sean ms restrictivos, con un subsecuente

ahorro de energa. En las frecuencias msaltas no es dificl producir rayos con menos

de un grado en espesor, y, como se mencionanteriormente, no habra limitaciones fsicasen el tamao de los reflectores. (Desde la

estacin espacial, el disco de la tierra sera unpoco ms grande de los 17 grados de largo).Los mismos reflectores pueden ser usados enmuchas transmisiones diferentes teniendo encuenta de tenerlas precauciones para evitarla interferencia o cruce de modulaciones.Es claro desde la naturaleza del sistemaque la potencia que el sistema necesita sermucho menos que la requerida por cualquierotro tipo de arreglo, dado que toda la energa

radiada puede ser uniformemente distribuida

sobre el rea de servicio, sin que nada sea

desperdiciado. Un aprximado del valorde la potencia requerida para el servicio detransmisin de una sola estacin puede sercomo sigue:La fuerza de campo en el plano ecuatorial deun dipolo de /2 en el espacio libre a unadistancia ded metros es[4]:

e = 6.85

P

d voltios/metro (1)

Donde P es la potencia radiada en watts

(vatios).Tomando d como 42000km (efectivamenteser menos), tenemos P = 37.6e2, (e estarahora enV/metro).Si asumimos e como50 microvoltios por metro, lo cual es elestndard F.C.C. (Federal CommunicationsCommission) para modulacin de frecuencia,P ser 94 kW. sta la potencia requeridapara un dipolo simple, y no un arregloel cual concentrar toda la potencia en latierra. Tal arreglo tendr un una gananciasobre un dipolo simple de cerca de 80. Lapotencia requerida para el servicio de tranb-smisin entonces ser de de alrededor 1.2 kW.

Aunque parezca ridculamente pequeaesta cifra, quiz sea demasiada generosa. Pe-queos reflectores o antenas parbolas dealrededor un metro de seran empleadas para

recibir en el segmento tierra, con una muybuena realcin seal/ruido. Habra tambin

muy poca interferencia, en parte debido ala frecuencia utilizada y en parte debido aque las antenas estaran apuntando hacia elcielo el cual no contiene ninguna otra fuentede seal. Una fuerza de campo de 10 mi-crovoltios/metro seran bastante holgados, y

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Figure 3: Tres estaciones satelitales aseguraran un cubrimiento completo del globo

esto slo requiere una salida en el transmisorde solo 50 watts.

Cuando se recuerda que estos valores serelacionan con el servicio de transmisin, la

eficiencia del sistema ser comprendida. Lastransmisiones punto a punto por medio deondas podran necesitar potencias de alrede-dor slo 10 watts. Estos valores, por supuesto,

necesitaran correccin para las absorcionespor parte de la ionsfera y la atmsfera, peroestas correcciones seran muy pequeas sobre

la gran parte de la banda. La pequea caidade la fuerza de campo en el borde de cubrim-iento del rea de servicio puede ser corregida

por un transmisor no uniforme.La eficiencia del sistema es impresionante-

mente relevada cuando consideramos que elservicio de televisin de Londres requiere dealrededor 3 kW de potencia promedio paraun rea de un radio de menos de 50 millas(80.5 km).[5]Un segundo problema fundamental es la pro-visin de energa elctrica para hacer fun-cionar el gran nmero de transmisores re-queridos para los diferentes servicios. En elespacio, ms all de la atmsfera, un metrocuadrado que se encuentre normal al sen-tido de radiacin solar intercepta 1.35 kWde energa [6]. Motores elctricos han sido

conceptualizados para ser puestos en fun-cionamiento en aplicaciones terrestres, siendo

una propuesta econmica en paises tropicales.

Ellos emplean reflectores para concentrar laluz del sol en una caldera de un motor devapor de baja presin. Aunque esta configu-racin no es muy eficiente, si podra serlo enel espacio donde los componentes operativosestan en el vacio, la radiacin es intensa ycontinua, y el fin o terminacin a baja tem-peratura del ciclo podra no estar lejos delcero absoluto. Los desarrollos en los campostermoelctricos y fotoelctricos podran hacerposible utilizar la energa solar de manerams directa.Aunque no hay lmite para el tamao delos reflectores que pueden ser construidos,

uno de cincuenta metros de radio podrainterceptar cerca de 10000 kW y por lomenos un cuarto de esta energa debera estar

disponible para ser usada.La estacin estara en continua iluminacindel sol excepto por algunas semanas alrede-dor de los equinoccios, cuando entrara a lasombra de la tierra por algunos minutos to-dos los das. La figura 4 muestra lo dichodurante los periodos de eclipse. Para este cl-culo, es vlido considerar la tierra como fijay el sol en movimiento alrededor de ella. La

estacin podra raspar la sombra de la tierra

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en A, en el ltimo da de febrero. Cada da,debido a su revolucin diurna, se adentrarams en la sombra, experimentando su peri-

odo de mximo eclipse en el 21 de Marzo,da en el que estara en oscuridad slo poruna hora y 9 minutos. Desde entonces enadelante el periodo de eclipse se reducira,y despus del 11 de abril (B) la estacin es-tara en continua exposicin solar de nuevo

hasta que el mismo acontecimiento tenga lu-gar seis meses despus en el equinoccio deotoo, entre septiembre 12 y octubre 14. El

periodo total de oscuridad sera de alrede-dor dos das por ao, y ya que el periodoms largo de eclipse sera un poco mas queuna hora, no habra difcultad en almacenarsuficiente energa para proveer un servicioininterrumpido.

Figure 4: Radiacin solar sera cortada por un corto periodo durante cada da en los equinoccios

Conclusiones

Resumiendo brvemente, las ventajas de laestacin espacial son las siguientes:

1. Es la nica forma en que cubrimientoglobal puede ser logrado para todos los

tipos de servicio.

2. Permite un uso sin restricciones de unabanda de al menos un ancho de 100000

Mc/s, y con el uso de radio ondas al

menos un nmero ilimitado de canalesestaran disponibles.

3. Los requerimientos de energa son ex-tremadamente pequeos, dado que laeficiencia de "iluminacin" ser de almenos 100%. Ms an, el costo de staenerga ser muy bajo.

4. Sin importar qu tan grandes seanlos gastos iniciales, esto slo repre-

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sentara una fraccin de aquella inver-sin requerida para las redes mundi-ales remplazadas, y los costos de op-

eracin seran incomparablemente mspequeos.

ApndiceDiseo de CohetesEl desarrollo de cohetes lo suficientementepotentes para alcanzar velocidades de "r-bita" e incluso de "escape" es ahora tan slouna cuestin de aos. Los siguientes valorespueden ser de interes en este tema.El cohete tiene que adquirir una velocidadfinal de 8 km/s, permitiendo 2 km/s paracorrecciones de navegacin y prdidas porresistencia del aire, resultando una velocidadtotal necesaria de 10 km/s. La ecuacin fun-damental del movimiento del cohete es[2]:

V= vlogeR (2)

DondeVes la velocidad final del cohete, v esla velocidad de escape yR es la relacin entrela masa inicial y la masa final (carga pagams la estructura). Hasta donde hemos lle-gado, v ha sido de alrededor 2-2.5 km/s paracohetes de combustible lquido, pero nuevosdiseos y combustibles permitirn alcanzar

valores considerablemente ms altos. (Com-bustibles de Oxgeno-Hidrgeno tienen unavelocidad terica de escape de 5.2 km/s y ex-isten combinaciones an ms poderopsas). Siasumimos vcomo 3.3 km/s, R ser de 20 a1.Sin embargo, debido a su aceleracin finita,el cohete pierde velocidad como resultadodel retardo gravitacional. Si esta aceleracin(asumida constante) es m/s2, entonces larelacin necesariaRoes aumentada a:

Ro = R+g

(3)

Para un cohete controlado automtica-mente sera de alrededor 5gy por tanto laRnecesaria sera de 31 a 1. Tales relaciones no

pueden llevarse a cabo con un cohete simple,pero pueden ser desarrollados "cohetes poretapas"[2], mientras relaciones ms grandes

(hasta 1000 hasta 1) pueden ser logrados porel principio de "construccin celular".[3]

Eplogo

La llegada de la energa atmica trae de ungolpe los viajes espaciales a un avance de casi

medio siglo. Parece poco probable que teng-amos que esperar tanto como 20 aos antesde que los cohetes con potencia atmica seandesarrollados, y tales cohetes podrn alcanzar

incluso planetas distantes con una fntasticapequea relacin combustible/masa -slo un

poco por ciento. Las ecuaciones desarrolladasen el apndice an se conservan, perov serincrementado por un factor de alrededor demil.En vista de estos hechos, parece difcil quemerezca emplear mucho esfuerzo en construir

de cadenas de larga distancia. Incluso las re-des locales que estarn pronto en construc-cin podran tener un ciclo de vida de slo20-30 aos.

References

[1] "Radio-Relay Systems" C.W. Hansell. Proc.I.R.E., Vol 33. March 1945.

[2] "Rockets" Willy Ley. (Viking Press, N.Y.)

[3] "Das Problem der Befahrung des Wel-traums" Hermann Noorgung.

[4] "Frecuency Modulation" A. Hund. (Mc-Graw Hill).

[5] "London Television Service" MacNamara

and Birkinshaw. J.I.E.E., Dec., 1938.

[6] "The Sun" C.G. Abbot. (Appleton-CenturyCo.)

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