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SKA necesita que los operadores de las megaconstelaciones de satélites tomen medidas para minimizar el impacto en sus telescopios

Impresión artística del telescopio de frecuencia media que se situará en Sudáfrica

Recreación artística del telescopio de frecuencia media que se situará en Sudáfrica (Créditos: Organización SKA)

La Organización SKA (SKAO) – que lidera la construcción del proyecto internacional del Square Kilometre Array (SKA) – ha realizado un análisis preliminar del impacto potencial de las actuales megaconstelaciones de satélites en sus telescopios. El análisis cuantifica este impacto e identifica las posibles formas de mitigarlo. El proyecto SKA es una colaboración intergubernamental entre 15 países que involucra a miles de científicos e ingenieros para construir y operar el mayor radio- observatorio del mundo, con dos telescopios ubicados en Australia y Sudáfrica.

El estudio se enfoca en el impacto del despliegue de los principales sistemas espaciales actualmente planificados, un total de 6.400 satélites, en el telescopio SKA-Mid que pronto se construirá en Sudáfrica, el cual consistirá en un conjunto de 197 antenas parabólicas 1.

El telescopio de baja frecuencia del Observatorio del SKA en Australia Occidental, que usa antenas con una tecnología diferente y va a operar a frecuencias más bajas, no es el objeto del análisis del cual informamos aquí.

Puntos clave y conclusiones (basadas en el despliegue de 6.400 satélites)
  • Los satélites de los diversos proyectos de  constelaciones  emitirán señales en el rango de frecuencias cubierto por los receptores de la banda 5b del telescopio SKA-Mid en Sudáfrica (una de las siete bandas planeadas para el telescopio).
  • Sin medidas de mitigación específicas por parte de los operadores de las constelaciones, es probable que haya un impacto en todas las observaciones astronómicas en la banda 5b.
  • Este impacto incluye una perdida de sensibilidad en el rango de frecuencias usadas por las constelaciones, lo que conllevaría que las observaciones astronómicas en dicho rango requieran un 70% más de tiempo.
  • El impacto en la ciencia es más significativo para estudios de líneas espectrales atómicas y moleculares en ese rango, incluyendo moléculas orgánicas complejas, máseres de metanol de clase II, y una amplia gama de líneas moleculares extragalácticas.
  • Las técnicas de mitigación viables identificadas por la SKAO, si son implementadas por los correspondientes operadores de satélites, pueden reducir  en un factor 10 el impacto en el SKA-Mid.
  • La SKAO sigue comprometida a minimizar la pérdida de descubrimientos científicos mediante todas las vías disponibles, y seguirá trabajando estrechamente con la industria en formas de minimizar los daños causados por las transmisiones de mega-constelación, esperando una respuesta positiva a estas soluciones propuestas.
  • Para constelaciones significativamente más grandes, de hasta 100.000 satélites, el efecto en SKA sería mucho peor, amenazando potencialmente a la viabilidad del 100% del tiempo de observación en la banda 5b, a menos que se pongan en marcha medidas de mitigación estrictas.

Uso del espectro de radiofrecuencias

Debido a su exquisita sensibilidad, los dos telescopios del Observatorio del SKA se construirán en lugares remotos, lejos de las interferencias de radiofrecuencia artificiales. Estos lugares gozan de protecciones legales, declaradas como Zonas de Silencio en Radio (Radio Quiet Zones, RQZ) nacionales, que los protegen de las señales de radio generadas en tierra, como teléfonos móviles, transmisores de radiodifusión o Wi-Fi, por citar algunos ejemplos. Sin embargo, el estatus de RQZ no ofrece ninguna protección frente a interferencias de transmisores espaciales.

Las transmisiones de radio de las constelaciones de satélites utilizan una gama de frecuencias que ha sido utilizada por la industria de los satélites durante muchos años. Se encuentra dentro del rango de frecuencia observado por los receptores de la banda 5b del SKA-Mid, y es inmediatamente adyacente a una banda de radioastronomía protegida internacionalmente2. Sin embargo, la radioastronomía ha podido realizar observaciones en todas estas gamas de frecuencias debido al pequeño número de satélites (visibles) y su posición fija en el cielo (la mayoría de ellos en órbita geoestacionaria). El despliegue de miles de satélites en órbita terrestre baja cambiará inevitablemente la situación, ya que los astrónomos se enfrentan ahora a un número mucho mayor de fuentes de radio moviéndose rápidamente por el cielo 3.

Rango de frecuencias de SKA y de los satélites

Cobertura en frecuencia de los telescopios del Observatorio del SKA con una ampliación de la banda 5B del SKA-Mid, la banda de radioastronomía protegida, y la conexión con satélites

Impacto en SKA

Elon Musk, el Director Ejecutivo de SpaceX (que está actualmente desplegando la megaconstelación Starlink), recientemente declaró que:

“… Starlink no será visto por nadie a menos que se mire con mucho cuidado y tendrá ~0% de impacto en los avances de la astronomía.”

El estudio de la SKAO muestra que, en el caso de los radiotelescopios en general y del SKA en particular, no es así y que se necesitarán medidas de mitigación específicas para reducir al mínimo este impacto.

El análisis de la SKAO se centró en tres cuestiones:

  1. Daños físicos: el estudio descartó posibles daños físicos en los receptores de la banda 5b provocados por la incidencia directa de las intensas señales de radio de los satélites en las antenas.
  2. Saturación de los instrumentos: Las interferencias muy fuertes pueden saturar los sistemas receptores y, por lo tanto, enmascarar las demás señales observables con los receptores de la banda 5b. Por consiguiente, todos los datos en esa banda de frecuencia se perderían, haciendo que estos receptores sean inútiles durante parte del tiempo. Para la primera fase de despliegue de las constelaciones (unos 6.400 satélites en total), se prevé que la saturación se producirá durante un pequeño porcentaje del tiempo, suponiendo que la señal de los satélites no incida directamente en las antenas. En el caso de constelaciones de tamaño significativamente mayor (hasta más de 100.000 satélites), la saturación, sin medidas de mitigación por parte de los operadores de satélites, sería prácticamente continua.
  3. Impacto científico: el estudio demostró que incluso con los tamaños más pequeños de las constelaciones actuales (de 6.400 satélites), es probable que, a menos de que se apliquen medidas de mitigación, haya una pérdida continua de sensibilidad que afecte a todas las observaciones astronómicas en la banda 5b dentro del rango de frecuencias de las transmisiones de los satélites. El impacto en la ciencia será más significativo para los estudios de las líneas espectrales moleculares y atómicas en ese rango. Esto incluye estudios de moléculas orgánicas complejas; máseres de metanol de Clase II; y una amplia gama de líneas moleculares extragalácticas.

“Hay un enorme interés científico y público en identificar los orígenes de la vida más allá de la que se encuentra en la Tierra y uno de los métodos más prometedores para rastrearla en otras partes de nuestra Galaxia es la detección de moléculas prebióticas complejas, cuyas firmas espectrales se concentran entre unos 10 y 15 GHz”, indica el Dr. Robert Braun, Director Científico del SKA. “Este es sólo uno de los muchos y emocionantes objetivos científicos que dependen de la sensibilidad en este rango de frecuencia, y la perspectiva de perderla es extremadamente preocupante.”

Un impacto directo de la perdida de sensibilidad será un aumento,  en el rango de transmisión del satélite, del 70% en el tiempo de integración requerido por los astrónomos para estudiar un objeto. Por lo tanto, sólo se podrá realizar aproximadamente la mitad de las observaciones.

“Una pérdida de eficiencia en la observación, añadida a la sobredemanda de tiempo de obervación que se espera que tenga el telescopio, se traducirá directamente en una pérdida científica y es muy posible que aquellos experimentos más desafiantes que podrían haberse realizado se conviertan en inviables en estas circunstancias”, confirma el Dr. Braun.

Posibles medidas de atenuación

Para garantizar que el impacto de las constelaciones de satélites actuales y previstas se reduzca al mínimo, el telescopio Observatorio del SKA en Sudáfrica debe ser protegido activamente reduciendo la potencia de las transmisiones de los satélites que se detecten en su ubicación. La SKAO cree que, dependiendo de la tecnología de las comunicaciones de los satélites, hay diferentes técnicas de mitigación que pueden hacerlo posible.

Una de estas técnicas de mitigación consiste en que los transmisores de los satélites no apunten sus haces cerca de las antenas del Observatorio del SKA. Se pediría a los operadores que dirijan los haces de sus satélites lejos del emplazamiento del telescopio, medida que solo requeriría una simple modificación del software, sin conllevar una repercusión en el despliegue, el posicionamiento o el equipamiento de la constelación. Si bien una implementación rentable de esta solución depende del equipo y los programas informáticos desplegados en los satélites, los operadores ya utilizan esta técnica, por ejemplo, para cumplir las normas internacionales cuando sus satélites se cruzan en la trayectoria entre los satélites geoestacionarios en una órbita más alta y sus estaciones de recepción  terrestres, por ejemplo para no afectar a las telecomunicaciones y las transmisiones de televisión.

Esta mitigación podría reducir el impacto en el SKA en un factor 10 con respecto a lo comentado anteriormente y resultaría en un aumento del 7% del tiempo de integración para observaciones realizadas dentro del rango de transmisión de los satélites4. Si bien sería  lamentable cualquier pérdida de sensibilidad, la SKAO reconoce la necesidad de llegar a un compromiso entre los intereses científicos y comerciales.

Mapa de zona de protección de emisiones de radiofrecuencias alrededor de las instalaciones de SKA en Sudáfrica

La Zona de Aprovechamiento Astronómico de Karoo en Sudáfrica se estableció como parte de la Ley de Aprovechamiento Geográfico para la Astronomía de 2007. Consistente en un área poligonal de ~500km x 300km de extensión, esta zona de silencio radio protege el emplazamiento sudafricano del telescopio SKA-Mid (puntos verdes en la imagen de la izquierda).

Cabe señalar que el interés comercial para que los operadores orienten sus satélites hacia el emplazamiento sudafricano de SKA es ya muy limitado, dado que la Ley Nacional de Aprovechamiento Geográfico para la Astronomía del parlamento sudafricano limita la concesión de licencias y el despliegue de la infraestructura terrestre necesaria para operadores de satélites a aquellos que presten servicios a los usuarios de la zona que rodea el emplazamiento sudafricano del SKA.

“Gracias a nuestro trabajo de modelado, ahora se comprende el impacto potencial de las mega-constelaciones de satélites en el SKA”, dice el Profesor Philip Diamond, Director General del SKA. “Estamos construyendo una instalación de investigación de vanguardia de varios miles de millones de euros financiada por los contribuyentes de todo el mundo, y necesitamos proteger y maximizar su capacidad para aportar innovación y nuevos conocimientos a la humanidad”.

El profesor Diamond añade: “En un esfuerzo por ser constructivos y ofrecer soluciones a la industria, también hemos identificado opciones de mitigación viables y las hemos modelado. Me tranquilizan las declaraciones públicas de Elon Musk asegurando que no habrá impacto en la astronomía y celebro el compromiso constructivo que hasta ahora hemos tenido con la industria. Esperamos con interés el compromiso proactivo de los operadores de satélites con las soluciones que proponemos para salvaguardar las inversiones de los contribuyentes de los Estados miembros de SKA en el proyecto”.

España, es uno de los países miembro de la Organización del SKA. Lourdes Verdes-Montenegro, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía, que coordina la participación española en el proyecto SKA desde hace 10 años comenta que “es impresionante el trabajo realizado por el equipo de SKA, analizando en profundidad el impacto de estas constelaciones de satélites en las observaciones de la que será la mayor infraestructura científica sobre la tierra. Han ido más allá de identificar el problema, proponiendo soluciones, incluso sacrificando parte de la eficiencia del radiotelescopio. Hoy, más que nunca, debemos ser conscientes del papel fundamental que la ciencia juega en nuestras vidas, protegerla y promoverla. “

La publicación de esta nota de prensa, coincide con dos eventos en nuestro país. Por un lado el encuentro “Cielos Oscuros y Silenciosos para la Ciencia y la Sociedad”, organizado por El Instituto de Astrofísica de Canarias, la ONU y la Unión Astronómica Internacional, reúne a astrónomos que trabajan en el rango de luz visible y en radiofrecuencias con biólogos y expertos en protección de cielo. Asimismo se celebra el Curso: “El Cielo como Recurso Científico, Cultural, Medioambiental y Turístico” que organiza la Oficina de Calidad del Cielo del Instituto de Astrofísica de Andalucía y la Universidad Internacional de Andalucía. José Manuel Vílchez y Alicia Pelegrina, miembros de la Oficina y directores de este curso coinciden en afirmar que “las constelaciones de satélites son una nueva amenaza para la calidad de nuestros cielos y de las observaciones astronómicas y habrá que trabajar en una nueva línea que defina soluciones prácticas para proteger a las infraestructuras observacionales terrestres de ésta, como planteamos en el curso”.

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Notas

1 Existe un posible impacto en el telescopio del Observatorio del SKA en Australia, que funciona en la gama de frecuencias de 50-350 MHz, debido a que las señales transmitidas desde el suelo rebotan en los satélites y son detectadas por las antenas del Observatorio del SKA . Está previsto realizar una evaluación completa del impacto de esta interferencia.

2  La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), organismo de las Naciones Unidas, mediante su sector de radiocomunicaciones regula el uso internacional del espectro radioeléctrico y las órbitas de los satélites. La radioastronomía fue reconocida oficialmente por primera vez como un servicio de radiocomunicaciones en 1959, cuando se acordó proteger una serie de bandas estrechas para las observaciones radioastronómicas. Los fabricantes de satélites están obligados por los acuerdos internacionales concertados en el marco de la UIT, que garantizan que las bandas protegidas de la radioastronomía, incluida la de 10.6-10.7 GHz, no se vean afectadas por sus transmisiones si se ejerce un control estricto sobre el desbordamiento de una banda a otra, lo que constituye un problema permanente con otros operadores de satélites.
Sin embargo, el campo de la radioastronomía se ha desarrollado enormemente desde entonces y los nuevos conocimientos científicos han obligado a los radioastrónomos a ampliar sus observaciones más allá de las bandas tradicionalmente protegidas. Por lo tanto, la mayor parte de la banda 5b del SKA – y de hecho de todas las bandas del SKA – no está protegida por los reglamentos de la UIT. La legislación vigente para proteger los emplazamientos sólo es aplicable a los emisores terrestres, mientras que las radiocomunicaciones aerotransportadas y espaciales entran en el ámbito de la UIT y no están sujetas a restricciones similares.

3 Solicitudes recientes a la Comisión Federal de Comunicaciones de EE.UU. (Federal Communications Commision, FCC) han revelado los planes de los operadores para aumentar el tamaño de estas mega constelaciones a decenas de miles de satélites. Este dramático incremento significaría que, si no se mitiga, el efecto de estas constelaciones en el SKA sería mucho peor de lo que se predijo anteriormente, amenazando potencialmente la viabilidad de toda la banda 5b durante el 100% del tiempo. Esto requeriría más medidas y una mitigación más estricta para proteger al SKA. Las solicitudes ante la FCC permiten a los operadores dar servicio al mercado de los EE.UU. y es un punto útil para recopilar información sobre las intenciones de la industria respecto a las constelaciones de satélites. Los reguladores de telecomunicaciones de los países de origen de los principales proponentes, actualmente el Reino Unido, Canadá, Francia, Países Bajos, Noruega, Luxemburgo, Liechtenstein y China, también tendrán que desempeñar un papel en la promoción de dicha mitigación.

4 Además de identificar esta solución de mitigación, la SKAO ha ido más allá y ha modelado esta solución para una constelación que dé servicios a los núcleos de población que rodean el emplazamiento del Observatorio del SKA  en Sudáfrica. La SKAO determinó que los haces del satélite tendrían que ser dirigidos a una distancia mínima de 20 grados del emplazamiento para ser efectivos. Dado que el modelo de la SKAO tiene cierta incertidumbre, al no tener acceso pleno a toda la información técnica y herramientas, la SKAO alienta a los operadores de satélites que poseen los datos necesarios a que elaboren un modelo preciso, a fin de que se pueda comprender mejor el impacto, tanto en el telescopio como en los posibles problemas de accesibilidad de esas poblaciones.

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Sobre el SKA

El proyecto Square Kilometre Array (SKA) es un esfuerzo internacional para construir el radiotelescopio más grande del mundo. El SKA no es un solo telescopio, sino una colección de telescopios (array en inglés), distribuidos en grandes distancias. Se construirá en Australia y Sudáfrica con una expansión posterior en ambos continentes y en otros países africanos.

El diseño ha sido liderado por la Organización del SKA con sede central cerca de Manchester, Reino Unido, y respaldado por más de 1,000 ingenieros y científicos en 20 países. La Organización SKA está en fase de transición al Observatorio SKA, una organización intergubernamental establecida por medio de un tratado, para emprender la construcción y operación del telescopio. Más información sobre la transición al Observatorio SKA en este enlace.

El SKA llevará a cabo ciencia que transformará y ayudará a abordar brechas fundamentales en nuestra comprensión del Universo, incluida la formación y evolución de las galaxias, la física fundamental en entornos extremos y los orígenes de la vida en el Universo.