Los sistemas de navegación por satélite para asentamientos lunares requerirán relojes atómicos con una hora uniforme. Los científicos investigan qué hora marcarán.
Expertos en todo el mundo avizoran que la próxima década verá un resurgimiento en la exploración lunar, incluidas docenas de misiones y planes para establecer bases permanentes en nuestro satélite natural. Este plan presenta innumerables desafíos. Entre ellos se encuentra una pregunta sutil, pero fundamental, que los metrólogos de todo el mundo están trabajando para responder: ¿qué hora es en la Luna?
“Recién estamos comenzando a diseñar esto”, dice Cheryl Gramling, ingeniera aeroespacial que dirige el equipo de posición, navegación y cronometraje en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.
La Luna actualmente no tiene un tiempo independiente. Cada misión lunar utiliza su propia escala de tiempo que está vinculada, a través de sus controladores en la Tierra, al tiempo universal coordinado, o UTC, el estándar contra el cual se establecen los relojes del planeta. Pero este método es relativamente impreciso y las naves espaciales que exploran la Luna no sincronizan el tiempo entre sí. El enfoque funciona cuando la Luna alberga un puñado de misiones independientes, pero será un problema cuando haya varias naves trabajando juntas. Las agencias espaciales también querrán rastrearlos utilizando la navegación por satélite, que se basa en señales de tiempo precisas.
No es obvio qué forma tomaría un tiempo lunar universal. Los relojes de la Tierra y la Luna, naturalmente, funcionan a diferentes velocidades, debido a los diferentes campos gravitatorios de los dos cuerpos. La hora lunar oficial podría basarse en un sistema de reloj diseñado para sincronizarse con UTC, o podría ser independiente de la hora de la Tierra.
Representantes de agencias espaciales y organizaciones académicas de todo el mundo se reunieron en noviembre de 2022 para comenzar a redactar recomendaciones sobre cómo definir la hora lunar en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA) en Noordwijk, Países Bajos.
“Las decisiones deben tomarse pronto. Si no se establece una hora lunar oficial, las agencias espaciales y las empresas privadas encontrarán sus propias soluciones. Es por eso que queremos lanzar una alerta ahora, diciendo que trabajemos juntos para tomar una decisión común. Si no se establece una hora lunar oficial, las agencias espaciales y las empresas privadas encontrarán sus propias soluciones. Es por eso que queremos lanzar una alerta ahora, diciendo que trabajemos juntos para tomar una decisión común”, indicó Patrizia Tavella, quien dirige el departamento de tiempo en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, Francia.
Seguimiento de satélites
La necesidad más apremiante de la hora lunar proviene de los planes para crear un sistema global de navegación por satélite (GNSS) dedicado a la Luna, similar a cómo el GPS y otras redes de navegación por satélite permiten un seguimiento preciso de la ubicación en la Tierra. Las agencias espaciales planean instalar este GNSS lunar a partir de alrededor de 2030. La ESA aprobó un proyecto de navegación por satélite lunar llamado Moonlight en su reunión del consejo ministerial del 22 y 23 de noviembre de 2022 en París, y la NASA estableció un proyecto similar, llamado Lunar Communications Relay and Navigation Systems, en enero pasado.
Hasta ahora, las misiones a la Luna han señalado sus ubicaciones utilizando señales de radio enviadas a grandes antenas en la Tierra en momentos programados. Pero con docenas de misiones planeadas, “simplemente no hay suficientes recursos para cubrir a todos”, precisó Joel Parker, un ingeniero que trabaja en navegación lunar en el Centro Goddard.
Como primer paso, a partir de 2024, la ESA y la NASA probarán derivar posiciones en la Luna utilizando débiles señales de navegación por satélite de naves terrestres. A continuación, los proyectos de GNSS lunar planean colocar satélites dedicados alrededor de la Luna, cada uno con su propio reloj atómico. Un receptor, por ejemplo en la superficie de la Luna, triangulará su posición utilizando el tiempo que tardan las señales del satélite en llegar. “La ESA ha planificado una constelación inicial de cuatro naves espaciales que cubrirían la navegación en el polo sur lunar, que alberga gran parte del agua de la Luna y es un objetivo importante para la exploración”, sostuvo Jörg Hahn, ingeniero que trabaja en el proyecto Moonlight de la ESA.
“Las misiones lunares también necesitarán una hora lunar oficial para cooperar y comunicarse. Todo esto tiene que rastrearse a un tipo de referencia de tiempo, de lo contrario, hay caos y las cosas no funcionan juntas. Otra pregunta abierta, es si los astronautas usarían el tiempo lunar universal en todas partes de la Luna. Aunque el tiempo lunar seguiría siendo la escala de tiempo oficial, sus usuarios podrían, como en la Tierra, querer compensarlo en zonas horarias que se vinculan con la posición del Sol en el cielo. Esta es menos una pregunta para los metrólogos y más una cuestión de convención. Cuando alguien realmente vive allí en la Luna, creo que tiene sentido”, agregó el experto.
Caracterizando el tiempo
Definir el tiempo lunar no es simple. Aunque la definición del segundo es la misma en todas partes, la teoría especial de la relatividad dicta que los relojes funcionan más lento en campos gravitatorios más fuertes. La atracción gravitacional de la Luna es más débil que la de la Tierra, lo que significa que, para un observador en la Tierra, un reloj lunar funcionaría más rápido que uno terrestre. Gramling estima que un reloj lunar ganaría unos 56 microsegundos en 24 horas. Comparado con uno en la Tierra, la velocidad de un reloj también cambiaría sutilmente dependiendo de su posición en la superficie lunar, debido a la rotación de la Luna, dice Tavella. “Este es un paraíso para los expertos en relatividad, porque hay que tener en cuenta muchas cosas”, añadió.
Definir un estándar lunar, con el que se comparen todos los relojes, implicará la instalación de al menos tres relojes maestros que marcan el ritmo natural de la Luna, y cuya salida se combina mediante un algoritmo para generar un reloj “virtual” más preciso. Lo que suceda entonces depende de la opción que elijan los metrólogos. Podrían decidir basar la hora lunar en UTC. En ese caso, este tiempo lunar virtual estaría sincronizado regularmente con el UTC terrestre. Entre los registros, los relojes maestros lunares seguirían marcando el tiempo hasta la próxima sincronización. Esto tiene la ventaja de ser simple para que los usuarios en la Tierra interactúen.
“La alternativa sería utilizar la salida sintetizada de los relojes atómicos lunares como el propio tiempo independiente y continuo de la Luna, y rastrear su relación con UTC. De esa manera, incluso si se pierde la conexión con la Tierra, los relojes en la Luna seguirán coincidiendo entre sí y permitirán una navegación y comunicaciones seguras. Establecer un tiempo independiente es un modelo que también funcionará para los planetas más distantes a los que las agencias espaciales apuntan en última instancia, como Marte. Transmitir UTC allí sería más complicado que a la Luna”, agregó Gramling.
En este escenario, los días en la Luna podrían incluso definirse de manera diferente a los de la Tierra, para tener en cuenta que el tiempo entre el mediodía solar y el mediodía solar toma un promedio de 29,5 días terrestres. Los días terrestres siempre serán importantes para los astronautas, dada la necesidad humana de dormir en un ciclo de aproximadamente 24 horas. Pero la definición es algo en lo que los metrólogos deberán ponerse de acuerdo. Incluso deberán decidir en qué parte de la Luna deberán colocar los relojes maestros. Al igual que en la Tierra, la altitud de los dispositivos afectará la velocidad de tic tac.
“Los relojes podrían estar en órbita lunar o en la superficie. Esto es lo que estamos discutiendo en este momento con nuestros colegas de la NASA”, sostuvo Hahn.
Las agencias espaciales también están considerando otros estándares necesarios, como qué mapas del terreno lunar y sistemas de coordenadas usar para la navegación, a través del Grupo Asesor de Operaciones Interinstitucionales, un consejo de agencias espaciales nacionales y el Comité Internacional de GNSS de las Naciones Unidas. Para que los sistemas de varios países sean interoperables, los sistemas de referencia tendrán que ser acordados internacionalmente, dice Gramling.
Con la ayuda de la ESA, la NASA está desarrollando un marco llamado LunaNet, para el cual espera obtener la aceptación internacional. LunaNet consiste en un conjunto de reglas que permitirían que todos los sistemas de computación, comunicación y navegación por satélite lunares formen una sola red similar a Internet, independientemente de la nación que los instale. Y establecer la hora lunar es parte de un panorama mucho más amplio.
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