MASER (Microwave Amplification by Stimulate Emission of Radiation)

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Oído20 de mayo de 2013.- Descripción del oído interno de quien es capaz de escuchar los susurros del Espacio Profundo. Las ondas que nos permiten escuchar la radio, ver la televisión o recibir información de una nave espacial, tienen el nombre genérico de Ondas Electromagnéticas (OE). La atenuación que sufren las OE es proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente y el receptor (ley del cuadrado inverso); de tal manera que al doble de distancia no se recibe la mitad de potencia, sino cuatro veces menos.

Por si esto no fuera suficiente, cuando las OE atraviesan la atmósfera sufren una atenuación adicional (absorción), aumentando con la humedad y con determinados fenómenos meteorológicos como la lluvia, llegando en ocasiones a interrumpirse la comunicación, sobre todo a medida que se utilizan frecuencias más altas.


Esto nos puede dar una idea del nivel de señal que recibe MDSCC (Madrid Deep Space Communication Complex), una Estación de Seguimiento de las varias que tenemos la fortuna de tener en este país, de una nave espacial como el Voyager 1 con un trasmisor de solamente 23 Watts y viajando a más de 18 mil millones de Km. de distancia.

Como referencia, las emisoras de radio comerciales pueden tener más de mil Watts y en ocasiones tenemos problemas al recibir su señal tan débil que se pierde la comunicación.


¿Qué estrategias se utilizan para lograr establecer una comunicación fiable entre una Estación de Seguimiento terrena y una nave espacial que está saliendo de nuestro Sistema Solar con un transmisor de potencia tan modesto?

La solución de todo problema complejo, generalmente también es compleja.

La primera es no desperdiciar esa limitada potencia que tiene el transmisor de la nave en radiar en todas las direcciones, sino dirigir la transmisión solamente hacia la tierra mediante una antena paraboloide (en este caso de 3,7 ms.) y emplear una técnica conocida como supresión de portadora para utilizar toda la energía en la subportadora de telemetría. Esta última técnica supone un aumento de 2 años más de seguimiento respecto al modo tradicional de portadora residual.

La segunda medida consiste en elegir para la recepción un lugar alejado de focos de interferencia como pueden ser zonas industriales, transmisores o repetidores de comunicaciones etc. para que no interfieran con la débil señal recibida. En el caso de MDSCC, la Estación está ubicada en una zona rural apartada y protegida por una montaña en la parte Norte (Monte de la Almenara, 1.259 m de altura).

La tercera se basa en recoger la máxima cantidad posible de la poca energía que nos llega mediante antenas paraboloides de gran superficie (34 m. o 70 m. de diámetro) utilizadas independientemente o combinándolas para aumentar la ganancia, conocida esta última configuración como array de antenas.

Otro truco consiste en enviar los datos codificados (codificación Convolucional combinada con un código Reed Solomon, en el caso del Voyager) de tal forma que si se pierde información durante el largo viaje, mediante algoritmos matemáticos, se puede incluso recomponer los datos perdidos (obviamente con limites).

Y por último, utilizar un “oído interno” muy sensible, es decir, un amplificador que aumente varios miles de veces la señal recibida sin introducir ruido en ese proceso. Aunque existen distintos tipos de Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido de OE de corta longitud de onda (microondas), todos ellos con refrigeración criogénica a temperaturas próximas al cero absoluto (-273,15 º C), como son los FET (Field Effect Transistor) o los HEMT (High Electron Mobility Transistor), la estrella es el amplificador tipo MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

El MASER ofrece la mejor relación señal/ruido, pero es muy costoso de mantener, de ahí la proliferación de amplificadores como los HEMT que aunque tengan prestaciones algo más modestas, requieren bastante menos mantenimiento.

¿Cómo funciona un amplificador MASER?


Funcionamiento Maser


Como datos curiosos, este amplificador tiene un cristal sintético de rubí (óxido de aluminio con impurezas de cromo), está refrigerado por helio, trabaja a menos 269 grados Centígrados y a esa temperatura el conductor de la bobina utilizada para crear un fuerte campo magnético necesario para su funcionamiento, se convierte en superconductor.

No quisiera ser pesado pero voy a entrar un poco en la historia de este invento.

Como ya sabéis, no lo invento el Sr. MASER sino que en 1.916, Albert Einstein enuncia el principio de la Emisión Estimulada de Radiación.

En 1.953, Basov y Prokhrov en la URSS y Townes en los EE.UU. de forma independiente describieron este aparato basado en el principio de la Emisión Estimulada de Radiación descrito por Albert Einstein.

No fue hasta 1.954 cuando Townes construyo el primer MASER y en 1.964 tanto el Sr. Townes como los Srs. Basov y Prokhrov, recibieron el premio Nobel de física.

Dicho esto, los amplificadores tipo MASER de la Red del Espacio Profundo DSN (Deep Space Network) como el que aparece en la fotografía, están formados por un cristal sintético de rubí, situado en un fuerte campo magnético y enfriado con un complicado sistema de criogénia a base de helio líquido para alcanzar la temperatura de menos 269 grados Centígrados como ya he mencionado anteriormente.

El funcionamiento real de los amplificadores MASER es bastante enrevesado, basado en la mecánica quántica, termodinámica, resonancia paramagnética, electrónica etc. y se sale del objetivo de este artículo, pero me dejaría mal sabor de boca si el lector no experto en estos artilugios, terminara la lectura sin tener al menos el concepto de lo que ocurre dentro de ese sofisticado amplificador que prácticamente solo se utiliza en lugares como Estaciones de Seguimiento Espacial, Radiotelescopios y pocos más. En España, tenemos la fortuna de tener unos cuantos.


Un CIRCULADOR (que no es otra cosa que un dispositivo con puertas y cuando las microondas entran por una salen por la siguiente sin poder nunca retroceder). Como podemos apreciar en el dibujo, la débil señal de microondas recibida por la antena entraría al CIRCULADOR por la ENTRADA de MICROONDAS para dirigirse hacia la cavidad resonante donde se encuentra el cristal de rubí y aquí es donde se realiza el milagro.

Átomos del cristal de rubí han pasado de su estado de energía bajo a uno alto (absorción), mediante la radiación de una frecuencia apropiada a través del OSCILADOR EXTERNO (PUMP). Estos átomos en ese nivel de energía tratan de volver a un estado estable más bajo sobretodo cuando son embestidos por los fotones de las microondas de entrada, liberando energía en ese proceso. Casualmente, energía de la misma frecuencia que la débil señal de microondas que queremos amplificar. Este proceso se siente favorecido por la CAVIDAD RESONANTE que solamente permite oscilaciones de esa frecuencia.


(a) Cuando entran los fotones de las microondas (onda verde) en la CAVIDAD RESONANTE procedentes del CIRCULADOR, interaccionan con el contenido de provocando que desciendan de estado energético (puntos azules), liberando en ese proceso (b) dos fotones de la frecuencia de las microondas de entrada (ondas verdes) y éstos a su vez provocan la misma reacción en los siguientes átomos (c) y (d) creando una especie de reacción en cadena que amplifica las microondas recibidas y que regresan al CIRCULADOR por la misma puerta utilizada para entrar en la cavidad, saliendo posteriormente del CIRCULADOR por la siguiente puerta que es la SALIDA AMPL camino hacia los receptores. En este ejemplo ha entrado un fotón y salen 8, luego tenemos un amplificador de factor de amplificación 8. Si hubiesen entrado 3, saldrían 24.


Este sistema de amplificación es distinto al empleado por otros amplificadores que usan el flujo de electrones en un cristal (como los transistores) o un haz de electrones (tubos de vacío). En el MASER la amplificación se hace a costa de la energía que ceden los átomos de Rubí al pasar de un nivel energético superior a uno inferior, por lo que también se les conoce como amplificadores quánticos ya que esta actividad está regida por la Mecánica Quántica.

En el proceso de amplificación, el MASER no introduce prácticamente ruido al no haber ningún elemento que pueda añadir ruido térmico salvo los átomos del Rubí y éste está a una temperatura cercana al cero absoluto limitando así la generación de ruido por agitación térmica.

El principio de funcionamiento del MASER también se emplea en las Estaciones de Seguimiento Espacial para generar frecuencias y tiempos muy precisos (relojes atómicos). Referencia: Equipos empleados en la investigación espacial en España II (MASER de Hidrogeno).

Respecto a la ubicación de los Amplificadores de Bajo nivel de Ruido y los Transmisores en las antenas, hay dos montajes muy diferenciados.

Lo más común es que estén alojados en unos conos (uno para cada banda de frecuencias) situados en el centro del plato reflector, precisamente en el foco del subreflector.

No hace falta que comente que trabajar en este reducido espacio es un infierno, además añade peso a la parte móvil de la antena, cosa nada deseable y hay que llevar hasta ese lugar todos los servicios que requieren estos equipos; energía eléctrica, guías de onda, señales de control, refrigeración para los transmisores, criogénica para los amplificadores, etc. retorciéndose los conductos de algunos suministros con cada movimiento de la antena.

Beam Waveguide

Posteriormente la tecnología a permitido que puedan alojarse en un lugar amplio y cómodo, el sótano del pedestal de la antena. A este tipo de antenas se las conoce como “Beam Waveguide“.


Puede que parezca algo simple, pero si no se había hecho antes es porque es realmente complicado y de una gran precisión.

Como puede apreciarse en el dibujo, la señal reflejada por el subreflector es dirigida hacia el sótano a través de un complicado laberinto de espejos de microondas.

Hay una dificultad añadida que no se aprecia en el dibujo y es que la antena tiene que moverse y ser capaz de apuntar a cualquier punto del espacio por encima del horizonte, manteniendo esa serie de espejos alineados perfectamente para que el destino final sea precisamente el Amplificador de Bajo Nivel de Ruido. La señal enviada por el Transmisor hacia el subreflector debe de compartir el mismo camino pero a la inversa. No quiero meterme en detalles tales como que las dilataciones y contracciones de la estructura por la temperatura, vientos, deformaciones por la gravedad a distintos ángulos de elevación etc. también afectan y son problemas a tener en cuenta sobre todo en bandas de frecuencia alta.

En la Estación de Seguimiento de Robledo MDSCC, hay actualmente 6 antenas paraboloides; una de 70 m. de diámetro (DSS-63), 1 de 26 m. (DSS 66, desactivada),4 de 34 m. (DSS 54, 55, 61 y 65) . Pues bien, de todas ellas solamente la DSS 54 y DSS 55 son del tipo “Beam Waveguide“.


Quiero aprovechar esta oportunidad para rendir un merecido tributo a alguien que sabía un montón de Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido y nos dejó antes de lo previsto, excelente profesional y mejor persona, capaz de enfriar los MASER a menos 269 grados Centígrados y simultáneamente mantener un ambiente cálido con los compañeros. Cándido Illescas gracias por ser como eras.


J.M.M.C.

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