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Kosmische Leuchttürme können zukünftige Raumfahrer navigieren

 

NICER Raumstation

Ein Bild von NICER auf der Außenseite der Raumstation mit einem der Sonnenkollektoren der Station im Hintergrund. Bildnachweis: NASA

Über Jahrhunderte hinweg halfen Leuchttürme den Seeleuten, sicher in den Hafen zu navigieren. Ihre Lichter fegten über das Wasser, schnitten durch Nebel und Dunkelheit, führten Seeleute um gefährliche Hindernisse und hielten sie auf dem richtigen Weg. In Zukunft könnten Weltraumforscher ähnliche Anweisungen von den von Pulsaren erzeugten stetigen Signalen erhalten.

Wissenschaftler und Ingenieure mit der Internationalen Raumstation entwickeln Pulsar -basierte Navigation mit diesen kosmischen Leuchttürme mit Wegfindung auf Reisen zum Mond unter unterstützen NASA ‚s Artemis – Programm und auf zukünftige bemannten Missionen zum Mars .

Pulsar oder sich schnell drehender Neutronenstern

Darstellung eines Pulsars oder eines sich schnell drehenden Neutronensterns. Es emittiert Röntgenphotonen oder Strahlungsteilchen in hellen, schmalen Strahlen, die den Himmel wie ein Leuchtturm fegen, wenn sich der Stern dreht. Bildnachweis: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF

Pulsare oder sich schnell drehende Neutronensterne sind die extrem dichten Überreste von Sternen, die als Supernovae explodierten. Sie emittieren Röntgenphotonen in hellen, schmalen Strahlen, die den Himmel wie ein Leuchtturm fegen, wenn sich die Sterne drehen. Aus großer Entfernung scheinen sie zu pulsieren, daher der Name Pulsare.

Ein Röntgenteleskop an der Außenseite der Raumstation, der Neutronenstern Interior Composition Explorer oder NICER, sammelt und markiert die Ankunft von Röntgenlicht von Neutronensternen über dem Himmel. In NICER eingebettete Software, die als Station Explorer für Röntgen-Timing- und Navigationstechnologie oder SEXTANT bezeichnet wird, verwendet die Beacons von Pulsaren, um ein GPS-ähnliches System zu erstellen. Dieses Konzept, das oft als XNAV bezeichnet wird, könnte eine autonome Navigation im gesamten Sonnensystem und darüber hinaus ermöglichen.

„GPS verwendet präzise synchronisierte Signale. Die Pulsationen einiger Neutronensterne sind sehr stabil, andere sogar langfristig so stabil wie terrestrische Atomuhren, was sie möglicherweise auf ähnliche Weise nützlich macht “, sagt Luke Winternitz, Forscher am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland.

Die Stabilität der Impulse ermöglicht hochgenaue Vorhersagen ihrer Ankunftszeit an jedem Referenzpunkt im Sonnensystem. Wissenschaftler haben detaillierte Modelle entwickelt, die genau vorhersagen, wann ein Puls beispielsweise den Erdmittelpunkt erreichen würde. Das Timing der Ankunft des Impulses bei einem Detektor eines Raumfahrzeugs und der Vergleich mit dem Zeitpunkt, zu dem vorausgesagt wird, dass er an einem Referenzpunkt ankommt, liefert Informationen für die Navigation weit über unseren Planeten hinaus.

„Navigationsinformationen von Pulsaren werden durch die Abkehr von der Erde nicht beeinträchtigt, da Pulsare in unserer Milchstraße verteilt sind “, sagt Munther Hassouneh, Navigationstechnologe bei SEXTANT.

“Das G in GPS wird effektiv von global auf galaktisch umgestellt”, fügt Teammitglied Jason Mitchell hinzu, Direktor der Abteilung für fortgeschrittene Kommunikations- und Navigationstechnologie im NASA-Programm für Weltraumkommunikation und Navigation. “Es könnte überall im Sonnensystem funktionieren und sogar Roboter- oder Besatzungssysteme über das Sonnensystem hinaus transportieren.”

Pulsare können auch im Funkband beobachtet werden, aber im Gegensatz zu Radiowellen werden Röntgenstrahlen nicht durch Materie im Raum verzögert. Darüber hinaus können Detektoren für Röntgenstrahlen kompakter und kleiner sein als Radiogeschirr.

Da Röntgenimpulse jedoch sehr schwach sind, muss ein System robust genug sein, um ein für die Navigation ausreichendes Signal zu erfassen. Der große Sammelbereich von NICER macht es nahezu ideal für die XNAV-Forschung. Ein zukünftiges XNAV-System könnte für eine längere Erfassungszeit kleiner und handelsüblicher gemacht werden.

Stellen Sie sich eine Technologie vor, mit der Raumfahrer Gigabyte an Daten pro Sekunde über interplanetare Entfernungen übertragen oder mit starken Lichtstrahlen, die von rotierenden Neutronensternen ausgehen, zum Mars und darüber hinaus navigieren können. Das Konzept ist nicht weit hergeholt. Tatsächlich planen die Goddard-Astrophysiker Keith Gendreau und Zaven Arzoumanian, ein Mehrzweckinstrument auf der Internationalen Raumstation zu fliegen, um die Lebensfähigkeit zweier bahnbrechender Navigations- und Kommunikationstechnologien zu demonstrieren und auf derselben Plattform wissenschaftliche Daten zu sammeln, die die Physik dichter Materie enthüllen in Neutronensternen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA / Rich Melnick

“NICER ist ungefähr so ​​groß wie eine Waschmaschine, aber man könnte ihre Größe und ihr Volumen drastisch reduzieren”, sagt Mitchell. “Zum Beispiel wäre es interessant, ein XNAV-Teleskop in einen kleinen Satelliten einzubauen, der unabhängig den Asteroidengürtel navigieren und primitive Körper des Sonnensystems charakterisieren könnte.”

Wie in einem Artikel aus dem Jahr 2018 veröffentlicht, hat SEXTANT bereits erfolgreich eine pulsarbasierte Echtzeitnavigation an Bord der Raumstation demonstriert. Es untersuchte auch die Verwendung von Pulsaren zur Zeitmessung und Uhrzeitsynchronisation und hilft dabei, den Katalog von Pulsaren zu erweitern, die als Referenzpunkte für XNAV verwendet werden sollen.

Zum SEXTANT-Team gehören auch Samuel Price, Sean Semper und Wayne Yu von Goddard; Paul Ray und Kent Wood, Partner des Naval Research Lab; und NICER-Hauptforscher Keith Gendreau und wissenschaftlicher Leiter Zaven Arzoumanian.

Das Team untersucht nun die autonome XNAV-Navigation auf der Gateway-Plattform der NASA als Technik zur Unterstützung von Missionen mit Besatzung zum Mars. Astronauten könnten es möglicherweise auch verwenden, um die Navigationsfunktionen an Bord zu ergänzen, falls sie es alleine zurück zur Erde schaffen müssen.

“Die Umlaufbahn von Gateway um den Mond von ungefähr sechseinhalb Tagen würde uns viel länger auf Pulsare starren lassen”, sagt Mitchell. „Hier kommt der Handel ins Spiel. Das Instrument ist wie ein Eimer, und Sie füllen diesen Eimer mit genügend Röntgenphotonen, um zu messen, wann dieser Impuls angekommen ist. Sie könnten einen Detektor haben, der nur einen Bruchteil der Größe von NICER hat. “

Diese Art von Experimenten könnte kosmische Leuchttürme bringen, um Raumschiffe zu ihren Zielen zu führen, die der Realität einen weiteren Schritt näher kommen.