211service.com
En interplanetarisk GPS, der bruger Pulsar-signaler
At navigere i rummet er en vanskelig forretning. Den sædvanlige metode er afhængig af jordbaserede sporingsstationer til at beregne et rumskibs afstand ved hjælp af radiobølger, en proces, der er nøjagtig inden for en meter eller deromkring.
Det er fint for den radiale afstand, men sporing af et rumfartøjs vinkelposition er meget sværere på grund af den begrænsede vinkelopløsning af radioantenner. Den nuværende teknologi frembringer en usikkerhed på omkring fire kilometer pr. astronomisk afstandsenhed mellem Jorden og rumfartøjet.
Så for et rumfartøj på afstand af Pluto er det en usikkerhed på 200 kilometer og i afstanden til Voyager 1 er usikkerheden 500 kilometer.
Så en måde for rumfartøjer at bestemme deres egen position nøjagtigt ville klart være nyttig.
I dag har Werner Becker ved Max-Planck-instituttet for rumfysik i Tyskland og et par venner udarbejdet de praktiske detaljer for et autonomt rumfartøjsnavigationssystem ved hjælp af pulsarsignaler. De siger, at teknologi, der udvikles nu, ville gøre det muligt for rumfartøjer at finde deres position inden for fem kilometer hvor som helst i solsystemet.
Ideen om at bruge pulsarer til at navigere i rummet går flere årtier tilbage. Men Becker og co siger, at tidligere analyser er blevet hæmmet af et begrænset kendskab til pulsarer og den relativt omfangsrige teknologi, der har været tilgængelig til at opdage dem. Begge disse ting har ændret sig dramatisk i de senere år.
For det første vokser antallet af kendte impulser markant. Astronomer er opmærksomme på langt over 2.000 pulsarer, og den næste generation af radioobservatorier forventes at afsløre titusinder mere.
Den grundlæggende idé bag dette interplanetariske navigationssystem er at bruge signalerne fra disse pulsarer på stort set samme måde, som vi bruger GPS-satellitter til at navigere på Jorden. Ved at måle ankomsttiden for impulser fra mindst tre forskellige pulsarer og sammenligne denne med deres forudsagte ankomsttid, er det muligt at beregne en position i det tredimensionale rum.
(Da pulsarer producerer en strøm af identiske pulser, er det muligt at generere et hvilket som helst antal tvetydige løsninger, når de gør dette. Men Becker og co påpeger, at disse kan elimineres ved at begrænse løsningerne til et endeligt volumen omkring den antagne position.)
Gennemførligheden af et sådant system afhænger af en række vigtige praktiske faktorer, i høj grad bestemt af bølgelængden af den pulsarstråling, som navigationssystemet er designet til at detektere. Dette bestemmer antenneopsamlingsområdet, strømforbruget, vægten af navigationssystemet og selvfølgelig dets omkostninger.
Becker og co beregner, at for 21-centimeters bølger ville rumfartøjet kræve en antenne med et opsamlingsområde på 150 kvadratmeter.
Men en bedre idé, siger de, er at bruge pulsarer, der udsender røntgenstråler, da teknologien til at indsamle og fokusere røntgenstråler er blevet dramatisk forbedret i de seneste år.
Et mål for ydeevnen af røntgenspejle er deres masse. Spejlet brugt på Chandra X-ray Observatory, der blev opsendt i 1999, havde en masse på 18,5 tons pr. kvadratmeter effektivt opsamlingsområde. Til sammenligning har den avancerede glasmikroporeoptik, der fremstilles i dag, en masse på kun 25 kg for det samme opsamlingsområde.
Så røntgenoptik giver god mening til pulsar-navigation, siger Becker og co. Ved at bruge røntgensignalerne fra millisekunders pulsarer estimerede vi, at navigation ville være mulig med en nøjagtighed på ±5 km i solsystemet og videre, siger de.
Det er muligvis ikke nødvendigt at have denne nøjagtighed for de fleste missioner, der er planlagt på kort sigt. Becker og venner er dog optimistiske med hensyn til dets fremtidige potentiale: Det er allerede i dag klart, at denne navigationsteknik vil finde sine anvendelser i fremtidens astronautik. Som de siger, til det uendelige og videre …
Ref: arxiv.org/abs/1305.4842 : Autonom rumfartøjsnavigation med pulsarer