211service.com
Een interplanetaire GPS die pulssignalen gebruikt
Navigeren in de ruimte is een lastige aangelegenheid. De gebruikelijke methode is gebaseerd op aardse volgstations om de afstand van een ruimtevaartuig te bepalen met behulp van radiogolven, een proces dat tot op een meter nauwkeurig is.
Dat is prima voor de radiale afstand, maar het volgen van de hoekpositie van een ruimtevaartuig is veel moeilijker vanwege de beperkte hoekresolutie van radioantennes. De huidige technologie produceert een onzekerheid van ongeveer vier kilometer per astronomische afstandseenheid tussen de aarde en het ruimtevaartuig.
Dus voor een ruimtevaartuig op de afstand van Pluto is dat een onzekerheid van 200 kilometer en op de afstand van Voyager 1 is de onzekerheid 500 kilometer.
Dus een manier voor ruimtevaartuigen om hun eigen positie nauwkeurig te bepalen, zou duidelijk nuttig zijn.
Vandaag hebben Werner Becker van het Max-Planck Instituut voor buitenaardse fysica in Duitsland en een paar vrienden de praktische details uitgewerkt voor een autonoom ruimtevaartuignavigatiesysteem met behulp van pulsarsignalen. Ze zeggen dat de technologie die nu wordt ontwikkeld, ruimtevaartuigen in staat zou stellen hun positie binnen vijf kilometer overal in het zonnestelsel te bepalen.
Het idee om pulsars te gebruiken om door de ruimte te navigeren dateert van enkele decennia. Maar Becker en co zeggen dat eerdere analyses werden gehinderd door een beperkte kennis van pulsars en de relatief omvangrijke technologie die beschikbaar was om ze te detecteren. Beide zaken zijn de afgelopen jaren drastisch veranderd.
Ten eerste groeit het aantal bekende pulsen aanzienlijk. Astronomen zijn zich bewust van meer dan 2.000 pulsars en de volgende generatie radio-observatoria zal er naar verwachting nog tienduizenden meer onthullen.
Het basisidee achter dit interplanetaire navigatiesysteem is om de signalen van deze pulsars in wezen op dezelfde manier te gebruiken als we GPS-satellieten gebruiken om op aarde te navigeren. Door de aankomsttijd van pulsen van minimaal drie verschillende pulsars te meten en deze te vergelijken met hun voorspelde aankomsttijd, is het mogelijk om een positie in de driedimensionale ruimte te bepalen.
(Aangezien pulsars een stroom van identieke pulsen produceren, is het mogelijk om daarbij een willekeurig aantal dubbelzinnige oplossingen te genereren. Maar Becker en co wijzen erop dat deze kunnen worden geëlimineerd door de oplossingen te beperken tot een eindig volume rond de aangenomen positie.)
De haalbaarheid van een dergelijk systeem hangt af van een aantal belangrijke praktische factoren, grotendeels bepaald door de golflengte van de pulsarstraling die het navigatiesysteem moet detecteren. Dit bepaalt het ontvangstgebied van de antenne, het stroomverbruik, het gewicht van het navigatiesysteem en natuurlijk de kosten.
Becker en co berekenen dat voor golven van 21 centimeter het ruimtevaartuig een antenne nodig heeft met een verzameloppervlak van 150 vierkante meter.
Maar een beter idee, zeggen ze, is om pulsars te gebruiken die röntgenstraling uitzenden, aangezien de technologie voor het verzamelen en focussen van röntgenstraling de afgelopen jaren enorm is verbeterd.
Een maatstaf voor de prestaties van röntgenspiegels is hun massa. De spiegel die werd gebruikt op het Chandra X-ray Observatory dat in 1999 werd gelanceerd, had een massa van 18,5 ton per vierkante meter effectief verzamelgebied. Ter vergelijking: de ultramoderne optische microporiën van glas die tegenwoordig worden gemaakt, hebben een massa van slechts 25 kilogram voor hetzelfde verzamelgebied.
Dus röntgenoptica is zinvol voor pulsar-navigatie, zeggen Becker en co. Met behulp van de röntgensignalen van millisecondenpulsars schatten we dat navigatie mogelijk zou zijn met een nauwkeurigheid van ± 5 km in het zonnestelsel en daarbuiten, zeggen ze.
Deze nauwkeurigheid is wellicht niet nodig voor de meeste missies die op korte termijn worden gepland. Becker en zijn vrienden zijn echter optimistisch over het toekomstige potentieel: het is nu al duidelijk dat deze navigatietechniek zijn toepassingen zal vinden in de toekomstige ruimtevaart. Zoals ze zeggen, tot in het oneindige en verder...
Referentie: arxiv.org/abs/1305.4842 : Autonome ruimtevaartuignavigatie met pulsars