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Ein interplanetares GPS mit Pulsarsignalen
Die Navigation im Weltraum ist ein heikles Geschäft. Die übliche Methode basiert auf erdbasierten Tracking-Stationen, um die Entfernung eines Raumfahrzeugs mithilfe von Funkwellen zu ermitteln, ein Prozess, der auf einen Meter genau ist.
Das ist für die radiale Entfernung in Ordnung, aber die Verfolgung der Winkelposition eines Raumfahrzeugs ist aufgrund der begrenzten Winkelauflösung von Funkantennen viel schwieriger. Die aktuelle Technologie erzeugt eine Unsicherheit von etwa vier Kilometern pro astronomischer Entfernungseinheit zwischen Erde und Raumsonde.
Für ein Raumschiff in der Entfernung von Pluto ist das eine Unsicherheit von 200 Kilometern und in der Entfernung von Voyager 1 beträgt die Unsicherheit 500 Kilometer.
Eine Möglichkeit für Raumfahrzeuge, ihre eigene Position genau zu bestimmen, wäre also eindeutig nützlich.
Heute haben Werner Becker vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland und ein paar Kumpels die praktischen Details für ein autonomes Raumfahrzeug-Navigationssystem mit Pulsarsignalen ausgearbeitet. Sie sagen, dass die Technologie, die jetzt entwickelt wird, es Raumfahrzeugen ermöglichen würde, ihre Position im Sonnensystem bis auf fünf Kilometer genau zu bestimmen.
Die Idee, Pulsare zur Navigation im Weltraum zu verwenden, reicht mehrere Jahrzehnte zurück. Aber Becker und Co. sagen, dass frühere Analysen durch ein begrenztes Wissen über Pulsare und die relativ umfangreiche Technologie, die zur Verfügung stand, um sie zu entdecken, behindert wurden. Beides hat sich in den letzten Jahren dramatisch verändert.
Erstens wächst die Zahl der bekannten Pulse erheblich. Astronomen kennen weit über 2.000 Pulsare und die nächste Generation von Radioobservatorien wird voraussichtlich Zehntausende mehr aufdecken.
Die Grundidee dieses interplanetaren Navigationssystems besteht darin, die Signale dieser Pulsare im Wesentlichen auf die gleiche Weise zu verwenden, wie wir GPS-Satelliten zur Navigation auf der Erde verwenden. Durch Messen der Ankunftszeit von Pulsen von mindestens drei verschiedenen Pulsaren und Vergleichen dieser mit ihrer vorhergesagten Ankunftszeit ist es möglich, eine Position im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.
(Da Pulsare einen Strom identischer Pulse erzeugen, können dabei beliebig viele mehrdeutige Lösungen erzeugt werden. Becker und Co weisen jedoch darauf hin, dass diese eliminiert werden können, indem man die Lösungen auf ein endliches Volumen um die angenommene Position beschränkt.)
Die Durchführbarkeit eines solchen Systems hängt von einer Reihe wichtiger praktischer Faktoren ab, die maßgeblich von der Wellenlänge der Pulsarstrahlung bestimmt werden, die das Navigationssystem erfassen soll. Dies bestimmt die Antennensammelfläche, den Stromverbrauch, das Gewicht des Navigationssystems und natürlich seine Kosten.
Becker und Co. berechnen, dass die Raumsonde für 21-Zentimeter-Wellen eine Antenne mit einer Sammelfläche von 150 Quadratmetern benötigen würde.
Besser sei es jedoch, Pulsare zu verwenden, die Röntgenstrahlen aussenden, da sich die Technologie zum Sammeln und Fokussieren von Röntgenstrahlen in den letzten Jahren dramatisch verbessert hat.
Ein Maß für die Leistungsfähigkeit von Röntgenspiegeln ist ihre Masse. Der Spiegel des 1999 gestarteten Chandra-Röntgenobservatoriums hatte eine Masse von 18,5 Tonnen pro Quadratmeter effektiver Sammelfläche. Zum Vergleich: Die heute hergestellten modernen Glas-Mikroporenoptiken haben bei gleicher Sammelfläche eine Masse von nur 25 Kilogramm.
Röntgenoptiken seien also durchaus sinnvoll für die Pulsarnavigation, sagen Becker und Co. Anhand der Röntgensignale von Millisekundenpulsaren haben wir geschätzt, dass eine Navigation mit einer Genauigkeit von ±5 km im Sonnensystem und darüber hinaus möglich wäre.
Diese Genauigkeit ist für die meisten kurzfristig geplanten Missionen möglicherweise nicht erforderlich. Für die Zukunft sind Becker und seine Freunde jedoch optimistisch: Schon heute ist klar, dass diese Navigationstechnik ihre Anwendung in der zukünftigen Raumfahrt finden wird. Wie sie sagen, bis ins Unendliche und darüber hinaus …
Ref: arxiv.org/abs/1305.4842 : Autonome Raumfahrzeugnavigation mit Pulsaren