Bald könnte jedes Raumschiff mithilfe von Pulsaren autonom durch das Sonnensystem navigieren

Wenn Sie wissen möchten, wo Sie sich im Weltraum befinden, bringen Sie besser eine Karte mit. Aber es ist etwas komplizierter, als mit der Schrotflinte auf einem Familienausflug zu fahren.

Die Navigation von Raumfahrzeugen über die Erdumlaufbahn hinaus wird normalerweise von der Missionskontrolle durchgeführt. Eine Reihe von Funkkommunikationsarrays auf dem ganzen Planeten, bekannt als Deep Space Network, ermöglicht es den Betreibern, sich bei Raumsonden einzuchecken und ihren Navigationsstatus zu aktualisieren. Das System funktioniert, könnte aber besser sein. Was wäre, wenn ein Raumschiff seine Position autonom bestimmen könnte, ohne nach Hause telefonieren zu müssen? Das war lange Zeit ein Traum von Luft- und Raumfahrtingenieuren, und er nähert sich der Erfüllung.

Pulsare sind der Schlüssel.

Pulsare sind rotierende Neutronensterne – die ultradichten Kerne explodierter Überriesensterne – die Strahlen elektromagnetischer Strahlung von ihren Polen aussenden. Sie wirken wie interstellare Leuchttürme, die in einem zuverlässigen Rhythmus immer wieder Funksignale über die Erde spülen. Der erste Pulsar wurde 1967 von Jocelyn Bell entdeckt und erhielt den Spitznamen LGM-1 (Little Green Men 1), da außerirdische Intelligenz als Ursache des Pulsars bis zur Entdeckung eines zweiten nicht ausgeschlossen werden konnte. Jetzt kennen wir Tausende und sind zuversichtlich, dass es sich um natürliche Phänomene handelt.

Da Pulsarstrahlen so vorhersehbar sind, können sie für eine Art Triangulation verwendet werden, bei der ein Raumschiff, das überlappende Pulsarsignale empfängt, in der Lage sein sollte, seine Position im Weltraum auf etwa 5 bis 10 Kilometer genau zu bestimmen.

Die theoretische Grundlage dieser Methode ist solide. So sehr, dass die goldenen Schallplatten (Zeitkapseln der Erde und der menschlichen Kultur), die in den 1970er Jahren an der Seite der Raumschiffe Voyager und Pioneer angebracht waren, die Position unserer Sonne relativ zu 14 Pulsaren grafisch anzeigten, nur für den Fall, dass LGMs über sie stolpern das Raumschiff und wollen uns hier auf der Erde besuchen. Wir haben ihnen Anweisungen gegeben.

Aber wenn Pulsare eine so effektive Form der Navigation sind, warum werden sie dann nicht bereits eingesetzt? Schließlich werden Studien zu diesem Thema seit den 1970er Jahren durchgeführt, als das Jet Propulsion Lab erstmals begann, sich mit der Aussicht zu befassen.

Bei allen Weltraummissionen ist das Gewicht eine der Hauptüberlegungen. Es ist teuer, Dinge in den Weltraum zu bringen, daher muss jedes Kilogramm an jedem Fahrzeug zählen. Jedes funktionsfähige Pulsar-Navigationssystem müsste sehr klein und sehr leicht sein, andernfalls müssten wichtige wissenschaftliche Instrumente oder Treibstoff für den Antrieb verkleinert werden, um dies auszugleichen. Dies ist ein erhebliches Hindernis für die Entwicklung eines funktionsfähigen Pulsar-Navigationssystems. Pulsare sind normalerweise unglaublich schwache Punktquellen, was es schwierig macht, sie ohne leistungsstarke (schwere) Ausrüstung zu entdecken, insbesondere bei Radiofrequenzen.

Glücklicherweise gibt es eine Lösung, die dies möglich machen könnte, und zwar die Verwendung eines Röntgenteleskops. Diese können kleiner und leichter sein und dennoch Pulsarsignale genauso gut empfangen wie eine Funkantenne.

In den letzten Jahren haben Astronomen daran gearbeitet, die Methoden zu verbessern, mit denen ein Raumschiff Pulsarsignale verarbeitet, die Effizienz des Systems zu erhöhen und die Fehlergrenzen zu verringern. Hardware wurde sogar auf der Internationalen Raumstation getestet, wo das waschmaschinengroße NICER/SEXTANT-Experiment seit 2018 erfolgreich den Standort der Station mithilfe von Pulsaren verfolgt.

Jetzt arbeiten Teams daran, Hardware zu entwickeln, die für Weltraummissionen noch kompakter ist. Ein Vorabdruck veröffentlicht am arXiv letzten Monat beschreibt eine Prototyp-Navigationseinheit namens PODIUM, die nur 6 kg wiegen, 20 W Leistung verbrauchen und in eine Kiste von 15 cm x 24 cm x 60 cm passen wird. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend. PODIUM sollte in der Lage sein, die Position eines Raumfahrzeugs innerhalb von etwa 10 km mithilfe von Röntgensignalen aus einem Katalog von Pulsaren zu bestimmen.

Bald könnten diese Prototypen zur Realität werden und die nächste Generation von Raumsonden zu ihren Zielen führen. Sie werden wahrscheinlich auch bemannte Raumfahrzeuge führen, wobei die bevorstehende NASA-Raumstation Lunar Gateway voraussichtlich mit einem Pulsar-Navigationssystem ausgestattet sein wird. Wir stehen an der Schwelle zur autonomen Weltraumnavigation: wie GPS, aber für die Galaxie.