Wenn es darum geht, wie schnell etwas geht, fällt es vielen Menschen am schwersten, sich vorzustellen, dass sie fragen müssen: „Im Vergleich zu was?“ Jede Bewegung ergibt nur aus einem Referenzrahmen einen Sinn, und vielen Raumschiffen, die in den Tiefen des Nichts unterwegs sind, fehlt ein regelmäßiger Bezug, anhand dessen man verstehen könnte, wie schnell sie fliegen.
Es gab verschiedene Techniken, um dieses Problem zu lösen, aber eine der am längsten in der Entwicklung befindlichen ist StarNAV – eine Möglichkeit, im Weltraum nur mithilfe der Sterne zu navigieren.
Mehrere Projekte mit dem Namen „StarNAV“ scheinen sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien zu befinden, darunter ein Zuschuss des NASA Institute for Advanced Concepts für einige Forscher an der Ostküste der USA und ein kleines, auf Technologie basierendes Start-up-Unternehmen an der UC Irvine. In diesem Fall schauen wir uns die von den Forschern geleistete Arbeit an, insbesondere ein Papier, das sie letztes Jahr veröffentlicht haben und in dem einige Fortschritte auf dem Weg zu einem Prototyp detailliert beschrieben werden.
Die von Paul McKee vom Rensselaer Polytechnic Institute, Hoang Nguyen und Michael Kudenov vom North Carolina State sowie John Christian vom Georgia Tech entwickelte Technologie basiert auf einer spezifischen Eigenschaft von Sternen, die als stellare Aberration bekannt ist. Gemäß der Definition in der Speziellen Relativitätstheorie tritt Sternaberration auf, wenn die Geschwindigkeit eines Beobachters den scheinbaren Abstand zwischen ihm und einem Stern verändert.
Diese Technik wurde schon früher verwendet; Bei der Berechnung der Momentangeschwindigkeit eines Raumfahrzeugs gab es jedoch große Fehlerbereiche. Typischerweise würden bestehende Lösungen ein großes Teleskop verwenden, um eine Eigenschaft, die als „Zwischensternwinkel“ zwischen zwei Sternen in einem relativ engen Sichtfeld bekannt ist, präzise zu messen. Wenn es genau genug ist, kann eine ziemlich komplexe Mathematik die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs aus nur einem Winkel zwischen den Sternen ermitteln.
Der schwierige Teil ist es, eine ausreichend präzise Messung zu erhalten. Um die Position eines einzelnen Sterns in einem Sternpaar genau zu bestimmen, müssen viele Teleskope über ein enges Sichtfeld (FOV) verfügen. Dieses enge Sichtfeld bedeutet, dass nur ein Stern pro Teleskop verfolgt werden kann, was ein zweites Teleskop und ein kompliziertes Messsystem erfordert, um die relative Ausrichtung dieser Teleskope zu verfolgen.
Fraser erörtert einige der Schwierigkeiten bei der Navigation im Weltraum.
Die NIAC-Forscher entwickelten eine Methode, bei der etwas weniger präzise Winkelmessungen zwischen den Sternen, dafür aber mehrere Messungen verwendet wurden, und wiederum mithilfe ausgefeilter Mathematik eine genaue Geschwindigkeitsmessung ohne die komplizierten Trackingsysteme zu berechnen.
Das in der beschriebene System Acta Astronautica Das Papier besteht aus drei verschiedenen Teleskopen, die in bekannten Winkeln zueinander versetzt sind und jeweils ein anderes Sternpaar beobachten. Mit diesen drei etwas ungenaueren Messungen kann ein Algorithmus immer noch eine durchschnittliche Sternaberration und damit eine vernünftige Schätzung der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs berechnen.
Als ob in diesem Prozess nicht schon genug Mathematik steckte, beschlossen die Autoren, die Genauigkeit ihres Systems zu beweisen, indem sie einige Experimente mit dem beliebtesten Zufallstestalgorithmus jedes Mathematikers durchführten – einer Monte-Carlo-Simulation.
Während sie einige Störfaktoren fanden, die bei einem Kalibrierungsprozess berücksichtigt werden müssen, bewies die Simulation, dass das System zumindest theoretisch mit einer Genauigkeit arbeiten würde, die mit den besten derzeit verfügbaren Lösungen mit schmalem Sichtfeld vergleichbar ist, und dass es viel kostengünstiger und kostengünstiger wäre einfacher zu bedienen.
In einem abschließenden Proof of Concept modellierten die Forscher auch, wie groß ein solches System sein würde. Sie passen es in ein 3-HE-CubeSat-Gehäuse mit den Maßen etwa 10 cm x 30 cm x 10 cm. Und aufgrund der Modularität der CubeSats-Designs könnte es möglich sein, ein solches Modul im Rahmen einer vollwertigen Mission an einem anderen Chassis anzubringen.
Dies ist jedoch noch nicht geschehen, und es sieht nicht so aus, als ob bisher ein vollständiger Prototyp dieses Systems gebaut wurde. Allerdings gibt es, wie oben erwähnt, ein Start-up, das eine sehr ähnliche Technologie kommerzialisieren möchte, allerdings hauptsächlich für die erdbasierte Navigation als Alternative zu GPS – sie haben mehrere Militärverträge und würden nach Möglichkeiten suchen, die Navigation fortzusetzen, wenn GPS eingeführt wird durch feindliche Aktionen außer Gefecht gesetzt werden.
Da immer mehr Raumfahrzeuge in den Weltraum vordringen, wird die Verbesserung der Berechnung ihrer Geschwindigkeit zu einem immer größeren Problem. StarNAV scheint dafür gut aufgestellt zu sein – es bedarf lediglich eines etwas größeren Anstoßes in der Prototyping-Phase, um dorthin zu gelangen.
Mehr Informationen:
Paul McKee et al., StarNAV mit einem optischen Sensor mit großem Sichtfeld, Acta Astronautica (2022). DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.04.027