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Pulsar-Navigation

Röntgen-Pulsar-Navigation und -Zeitmessung (engl.: X-ray pulsar-based navigation and timing, XNAV) oder einfach Pulsarnavigation ist eine Navigationstechnik, bei der die von Pulsaren ausgesandten periodischen Röntgensignale verwendet werden, um den Standort eines Fahrzeugs, z. B. eines Raumschiffs, im Weltraum zu bestimmen. Ein Fahrzeug, das XNAV nutzt, würde die empfangenen Röntgensignale mit einer Datenbank bekannter Pulsarfrequenzen und -positionen vergleichen. Ähnlich wie bei GPS würde dieser Vergleich es dem Fahrzeug ermöglichen, seine Position genau zu berechnen (±5 km). Der Vorteil der Verwendung von Röntgensignalen gegenüber Radiowellen ist, dass Röntgenteleskope kleiner und leichter gebaut werden können.[1][2][3] Über erste experimentelle Versuche wurde im Jahr 2018 berichtet.[4]

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Studien

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Das Advanced Concepts Team der ESA untersuchte 2003 in Zusammenarbeit mit der Universitat Politecnica de Catalunya in Spanien die Machbarkeit der Röntgenpulsarnavigation.[5] Dadurch wurde das Interesse an der XNAV-Technologie innerhalb der Europäischen Weltraumorganisation gefestigt, was 2012 zu zwei verschiedenen und detaillierteren Studien führte, die von GMV AEROSPACE AND DEFENCE (ES) und dem National Physical Laboratory (UK) durchgeführt wurden.[6]

Experimente

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XPNAV 1
Am 9. November 2016 startete die Chinesische Akademie der Wissenschaften einen experimentellen Pulsarnavigationssatelliten mit der Bezeichnung XPNAV 1.[7] Dieser hat eine Masse von 240 kg und befindet sich auf einer 493 km × 512 km großen, 97,41° breiten Umlaufbahn.[7] XPNAV-1 wird 26 nahe gelegene Pulsare hinsichtlich ihrer Pulsfrequenz und -intensität charakterisieren, um eine Navigationsdatenbank zu erstellen, die für künftige operative Missionen genutzt werden könnte. Der Satellit wird voraussichtlich fünf bis zehn Jahre lang in Betrieb sein. XPNAV-1 ist die erste Pulsarnavigationsmission, die in die Umlaufbahn gebracht wurde.[8]
SEXTANT
SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) ist ein von der NASA finanziertes Projekt, das am Goddard Space Flight Center entwickelt wurde und im Rahmen des NICER-Projekts, das am 3. Juni 2017 mit der SpaceX CRS-11 ISS-Resupply-Mission gestartet wurde, XNAV im Orbit der Internationalen Raumstation testet.[9] Bei Erfolg der Mission könnte XNAV als sekundäre Navigationstechnologie für die geplanten Orion-Missionen eingesetzt werden.[10] Im Januar 2018 wurde die Funktionsfähigkeit der Röntgen-Navigation mit NICER/SEXTANT auf der ISS demonstriert.[11] Es wurde eine Genauigkeit von 7 km (in 2 Tagen) gemeldet.
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Im Jahr 2014 führte das Nationale Luft- und Raumfahrtlabor in Amsterdam eine Machbarkeitsstudie zur Nutzung von Pulsaren anstelle von GPS für die Navigation durch. Der Vorteil der Pulsarnavigation bestünde darin, dass mehr Signale zur Verfügung stünden als bei GNSS-Satellitenkonstellation, dass sie aufgrund des breiten Spektrums an verfügbaren Frequenzen nicht gestört werden könnten und dass die Signalquellen vor der Zerstörung durch Antisatellitenwaffen geschützt wären.[12]

Pulsar-Typen für XNAV

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Unter den Pulsaren werden die sog. Millisekundenpulsare als gute Kandidaten für die Raum-Zeit-Referenz erachtet.[13] Insbesondere könnte eine außerirdische Intelligenz wertvolle Informationen mit Hilfe von Millisekunden-Pulsarsignalen kodieren, während Metadaten über XNAV durch Bezugnahme auf Millisekunden-Pulsare kodiert werden könnten.[14] Ebenso wurde postuliert, dass eine fortgeschrittene außerirdische Intelligenz Millisekundenpulsare für die Zwecke der Zeitmessung, Navigation und Kommunikation optimiert oder konstruiert haben könnte.[15]

Literatur

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Einzelnachweise

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  1. ↑ Tushna Commissariat: Pulsars map the way for space missions. Physics World, 4. Juni 2014;.
  2. ↑ An Interplanetary GPS Using Pulsar Signals. MIT Technology Review, 23. Mai 2013, archiviert vom Original am 29. November 2014; abgerufen am 4. Juni 2013.
  3. ↑ Werner Becker, Mike G. Bernhardt, Axel Jessner: Autonomous Spacecraft Navigation With Pulsars. In: Acta Futura. 7. Jahrgang, Nr. 7, 2013, S. 11–28, doi:10.2420/AF07.2013.11, arxiv:1305.4842, bibcode:2013AcFut...7...11B.
  4. ↑ Alexandra Witze: NASA test proves pulsars can function as a celestial GPS. In: Nature. 553. Jahrgang, Nr. 7688, 2018, S. 261–262, doi:10.1038/d41586-018-00478-8, bibcode:2018Natur.553..261W.
  5. ↑ Feasibility study for a spacecraft navigation system relying on pulsar timing information. Advanced Concepts Team;
  6. ↑ DEEP SPACE NAVIGATION WITH PULSARS. ESA, General Studies Programme, archiviert vom Original am 16. März 2017; abgerufen am 18. September 2017.
  7. ↑ a b Gunter Krebs: XPNAV 1. In: Gunter's Space Page. Abgerufen am 1. November 2016.
  8. ↑ Chinese Long March 11 launches first Pulsar Navigation Satellite into Orbit. Spaceflight101.com, 10. November 2016;.
  9. ↑ NICER Manifested on SpaceX-11 ISS Resupply Flight. NASA, 1. Dezember 2015, abgerufen am 14. Juni 2017: „Previously scheduled for a December 2016 launch on SpaceX-12, NICER will now fly to the International Space Station with two other payloads on SpaceX Commercial Resupply Services (CRS)-11, in the Dragon vehicle's unpressurized Trunk.“
  10. ↑ Neutron stars set to open their heavy hearts In: Nature.com, 31. Mai 2017 
  11. ↑ ISS Utilization: NICER/SEXTANT (with updates through 2022). European Space Agency (ESA) Online Portal (eoPortal), 2. Februar 2016;.
  12. ↑ Bauke Stelma: Pulsar navigation: piloting aircraft with the aid of the stars In: ExtremeTech, 8. Juni 2015 
  13. ↑ W. T. III Sullivan: Progress in the search for extraterrestrial life : 1993 Bioastronomy Symposium, Santa Cruz, California, 16-20 August 1993. Astronomical Society of the Pacific, 1993, ISBN 0-937707-93-7, Astrophysical Coding: A New Approach to SETI Signals.
  14. ↑ Clément Vidal.: Pulsar astrophysics : the next fifty years : proceedings of the 337th Symposium of the International Astronomical Union. Cambridge University Press, 2017, ISBN 978-1-107-19253-9, "Millisecond Pulsars as Standards: Timing, Positioning and Communication".
  15. ↑ Clément Vidal: Pulsar positioning system: a quest for evidence of extraterrestrial engineering. In: International Journal of Astrobiology. 18. Jahrgang, Nr. 3, 2017, ISSN 1473-5504, S. 213–234, doi:10.1017/s147355041700043x, arxiv:1704.03316.
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