Pulsare helfen dabei Positionen im Weltall zu bestimmen

Die NASA hat es geschafft die Position der Internationalen Raumstation (ISS) mit Hilfe der Signale von Pulsaren zu bestimmen. Die neue Technologie bietet Weltraummissionen neue Möglichkeiten und Autonomie bei der Navigation im All…

Die National Aeronautics and Space Administration, den meisten bekannt unter der Abkürzung NASA hat erfolgreich eine neue Möglichkeit zur Navigation im Weltraum getestet. Im Gegensatz zu GNSSystemen wie GPS, Galileo oder GLONASS dienen nicht die Signale verschiedener Satelliten zur Positionsbestimmung sondern die ausgesendete Strahlung verschiedener rotierende Neutronensterne, auch Pulsare genannt, die über das ganze Weltall verteilt sind.

Pulsare senden berechenbare Strahlung aus

Explodiert ein massereicher Stern in einer Supernova entsteht neben einer heißen Gaswolke ein Pulsar. Der Pulsar besteht zum Teil aus den Überresten des Sterns, jedoch ist seine Masse auf eine sehr geringe Größe konzentriert. Die Besonderheit von Pulsaren ist der beibehaltene Drehimpuls, wodurch spezielle Millisekunden-Pulsare nur 1,4 Millisekunden benötigen um sich einmal um die eigene Achse zu drehen. Durch die Abweichung ihrer Magnetfeld-Achse in Relation zur Rotationsachse senden Pulsare in berechenbaren Mustern Strahlung aus. Die Muster sind so präzise, dass sie mit Atomuhren auf der Erde konkurrieren können. Die meisten Pulsare strahlen im Radiofrequenzbereich, manche auch im Röntgenbereich. Trifft diese Strahlung auf die Erde, kann sie ähnlich einem Leuchtturm als wiederkehrendes Signal empfangen werden.

Quelle: Hester et al. X-Ray – NASA/CXC/ASU/J – Die Aufnahme Zeigt einen Pulsar im Zentrum des Krebsnebels – Rot markiert Bereiche des sichtbaren Lichts und Blau zeigt Bereiche mit Röntgenstrahlung.

NICER und SEXTANT verhelfen der ISS zur Positionsbestimmung

Auf der Internationalen Raumstation befindet sich derzeit ein Messinstrument, der so genannte Neutron Star Interior Composition Explorer oder NICER. In Verbindung mit dem Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology oder auch kurz SEXTANT ist es der NASA nun mit Hilfe empfangener Pulsar-Röntgenstrahlung gelungen, die Position der Internationalen Raumstation (ISS) zu bestimmen. Das Experiment liefert den Beweis, dass bereits die Signale von fünf unterschiedlichen Millisekunden-Pulsaren ausreichen, um die Position von Objekten mit einer Genauigkeit von derzeit 3 Meilen relativ exakt zu bestimmen. Die Positionsbestimmung ist offensichtlich selbst möglich, wenn sich das entsprechende Objekt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 27.600 Kilometern pro Stunde fortbewegt (Geschwindigkeit der ISS).

Quelle: NASANICER und SEXTANT angeschlossen an die ISS

Unabhängigkeit vom Deep Space Network

Bisher ist Navigieren in größere Tiefen ins All an ein weltumspannendes Netz von Parabolantennen, dem Deep Space Network (DSN) gebunden. Der Kurs für Raumsonden und Satelliten wird auf der Erde berechnet und anschließend an diese per Radiowellen übertragen. Doch je weiter sich die Empfänger vom erdgebundenen Sendernetz fortbewegen, desto länger dauert die Übertragung der Informationen. Zusätzlich besitzt das DSN nur eine limitierte Bandbreite, dass heißt je mehr Informationen an unterschiedliche Sender gefunkt werden sollen, desto länger dauert der Vorgang. Es gleicht einem WLAN-Netzwerk, indem viele Nutzer bei begrenzter Bandbreite gleichzeitig surfen und sich dadurch die Übertragungsrate für alle verlangsamt. Auch GPS-Signale verlieren zu rasch ihre Stärke sobald sich die potentiellen Empfänger vom nahen Orbit der Erde entfernen.

Quelle: NASA – Deep Space Network Antennen am Standort Madrid, Spanien

NICER soll kleiner, leichter und energiesparender werden

Ebenfalls hinderlich am DSN-Signal ist der Umstand, dass sie die Sonne nicht passieren können. Was von der Erde aus hinter der Sonne liegt ist von den Informationen abgeschirmt. Pulsare gibt es hingegen praktisch überall in ausreichenden Mengen. Schon jetzt lässt diese Form der Navigation die NASA Forscher bereits staunend in die Zukunft blicken. Unbemannte als auch bemannte Forschungsmissionen könnte ihre Navigation autonom durchführen. Die Kommunikation zum Heimatplaneten Erde könnte somit über lange Zeiträume ausbleiben. Jetzt heißt es vor allem die Technik von NICER auf eine verträgliche Größe und Masse zu schrumpfen sowie dessen Energieverbrauch zu reduzieren.

Pulsar-Navigation schon auf der Orion?

Das nächste Ziel der NASA Entwickler ist jedoch erstmal die Software auf der Erde als auch der ISS zu updaten und Feineinstellungen vorzunehmen. Die nächsten Tests stehen für Ende 2018 auf dem Plan. Der Einsatz der Pulsar-Navigationstechnologie wird jetzt schon in NASA’s bemanntem Raumschiff Orion vorgesehen. Mit Orion sollen Menschen tiefer als je zuvor in das Weltall vordringen können.

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