Pulsare als GPS der interstellaren Raumfahrt

Die Position von Raumfahrzeugen und ihre Geschwindigkeit wird innerhalb unseres Planetensystems üblicherweise von der Erde aus mittels Antennenanlagen verfolgt und geführt. Mit zunehmender Entfernung nimmt die Messgenauigkeit allerdings ab, während die Laufzeit der Datenkommunikation zwischen Raumschiff und Erde immer größer wird. Insbesondere für interstellare Raumflüge kann die Navigation mithilfe der Pulsare dagegen eine bordeigene und genaue Navigation ermöglichen.

Vela-Pulsar

Vela-Pulsar: Pulsperiode 89 Millisekunden, Entfernung etwa 1000 Lichtjahre, Sternbild Vela, Aufnahme des Röntgen-Weltraumteleskops Chandra. Foto: NASA/CXC/University of Toronto/M. Durant et al.

Pulsare sind ferne Himmelskörper, die weitgehend regelmäßig Strahlungspulse im Frequenzbereich der Radio- und Röntgenstrahlung aussenden. Je nach Pulsar folgen die Pulse im Abstand weniger Sekunden oder einiger Millisekunden aufeinander. Pulsare können daher in der Raumfahrt die Funktion von GPS-Satelliten übernehmen, wenn ihre Positionen und Strahlungscharakteristiken bekannt sind.

Die Position eines Raumschiffs lässt sich ziemlich exakt berechnen, wenn die Ankunftszeiten der Pulse mehrerer bekannter Pulsare bestimmt wird. Die Navigation per Pulsar wurde schon in den 1970er Jahren von Wissenschaftlern vorgeschlagen. Doch erst die Entwicklung kleiner und leichter Röntgendetektoren in neuerer Zeit bring diese Idee ihrer praktischen Umsetzung näher. Im Rahmen des NICER/SEXTANT-Experiments der NASA soll frühestens 2016 an der Internationalen Raumstation unter anderem die Machbarkeit der Pulsar-Navigation praktisch demonstriert werden.

An der staatlichen Forschungsbehörde CSIRO in Australien, der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, wird ebenfalls in dieser Richtung geforscht. Ein Forscherteam hat dort Navigations-Algorithmen und eine detaillierte Simulation für einen Flug zum Mars entwickelt. Als Neuerung haben die Forscher hierbei auch typische Veränderungen der Pulsfolge berücksichtigt, beispielsweise sprunghafte Änderungen der Pulsfrequenz. Auf dieser Basis kann das simulierte Raumschiff seine Position auf etwa 20 km genau bestimmen und seine Geschwindigkeit auf 0,1 m/s genau. Vorausgesetzt wurde dabei, dass die Signale von vier Millisekunden-Pulsaren alle sieben Tage vermessen werden.

Links

X. P. Deng et al.: Interplanetary spacecraft navigation using pulsars, 20 July 2013, accepted by Advances in Space Research
http://arxiv.org/abs/1307.5375

NASA Taps the Power of Zombie Stars in Two-in-One Instrument
http://www.nasa.gov/topics/universe/features/zombie-stars.html

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