In een technologie primeur, een team van NASA-ingenieurs heeft volledig autonome röntgennavigatie in de ruimte gedemonstreerd - een vermogen dat in de toekomst een revolutie teweeg kan brengen in het vermogen van NASA om robotachtige ruimtevaartuigen naar de verre uithoeken van het zonnestelsel en daarbuiten te sturen.

De demonstratie, die het team uitvoerde met een experiment genaamd Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, of SEXTANT, toonde aan dat millisecondenpulsars kunnen worden gebruikt om nauwkeurig de locatie te bepalen van een object dat met duizenden mijlen per uur in de ruimte beweegt - vergelijkbaar met hoe het Global Positioning System, algemeen bekend als GPS, zorgt voor positionering, navigatie, en timingdiensten aan gebruikers op aarde met zijn constellatie van 24 werkende satellieten.

"Deze demonstratie is een doorbraak voor toekomstige verkenning van de diepe ruimte, " zei SEXTANT-projectmanager Jason Mitchell, een ruimtevaarttechnoloog bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Als eerste die röntgennavigatie volledig autonoom en in realtime in de ruimte demonstreerde, we lopen nu voorop."

Deze technologie biedt een nieuwe optie voor navigatie in de diepe ruimte die zou kunnen samenwerken met bestaande op ruimtevaartuigen gebaseerde radio- en optische systemen.

Hoewel het een paar jaar kan duren om een ​​röntgennavigatiesysteem te ontwikkelen dat praktisch is voor gebruik op diepe ruimtevaartuigen, het feit dat NASA-ingenieurs hebben bewezen dat het kan, is een goed voorteken voor toekomstige interplanetaire ruimtereizen. Een dergelijk systeem biedt een nieuwe mogelijkheid voor ruimtevaartuigen om autonoom hun locaties te bepalen buiten de momenteel gebruikte aardse wereldwijde navigatienetwerken, omdat pulsars toegankelijk zijn in vrijwel elk denkbaar vluchtregime, van de laagste aarde tot de diepste ruimte.

NICER-telescopen benutten

De SEXTANT technologie demonstratie, die NASA's Space Technology Mission Directorate had gefinancierd in het kader van zijn Game Changing Program, profiteerde van de 52 röntgentelescopen en siliciumdriftdetectoren die deel uitmaken van NASA's Neutron-star Interior Composition Explorer, of LEUK. Sinds de succesvolle inzet als externe bijgevoegde lading op het internationale ruimtestation in juni, het heeft zijn optica getraind op enkele van de meest ongewone objecten in het universum.

"We doen heel coole wetenschap en gebruiken het ruimtestation als platform om die wetenschap uit te voeren, die op zijn beurt röntgennavigatie mogelijk maakt, " zei Keith Gendreau van Goddard, de hoofdonderzoeker voor NICER, die de bevindingen donderdag presenteerde, 11 januari op de bijeenkomst van de American Astronomical Society in Washington. "De technologie zal de mensheid helpen bij het navigeren en verkennen van de melkweg."

LEUK, een observatorium ter grootte van een wasmachine, bestudeert momenteel neutronensterren en hun snel pulserende cohort, pulsars genoemd. Hoewel deze stellaire eigenaardigheden straling uitzenden over het elektromagnetische spectrum, observeren in de röntgenband biedt de beste inzichten in deze ongewone, ongelooflijk dichte hemellichamen, die, indien verder gecomprimeerd, volledig zou instorten in zwarte gaten. Slechts één theelepel neutronenstermaterie zou op aarde een miljard ton wegen.

Hoewel NICER alle soorten neutronensterren bestudeert, het SEXTANT-experiment is gericht op observaties van pulsars. Straling die afkomstig is van hun krachtige magnetische velden wordt rondgeslingerd als een vuurtoren. De smalle bundels worden gezien als lichtflitsen wanneer ze over onze gezichtslijn strijken. Met deze voorspelbare pulsaties, pulsars kunnen zeer nauwkeurige timinginformatie leveren, vergelijkbaar met de atoomkloksignalen die door het GPS-systeem worden geleverd.

Veteranendag demonstratie

In de SEXTANT-demonstratie die plaatsvond tijdens de Veteran's Day-vakantie in 2017, het SEXTANT-team selecteerde pulsardoelen van vier milliseconden:J0218+4232, B1821-24, J0030+0451, en J0437-4715 - en gaf NICER opdracht om zichzelf te oriënteren zodat het röntgenstralen kon detecteren in hun vegende lichtstralen. De millisecondenpulsars die door SEXTANT worden gebruikt, zijn zo stabiel dat hun pulsaankomsttijden nog jaren in de toekomst tot op microseconden nauwkeurig kunnen worden voorspeld.

Tijdens het tweedaagse experiment de payload genereerde 78 metingen om timinggegevens te krijgen, die het SEXTANT-experiment invoerde in de speciaal ontwikkelde algoritmen aan boord om autonoom een ​​navigatieoplossing samen te voegen die de locatie van NICER in zijn baan rond de aarde onthulde als een nuttige lading van een ruimtestation. Het team vergeleek die oplossing met locatiegegevens verzameld door NICER's ingebouwde GPS-ontvanger.

"Om ervoor te zorgen dat de metingen aan boord zinvol zijn, we moesten een model ontwikkelen dat de aankomsttijden voorspelde met behulp van grondobservaties van onze medewerkers bij radiotelescopen over de hele wereld, " zei Paul Ray, een SEXTANT mede-onderzoeker met het U.S. Naval Research Laboratory. "Het verschil tussen de meting en de modelvoorspelling is wat ons onze navigatie-informatie geeft."

Het doel was om aan te tonen dat het systeem NICER binnen een straal van 10 mijl kon lokaliseren terwijl het ruimtestation met iets meer dan 17, 500 km/u. Binnen acht uur na het starten van het experiment op 9 november het systeem convergeerde op een locatie binnen het beoogde bereik van 10 mijl en bleef de rest van het experiment ruim onder die drempel, zei Mitchell. In feite, "een groot deel" van de gegevens toonde posities die tot op drie mijl nauwkeurig waren.

"Dit was veel sneller dan de twee weken die we voor het experiment hadden toegewezen, " zei SEXTANT Systeemarchitect Luke Winternitz, die bij Goddard werkt. "We hadden aanwijzingen dat ons systeem zou werken, maar het weekendexperiment toonde eindelijk het vermogen van het systeem om autonoom te werken."

Hoewel het alom gebruikte GPS-systeem voor aardgebonden gebruikers tot op een paar meter nauwkeurig is, dit nauwkeurigheidsniveau is niet nodig bij het navigeren naar de verre uithoeken van het zonnestelsel, waar de afstanden tussen objecten in de miljoenen mijlen lopen. "In de diepe ruimte, we hopen nauwkeurigheid te bereiken in de honderden meters, ' zei Mitchel.

Volgende stappen en de toekomst

Nu het team het systeem heeft gedemonstreerd, Winternitz zei dat het team zich zal concentreren op het updaten en verfijnen van zowel vlieg- als grondsoftware ter voorbereiding op een tweede experiment later in 2018. Het uiteindelijke doel, wat jaren kan duren om te realiseren, zou zijn om detectoren en andere hardware te ontwikkelen om op pulsar gebaseerde navigatie direct beschikbaar te maken op toekomstige ruimtevaartuigen. Om de technologie voor operationeel gebruik vooruit te helpen, teams zullen zich richten op het verkleinen, gewicht, en stroomvereisten en verbetering van de gevoeligheid van de instrumenten. Het SEXTANT-team bespreekt nu ook de mogelijke toepassing van röntgennavigatie ter ondersteuning van bemande ruimtevluchten, voegde Mitchell eraan toe.

Als een interplanetaire missie naar de manen van Jupiter of Saturnus was uitgerust met een dergelijk navigatieapparaat, bijvoorbeeld, het zou zijn locatie autonoom kunnen berekenen, lange tijd zonder met de aarde te communiceren.

Mitchell zei dat GPS geen optie is voor deze verre missies omdat het signaal snel zwakker wordt als men voorbij het GPS-satellietnetwerk rond de aarde reist.

"Deze succesvolle demonstratie bevestigt de levensvatbaarheid van röntgenpulsar-navigatie als een nieuwe autonome navigatiemogelijkheid. We hebben aangetoond dat een volwassen versie van deze technologie de verkenning van de diepe ruimte overal in het zonnestelsel en daarbuiten kan verbeteren, "Zei Mitchell. "Het is eerst een geweldige technologie."

NICER is een Astrophysics Mission of Opportunity binnen NASA's Explorers-programma, die frequente vluchtmogelijkheden biedt voor wetenschappelijk onderzoek van wereldklasse vanuit de ruimte met behulp van innovatieve, gestroomlijnde en efficiënte managementbenaderingen binnen de wetenschapsgebieden van de heliofysica en astrofysica. NASA's Space Technology Mission Directorate financiert de SEXTANT-component van de missie via zijn Game Changing Development Program.