Een nieuw experimenteel type deep space-communicatietechnologie zal dit voorjaar op het internationale ruimtestation worden gedemonstreerd.

Momenteel, NASA vertrouwt op radiogolven om informatie tussen ruimtevaartuigen en de aarde te verzenden. Opkomende lasercommunicatietechnologie biedt hogere gegevenssnelheden waardoor ruimtevaartuigen meer gegevens tegelijk kunnen verzenden. Deze demonstratie omvat röntgencommunicatie, of XCOM, wat nog meer voordelen biedt.

Röntgenstralen hebben veel kortere golflengten dan zowel infrarood als radio. Dit betekent dat, in principe, XCOM kan meer data verzenden voor dezelfde hoeveelheid zendvermogen. De röntgenstralen kunnen in strakkere bundels uitzenden, dus minder energie verbruiken bij het communiceren over grote afstanden.

Indien succesvol, het experiment zou de interesse in de communicatietechnologie kunnen vergroten, wat efficiëntere gigabits-per-seconde datasnelheden voor deep space-missies mogelijk zou kunnen maken. Gigabits per seconde is een gegevensoverdrachtsnelheid gelijk aan een miljard bits, of eenvoudige binaire eenheden, per seconde. Deze extreem hoge gegevensoverdrachtsnelheden zijn momenteel niet gebruikelijk, maar nieuwe onderzoeksprojecten hebben de computercapaciteit voor sommige technologieën naar dit bereik geduwd.

"We hebben lang gewacht om dit vermogen te demonstreren, " zei Jason Mitchell, een ingenieur bij NASA's Goddard Spaceflight Center in Greenbelt, Maryland, die hielpen bij het ontwikkelen van de technologiedemonstratie, die afhankelijk is van een apparaat genaamd de gemoduleerde röntgenbron, of MXS.

"Voor sommige missies, XCOM kan een ondersteunende technologie zijn vanwege de extreme afstanden waar ze moeten opereren, ' zei Mitchel.

Misschien nog dramatischer, tenminste wat de bemande ruimtevaart betreft, Röntgenstralen kunnen de hete plasmamantel doorboren die zich ophoopt als ruimtevaartuigen met hypersonische snelheden door de atmosfeer van de aarde dringen. Het plasma werkt als een schild, het afsnijden van radiofrequentiecommunicatie met alles buiten het voertuig gedurende enkele seconden - een nagelbijtende periode die dramatisch wordt weergegeven in de film, Apollo 13. Niemand heeft ooit röntgenstralen gebruikt in een communicatiesysteem, Hoewel, zodat andere nog niet bedachte toepassingen kunnen ontstaan, zei Mitchell.

"Ons doel voor de nabije toekomst is het vinden van geïnteresseerde partners om deze technologie verder te ontwikkelen, ' zei Mitchel.

Digitale bits coderen

Om deze nieuwe communicatietechnologie te demonstreren, NASA zal de MXS gebruiken om snelvuur-röntgenpulsen te genereren. Geëxploiteerd door een andere door Goddard ontwikkelde computer- en navigatietechnologie genaamd NavCube, MXS wordt vele malen per seconde in- en uitgeschakeld tijdens het coderen van digitale bits voor verzending.

Van de experimentele lading, het MXS-apparaat stuurt vervolgens de gecodeerde gegevens via de gemoduleerde röntgenstralen naar detectoren op de Neutron-star Interior Composition Explorer, of LEUK, die zich op 50 voet afstand bevindt - ongeveer de breedte van een voetbalveld - op het ruimtestation. Op deze manier, NICER wordt de ontvanger van een eenrichtingsröntgensignaal.

Hoewel de eerste XCOM-test de overdracht van GPS-achtige signalen zal omvatten, Mitchell zei dat het team na de eerste poging zou kunnen proberen iets ingewikkelder over te brengen.

"Het is belangrijk dat we een bekende code verzenden die we kunnen identificeren om ervoor te zorgen dat NICER het signaal precies ontvangt zoals we het hebben verzonden, ' zei Mitchel.

Hoewel voornamelijk gebouwd om gegevens te verzamelen over de dichtste objecten in het universum - neutronensterren en hun pulserende nabestaanden, bekend als pulsars - NICER is ook ontworpen om geavanceerde technologie te demonstreren. Naast de XCOM-demonstratie, de missie bewees de effectiviteit van röntgennavigatie in de ruimte, toonde in 2017 aan dat pulsars kunnen worden gebruikt als timingbronnen voor navigatiedoeleinden.

Tijdens die tweedaagse demonstratie, die het NICER-team uitvoerde met een experiment genaamd Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, of SEXTANT, de missie verzamelde 78 metingen van vier milliseconden pulsars. Het team voerde die gegevens in aan boord van algoritmen 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. Binnen acht uur na het starten van het experiment, het systeem kwam samen op een locatie binnen de beoogde 6,2 mijl en bleef de rest van het experiment ruim onder die drempel.

NICER's vermogen om wetenschap uit te voeren en opkomende, revolutionaire technologieën hebben de aandacht getrokken van degenen die NASA's volgende tijdperk van bemande ruimtevluchten plannen. Missies die meerdere functies vervullen, worden nu als een model beschouwd, zei Jake Bleacher, hoofdonderzoekswetenschapper die verantwoordelijk is voor het identificeren van gebieden waar Goddard-wetenschappers menselijke verkenning van de maan en Mars kunnen ondersteunen.

Technologie erfgoed

Het idee om röntgenstralen te gebruiken om te communiceren en te navigeren ontstond meer dan tien jaar geleden toen NICER-hoofdonderzoeker Keith Gendreau begon te werken aan het mogelijk maken van technologieën voor een voorgestelde zwart-gat-imager die gericht was op het direct in beeld brengen van de waarnemingshorizon van een superzwaar zwart gat of het punt van geen terugkeer waar niets - noch deeltjes noch fotonen - kan ontsnappen.

Het idee was om een ​​constellatie van nauwkeurig uitgelijnde ruimtevaartuigen op te richten die in wezen een röntgeninterferometer zouden creëren, een instrument dat wordt gebruikt om verplaatsingen in objecten te meten. Hij kwam op het idee om röntgenbronnen te gebruiken als bakens om zeer nauwkeurige relatieve navigatie mogelijk te maken. Met behulp van onderzoeks- en ontwikkelingsfinanciering, hij ontwikkelde de MXS.

Gendreau redeneerde toen dat als hij röntgenstralen kon moduleren via een modulator, hij kon ook communiceren, waarmee het NICER drie-in-één missieconcept werd geboren.

De XCOM-demonstratie wordt beheerd door NASA's Space Communications and Navigation-programma binnen het directoraat Human Exploration and Operations Mission. NICER is een Astrophysics Mission of Opportunity binnen het Explorers-programma. Het directoraat Space Technology Mission ondersteunt de SEXTANT-component van de missie, demonstratie van op pulsar gebaseerde ruimtevaartuignavigatie.