La nostra costellazione di satelliti GPS è fantastica ma limitata. Foto per gentile concessione del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti DONNER PARTY ARRIVA IN CALIFORNIA, RICHIEDERE METEO GIUSTO E VIAGGI SICURI
Questo avrebbe potuto essere un titolo scritto nell'autunno del 1846 se George e Jacob Donner avessero avuto accesso al Global Positioning System, una tecnologia di navigazione altamente accurata che si basa su segnali provenienti da una serie di satelliti in orbita intorno a 12, 500 miglia (20, 200 chilometri) sopra la superficie terrestre [fonte:GPS.gov]. Sfortunatamente per i fratelli Donner e la loro sfortunata banda di pionieri, Il GPS richiederebbe altri 100 anni di ricerca e sviluppo, lasciandoli a trovare la strada per la California usando le bussole, mappe e cattivi consigli. Alla fine, il loro lungo viaggio si trasformò in un tortuoso incubo. Sono diventati innevati nelle montagne della Sierra Nevada, dove molti del loro gruppo sono morti prima che i soccorritori potessero raggiungerli in primavera.
Gli esploratori spaziali possono affrontare tragedie simili se non riescono a trovare un metodo affidabile per orientarsi mentre viaggiano verso pianeti lontani e, forse, stelle lontane. Il GPS sembra il candidato logico per tali sforzi, ma il sistema funziona solo se il tuo viaggio è limitato a destinazioni terrestri. Questo perché i 24 satelliti che compongono la "costellazione" GPS trasmettono i loro segnali verso la Terra. Se ti trovi al di sotto dei satelliti e disponi di un ricevitore in grado di rilevare i segnali, puoi determinare in modo affidabile la tua posizione. Navigare lungo la superficie del pianeta? Sei a posto. Volare in orbita terrestre bassa (LEO)? Sei coperto. Avventurati sopra LEO, però, e il tuo pratico ricevitore GPS si troverà rapidamente sopra la costellazione del satellite e, di conseguenza, non essere più in grado di registrare un segnale. In altre parole:i satelliti GPS trasmettono solo verso il basso, no sopra.
Questo non significa che le missioni verso destinazioni oltre la Terra debbano volare alla cieca. Le attuali tecniche di navigazione utilizzano una rete di stazioni di rilevamento terrestri che guardano in alto e nello spazio. Quando un razzo lascia il nostro pianeta per Marte, Giove o oltre, le squadre di terra trasmettono onde radio dalle stazioni di rilevamento alla nave. Quelle onde rimbalzano sull'astronave e tornano sulla Terra, dove gli strumenti misurano il tempo impiegato dalle onde per compiere il viaggio e lo spostamento di frequenza causato dall'effetto Doppler. Utilizzando queste informazioni, gli equipaggi di terra possono calcolare la posizione del razzo nello spazio.
Ora immagina di voler viaggiare fino ai confini esterni del sistema solare. Quando la tua navicella raggiunge Plutone, avrai 3 anni, 673, 500, 000 miglia (5,9 miliardi di chilometri) di distanza dalla Terra. Un segnale radio inviato da una stazione di tracciamento impiegherebbe 5,5 ore per raggiungerti e poi altre 5,5 ore per tornare indietro (supponendo che le onde viaggiassero alla velocità della luce), rendendo più difficile individuare la tua posizione esatta. Viaggia ancora più lontano, e l'accuratezza dei sistemi di tracciamento terrestre diminuisce ancora di più. Chiaramente, una soluzione migliore sarebbe quella di posizionare uno strumento di navigazione sul veicolo spaziale in modo che possa calcolare la sua posizione in modo indipendente. ecco dove navigazione pulsar , un'innovazione del Goddard Space Flight Center della NASA, entra.
Il GPS utilizza misurazioni precise del tempo per effettuare calcoli. Ogni satellite GPS contiene un orologio atomico, e il suo tempo è sincronizzato con quello di un ricevitore. Un ricevitore può calcolare la distanza dal satellite moltiplicando il tempo impiegato dal segnale del satellite per raggiungere il ricevitore per la velocità del segnale, che è la velocità della luce. Se il segnale di un satellite impiega 0,07 secondi per raggiungere il ricevitore, allora la portata del satellite è 13, 020 miglia (186, 000 miglia al secondo × 0,07 secondi).
Un razzo potrebbe fare calcoli simili se potesse ricevere segnali temporali emessi da qualcosa nello spazio. Per fortuna, l'universo contiene più di pochi dispositivi di misurazione del tempo estremamente precisi. Sono conosciuti come pulsar -- stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono impulsi regolari di radiazione elettromagnetica. Ad un certo punto della sua vita, una pulsar viveva grande e ardeva luminosa. Poi ha esaurito il suo combustibile nucleare ed è morto in una massiccia esplosione. Il prodotto di quell'esplosione fu una rapida rotazione, oggetto altamente magnetizzato i cui poli emettevano potenti raggi di energia. Ora, mentre la stella morta gira, i raggi si muovono intorno, molto simile al faro di un faro. Un osservatore sulla Terra non può vedere la stella stessa, ma può vedere gli impulsi di luce che fluiscono attraverso lo spazio.
Alcune pulsar si accendono e si spengono ogni pochi secondi; altri lampeggiano molto più rapidamente. In entrambi i casi, pulsano sempre con una frequenza costante, che li rende utili per tenere il tempo. Infatti, come dispositivi di cronometraggio, le pulsar rivaleggiano con gli orologi atomici in termini di precisione. Nel 1974, uno scienziato del Jet Propulsion Laboratory - G.S. Downs - ha proposto per primo l'idea di utilizzare le pulsar per aiutare i veicoli spaziali a navigare nel cosmo. Il concetto è rimasto sulla carta perché gli scienziati non ne sapevano ancora abbastanza delle stelle enigmatiche e perché gli unici strumenti disponibili per rilevare le pulsar, i radiotelescopi, erano enormi.
Negli anni, il campo avanzato. Gli astronomi hanno continuato a scoprire le pulsar ea studiarne il comportamento. Nel 1982, Per esempio, gli scienziati hanno scoperto le prime pulsar al millisecondo, che hanno periodi inferiori a 20 millisecondi. E nel 1983, hanno scoperto che alcune pulsar al millisecondo emettevano forti segnali di raggi X. Tutto questo lavoro ha permesso di spostare la navigazione pulsar dalla carta alla pratica.
L'interpretazione di questo artista mostra il payload PIACEVOLE/SESTANTE. Il carico utile di 56 telescopi volerà sulla Stazione Spaziale Internazionale. Immagine per gentile concessione della NASA Sebbene il GPS che usiamo sulla Terra non sia utile per i viaggi interplanetari, i suoi principi si applicano ad altri sistemi di navigazione. Infatti, usare le pulsar per orientarsi nel sistema solare assomiglia al GPS terrestre in molti modi:
L'ultimo ostacolo, Certo, sta testando la teoria per vedere se regge. Questo sarà uno degli obiettivi chiave della missione NICER/SEXTANT della NASA. PI BELLO/SESTANTE sta per Esploratore della composizione interna della stella di neutroni/Esploratore della stazione per la tecnologia di temporizzazione e navigazione dei raggi X , che descrive uno strumento composto da 56 telescopi a raggi X raggruppati in un array delle dimensioni di un mini frigorifero [fonte:NASA]. Previsto per volare sulla Stazione Spaziale Internazionale nel 2017, lo strumento farà due cose:studierà le stelle di neutroni per saperne di più su di esse e servirà come prova di concetto per la navigazione delle pulsar.
Se la missione PIACEVOLE/SESTANTE ha successo, saremo un passo più vicini alla navigazione interplanetaria autonoma. E forse avremo la tecnologia in atto per evitare un disastro simile a Donner nello spazio. Perdersi ai margini del sistema solare, miliardi di miglia dalla Terra, sembra un po' più spaventoso che vagare fuori dai sentieri battuti sulla strada per la California.
Ricorda "Perso nello spazio, " lo sgargiante programma televisivo di fantascienza andato in onda alla fine degli anni '60? L'ho guardato in repliche durante gli anni '70 e ne ho adorato ogni minuto. All'epoca sembrava bello perdersi nello spazio. Ora, con una certa prospettiva, sembra assolutamente terrificante. Se la navigazione pulsar diventa una realtà, almeno quell'aspetto del volo spaziale – trovare la tua strada – diventerà meno intimidatorio.
