In una tecnologia prima, un team di ingegneri della NASA ha dimostrato una navigazione a raggi X completamente autonoma nello spazio, una capacità che potrebbe rivoluzionare la capacità della NASA in futuro di pilotare veicoli spaziali robotici fino ai confini del sistema solare e oltre.

La dimostrazione, che il team ha condotto con un esperimento chiamato Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, o SESTANTE, ha mostrato che le pulsar al millisecondo possono essere utilizzate per determinare con precisione la posizione di un oggetto che si muove a migliaia di miglia all'ora nello spazio, in modo simile a come il Global Positioning System, ampiamente noto come GPS, fornisce il posizionamento, navigazione, e servizi di cronometraggio agli utenti sulla Terra con la sua costellazione di 24 satelliti operativi.

"Questa dimostrazione è una svolta per la futura esplorazione dello spazio profondo, " ha affermato il responsabile del progetto SEXTANT Jason Mitchell, un tecnologo aerospaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Come il primo a dimostrare la navigazione a raggi X in modo completamente autonomo e in tempo reale nello spazio, ora stiamo aprendo la strada".

Questa tecnologia fornisce una nuova opzione per la navigazione nello spazio profondo che potrebbe funzionare di concerto con i sistemi radio e ottici basati su veicoli spaziali esistenti.

Anche se potrebbero volerci alcuni anni per maturare un sistema di navigazione a raggi X pratico per l'uso su veicoli spaziali dello spazio profondo, il fatto che gli ingegneri della NASA abbiano dimostrato che potrebbe essere fatto è di buon auspicio per i futuri viaggi spaziali interplanetari. Un tale sistema fornisce una nuova opzione per i veicoli spaziali per determinare autonomamente la loro posizione al di fuori delle reti di navigazione globali attualmente utilizzate sulla Terra perché le pulsar sono accessibili praticamente in ogni regime di volo immaginabile, dalla Terra bassa allo spazio più profondo.

Sfruttare i telescopi NICER

La dimostrazione della tecnologia SEXTANT, che la direzione della missione per la tecnologia spaziale della NASA aveva finanziato nell'ambito del suo programma di cambiamento di gioco, ha sfruttato i 52 telescopi a raggi X e i rilevatori di deriva al silicio che compongono l'esploratore della composizione interna della stella di neutroni della NASA, o PI PIACEVOLE. Dal suo dispiegamento di successo come carico utile esterno collegato sulla Stazione Spaziale Internazionale a giugno, ha puntato la sua ottica su alcuni degli oggetti più insoliti dell'universo.

"Stiamo facendo una scienza molto interessante e stiamo usando la stazione spaziale come piattaforma per eseguire quella scienza, che a sua volta consente la navigazione a raggi X, " ha detto Keith Gendreau di Goddard, il ricercatore principale per NICER, che ha presentato i risultati giovedì, 11 gennaio all'incontro dell'American Astronomical Society a Washington. "La tecnologia aiuterà l'umanità a navigare ed esplorare la galassia".

PI BELLO, un osservatorio delle dimensioni di una lavatrice, attualmente sta studiando le stelle di neutroni e la loro coorte che pulsa rapidamente, chiamate pulsar. Sebbene queste stranezze stellari emettano radiazioni attraverso lo spettro elettromagnetico, l'osservazione nella banda dei raggi X offre le più grandi intuizioni su questi insoliti, oggetti celesti incredibilmente densi, quale, se compresso ulteriormente, collasserebbero completamente in buchi neri. Solo un cucchiaino da tè di materia di stelle di neutroni peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra.

Sebbene NICER stia studiando tutti i tipi di stelle di neutroni, l'esperimento SEXTANT è focalizzato sull'osservazione delle pulsar. Le radiazioni emanate dai loro potenti campi magnetici vengono spazzate via in modo molto simile a un faro. I raggi stretti sono visti come lampi di luce quando attraversano la nostra linea di vista. Con queste pulsazioni prevedibili, le pulsar possono fornire informazioni di temporizzazione ad alta precisione simili ai segnali dell'orologio atomico forniti attraverso il sistema GPS.

Dimostrazione del giorno dei veterani

Nella manifestazione SEXTANT che si è verificata durante le vacanze del Veteran's Day nel 2017, il team SEXTANT ha selezionato quattro bersagli pulsar millisecondi:J0218+4232, B1821-24, J0030+0451, e J0437-4715 e ha ordinato a NICER di orientarsi in modo da poter rilevare i raggi X all'interno dei loro ampi fasci di luce. Le pulsar al millisecondo utilizzate da SEXTANT sono così stabili che i loro tempi di arrivo degli impulsi possono essere previsti con una precisione di microsecondi per anni nel futuro.

Durante l'esperimento di due giorni, il carico utile ha generato 78 misurazioni per ottenere dati di temporizzazione, che l'esperimento SEXTANT ha inserito nei suoi algoritmi di bordo appositamente sviluppati per assemblare autonomamente una soluzione di navigazione che ha rivelato la posizione di NICER nella sua orbita attorno alla Terra come carico utile di una stazione spaziale. Il team ha confrontato quella soluzione con i dati sulla posizione raccolti dal ricevitore GPS integrato di NICER.

"Affinché le misurazioni a bordo siano significative, avevamo bisogno di sviluppare un modello che prevedesse i tempi di arrivo utilizzando osservazioni a terra fornite dai nostri collaboratori ai radiotelescopi di tutto il mondo, " ha detto Paul Ray, un co-investigatore SEXTANT con il Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti. "La differenza tra la misurazione e la previsione del modello è ciò che ci fornisce le nostre informazioni di navigazione".

L'obiettivo era dimostrare che il sistema poteva localizzare PIACEVOLE entro un raggio di 10 miglia mentre la stazione spaziale girava intorno alla Terra a poco più di 17, 500 miglia orarie. Entro otto ore dall'inizio dell'esperimento il 9 novembre, il sistema convergeva in una posizione all'interno dell'intervallo mirato di 10 miglia ed è rimasto ben al di sotto di tale soglia per il resto dell'esperimento, ha detto Mitchell. Infatti, "una buona parte" dei dati ha mostrato posizioni accurate entro tre miglia.

"Questo è stato molto più veloce delle due settimane che abbiamo assegnato per l'esperimento, " ha affermato l'architetto di sistema SEXTANT Luke Winternitz, che lavora alla Goddard. "Avevamo indicazioni che il nostro sistema avrebbe funzionato, ma l'esperimento del fine settimana ha finalmente dimostrato la capacità del sistema di funzionare in modo autonomo".

Sebbene il sistema GPS onnipresente sia preciso a pochi piedi per gli utenti terrestri, questo livello di precisione non è necessario quando si naviga verso i confini del sistema solare dove le distanze tra gli oggetti misurano milioni di miglia. "Nello spazio profondo, speriamo di raggiungere precisioni nelle centinaia di piedi, " ha detto Mitchell.

I prossimi passi e il futuro

Ora che il team ha dimostrato il sistema, Winternitz ha affermato che il team si concentrerà sull'aggiornamento e la messa a punto del software di volo e di terra in preparazione di un secondo esperimento più avanti nel 2018. L'obiettivo finale, che potrebbero volerci anni per realizzare, sarebbe quello di sviluppare rivelatori e altro hardware per rendere la navigazione basata su pulsar prontamente disponibile sui futuri veicoli spaziali. Per far progredire la tecnologia per l'uso operativo, i team si concentreranno sulla riduzione delle dimensioni, il peso, e requisiti di alimentazione e migliorando la sensibilità degli strumenti. Il team di SEXTANT ora sta anche discutendo la possibile applicazione della navigazione a raggi X per supportare il volo spaziale umano, Mitchell ha aggiunto.

Se una missione interplanetaria sulle lune di Giove o Saturno fosse dotata di un tale dispositivo di navigazione, Per esempio, sarebbe in grado di calcolare autonomamente la sua posizione, per lunghi periodi di tempo senza comunicare con la Terra.

Mitchell ha affermato che il GPS non è un'opzione per queste missioni lontane perché il suo segnale si indebolisce rapidamente quando si viaggia oltre la rete satellitare GPS intorno alla Terra.

"Questa dimostrazione di successo stabilisce saldamente la fattibilità della navigazione con pulsar a raggi X come una nuova capacità di navigazione autonoma. Abbiamo dimostrato che una versione matura di questa tecnologia potrebbe migliorare l'esplorazione dello spazio profondo ovunque all'interno del sistema solare e oltre, " Ha detto Mitchell. "Innanzitutto è una tecnologia fantastica".

NICER è una missione di opportunità di astrofisica all'interno del programma Explorers della NASA, che fornisce frequenti opportunità di volo per indagini scientifiche di livello mondiale dallo spazio utilizzando innovative, approcci gestionali snelli ed efficienti all'interno delle aree scientifiche di eliofisica e astrofisica. La direzione della missione per la tecnologia spaziale della NASA finanzia la componente SEXTANT della missione attraverso il suo programma di sviluppo che cambia il gioco.