Ora che la NASA ha mostrato la fattibilità della navigazione autonoma a raggi X nello spazio, un team guidato dall'Osservatorio Astrofisico Smithsonian prevede di includere la tecnologia in una proposta missione CubeSat sulla Luna, e gli ingegneri della NASA stanno ora studiando la possibilità di aggiungere la capacità al futuro veicolo spaziale di esplorazione umana.

L'interesse per questa capacità emergente di guidare i veicoli spaziali fino ai confini del sistema solare arriva pochi mesi dopo che lo scienziato della NASA Keith Gendreau e il suo team presso il Goddard Space Flight Center dell'agenzia a Greenbelt, Maryland, dimostrato con successo la tecnica, comunemente nota come XNAV, con un esperimento chiamato Station Explorer per X-ray Timing and Navigation Technology, o SESTANTE.

La dimostrazione della tecnologia SEXTANT, che lo Space Technology Mission Directorate della NASA aveva finanziato nell'ambito del suo programma Game Changing Development, ha avuto luogo alla fine dell'anno scorso e ha dimostrato che le pulsar al millisecondo potrebbero essere utilizzate per determinare con precisione la posizione di un oggetto che si muove a migliaia di miglia all'ora nello spazio. Queste pulsazioni sono altamente prevedibili, proprio come gli orologi atomici utilizzati per fornire dati temporali sull'onnipresente sistema GPS.

Durante la manifestazione, SEXTANT ha sfruttato i 52 telescopi a raggi X e i rilevatori di deriva al silicio sull'esploratore di composizione interna della stella di neutroni della NASA, o PI PIACEVOLE, per rilevare i raggi X provenienti da quattro bersagli pulsar millisecondi. I dati temporali delle pulsar sono stati inseriti in algoritmi di bordo che hanno generato autonomamente una soluzione di navigazione per la posizione di NICER in orbita attorno alla Terra.

Si prevede che il team effettuerà un'altra dimostrazione XNAV entro la fine della primavera per vedere se può migliorare la già impressionante precisione della tecnologia, ha affermato Jason Mitchell, Project Manager di SEXTANT, che lavora alla Goddard.

Banco di prova di navigazione

In un altro sviluppo che potrebbe ampliare l'uso di XNAV, il team SEXTANT ha recentemente consegnato uno speciale banco di prova al laboratorio di elettro-ottica della divisione aeromeccanica e meccanica del volo presso il Johnson Space Center della NASA a Houston. Il team ha sviluppato l'esclusivo dispositivo da tavolo - a volte descritto come una "pulsar su un tavolo" - per simulare i segnali a bassa intensità ricevuti dalle pulsar. Le misurazioni ottenute da XNAV verranno utilizzate per testare algoritmi in fase di sviluppo per future missioni con equipaggio.

I sensori XNAV completano i sensori di navigazione ottica (OpNav). Insieme, possono fungere da pacchetto di navigazione autonomo per aiutare i veicoli in caso di perdita di comunicazione con il suolo e per alleviare il carico di tracciamento della navigazione sul Deep Space Network della NASA.

Mitchell ha detto che il Lunar Orbital Platform-Gateway della NASA, dove gli astronauti parteciperanno a una varietà di scienze, esplorazione, e attività commerciali in orbita intorno e sulla Luna, potrebbe utilizzare le funzionalità XNAV.

CubeX:caratterizzare la superficie lunare

E in un altro sviluppo, il team SEXTANT sta lavorando con Suzanne Romaine, uno scienziato dell'Osservatorio Astrofisico Smithsonian, e JaeSub Hong, un ricercatore dell'Università di Harvard, per far volare XNAV su una missione CubeSat chiamata CubeX.

"Questa è una spinta per spostare la tecnologia in modalità operativa, " ha detto Mitchell, chi, insieme a Gendreau, è un collaboratore di CubeX. "Questa è una grande opportunità per XNAV e mostra il suo valore per la navigazione nello spazio profondo".

Come attualmente concepito, il piccolo satellite raccoglierebbe i dati temporali dall'elenco delle pulsar al millisecondo SEXTANT utilizzando il telescopio a raggi X in miniatura di CubeX. Un algoritmo di bordo utilizzerebbe quindi i dati per determinare la traiettoria del veicolo spaziale. Il team confronterebbe la soluzione di CubeX con quella fornita dal Deep Space Network della NASA, una capacità di comunicazione e navigazione utilizzata da tutte le missioni della NASA nello spazio profondo.

Dimostrazione di XNAV su un satellite operativo, però, non è l'unico obiettivo della missione.

The other half of its mission will be spent measuring the composition of the Moon's lower crust and upper mantle to understand the origin and evolution of Earth's only natural satellite, which scientists believe may have formed when a huge collision tore off a chunk of Earth.

"There's a lot we don't know about the Moon. Many mysteries remain, " said Hong. A better understanding of the mantle layer could be key to determining how the Moon and the Earth formed. To get this information, CubeX would use a technique called X-ray fluorescence, or XRF.

XRF, which is widely used in science and industry applications, is based on the principle that when individual atoms in sediment, rocce, and other materials are excited by an external energy source—in this case, X-rays emanating from the Sun—they emit their own X-rays that exhibit a characteristic energy or wavelength indicative of a specific element. This can be likened to how fingerprints can identify a specific person.

By capturing these "fluorescing" photons with a miniaturized X-ray optic and then analyzing them with an onboard spectrometer, scientists can discern which elements make up outcrops of the Moon's rocky mantle, which have been exposed by impact craters, and its crust, which overlays the mantle.

The mission would launch no earlier than 2023 to take advantage of the next solar maximum, which would assure a steady bombardment of high-energy X-rays to produce the fluorescence.