Questa primavera sulla Stazione Spaziale Internazionale è prevista la dimostrazione di un nuovo tipo sperimentale di tecnologia di comunicazione nello spazio profondo.

Attualmente, La NASA si affida alle onde radio per inviare informazioni tra i veicoli spaziali e la Terra. La tecnologia di comunicazione laser emergente offre velocità di trasmissione dati più elevate che consentono ai veicoli spaziali di trasmettere più dati alla volta. Questa dimostrazione coinvolge comunicazioni a raggi X, o XCOM, che offre ancora più vantaggi.

I raggi X hanno lunghezze d'onda molto più corte sia dell'infrarosso che della radio. Ciò significa che, in linea di principio, XCOM può inviare più dati per la stessa quantità di potenza di trasmissione. I raggi X possono trasmettere in fasci più stretti, così utilizzando meno energia quando si comunica su grandi distanze.

In caso di successo, l'esperimento potrebbe aumentare l'interesse per la tecnologia delle comunicazioni, che potrebbe consentire velocità di trasmissione dati gigabit al secondo più efficienti per le missioni nello spazio profondo. Gigabit al secondo è una velocità di trasferimento dati equivalente a un miliardo di bit, o semplici unità binarie, al secondo. Queste velocità di trasferimento dati estremamente elevate non sono attualmente comuni, ma nuovi progetti di ricerca hanno spinto la capacità di calcolo verso questa gamma per alcune tecnologie.

"Abbiamo aspettato molto tempo per dimostrare questa capacità, " ha detto Jason Mitchell, un ingegnere del Goddard Spaceflight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che ha contribuito a sviluppare la dimostrazione tecnologica, che si basa su un dispositivo chiamato Sorgente di raggi X modulati, o MXS.

"Per alcune missioni, XCOM può essere una tecnologia abilitante a causa delle distanze estreme in cui devono operare, " ha detto Mitchell.

Forse più drammaticamente, almeno per quanto riguarda il volo spaziale umano, I raggi X possono perforare la guaina di plasma caldo che si accumula mentre i veicoli spaziali attraversano l'atmosfera terrestre a velocità ipersoniche. Il plasma funge da scudo, interrompendo le comunicazioni in radiofrequenza con qualsiasi cosa al di fuori del veicolo per diversi secondi, un periodo di tempo mozzafiato rappresentato in modo drammatico nel film, Apollo 13. Nessuno ha mai usato i raggi X in un sistema di comunicazione, anche se, così potrebbero emergere altre applicazioni non ancora concepite, ha detto Mitchell.

"Il nostro obiettivo per l'immediato futuro è trovare partner interessati che aiutino a sviluppare ulteriormente questa tecnologia, " ha detto Mitchell.

Codifica di bit digitali

Per dimostrare questa nuova tecnologia di comunicazione, La NASA utilizzerà l'MXS per generare impulsi a raggi X a fuoco rapido. Gestito da un'altra tecnologia di navigazione e calcolo sviluppata da Goddard chiamata NavCube, MXS si accende e si spegne molte volte al secondo durante la codifica dei bit digitali per la trasmissione.

Dal carico sperimentale, il dispositivo MXS invierà quindi i dati codificati tramite i raggi X modulati ai rivelatori sull'esploratore della composizione interna della stella di neutroni, o PI PIACEVOLE, che si trova a 50 metri di distanza, circa la larghezza di un campo da calcio, sulla stazione spaziale. In questo modo, NICER diventa il ricevitore di un segnale radiografico unidirezionale.

Sebbene il primo test XCOM riguarderà la trasmissione di segnali di tipo GPS, Mitchell ha detto che il team potrebbe tentare di trasmettere qualcosa di più complicato dopo il tentativo iniziale.

"È importante trasmettere un codice noto che possiamo identificare per assicurarci che NICER riceva il segnale esattamente nel modo in cui lo abbiamo inviato, " ha detto Mitchell.

Sebbene costruito principalmente per raccogliere dati sugli oggetti più densi dell'universo:le stelle di neutroni e i loro parenti prossimi pulsanti, noto come pulsar, NICER è stato progettato anche per dimostrare la tecnologia avanzata. Oltre alla dimostrazione XCOM, la missione ha dimostrato l'efficacia della navigazione a raggi X nello spazio, mostrando nel 2017 che le pulsar potrebbero essere utilizzate come fonti di temporizzazione per scopi di navigazione.

Durante quella manifestazione di due giorni, che il team NICER ha realizzato con un esperimento chiamato Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, o SESTANTE, la missione ha raccolto 78 misurazioni da quattro pulsar al millisecondo. Il team ha inserito questi dati negli algoritmi di bordo per unire 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. Entro otto ore dall'inizio dell'esperimento, il sistema è convergente in una posizione entro le 6,2 miglia mirate ed è rimasto ben al di sotto di tale soglia per il resto dell'esperimento.

La capacità di NICER di svolgere attività scientifica e dimostrare l'emergere, tecnologie rivoluzionarie hanno catturato l'attenzione di coloro che pianificano la prossima era di voli spaziali umani della NASA. Le missioni che svolgono più funzioni sono ora considerate un modello, disse Jake Bleacher, capo scienziato di esplorazione responsabile dell'identificazione delle aree in cui gli scienziati di Goddard possono supportare l'esplorazione umana della Luna e di Marte.

Patrimonio tecnologico

L'idea di utilizzare i raggi X per comunicare e navigare è nata più di dieci anni fa, quando il Principal Investigator Keith Gendreau di NICER ha iniziato a lavorare sulle tecnologie abilitanti per un proposto imager di buchi neri finalizzato all'imaging diretto dell'orizzonte degli eventi di un buco nero supermassiccio o del punto di nessun ritorno dove nulla, né particelle né fotoni, può sfuggire.

L'idea era quella di stabilire una costellazione di veicoli spaziali allineati con precisione che in sostanza avrebbero creato un interferometro a raggi X, uno strumento utilizzato per misurare gli spostamenti negli oggetti. Ha concepito l'idea di utilizzare sorgenti di raggi X come beacon per consentire una navigazione relativa altamente precisa. Utilizzando i fondi per la ricerca e lo sviluppo, ha sviluppato l'MXS.

Gendreau quindi pensò che se poteva modulare i raggi X attraverso un modulatore, poteva anche comunicare, dando vita così al concetto di missione tre in uno NICER.

La dimostrazione XCOM è gestita dal programma Space Communications and Navigation della NASA all'interno della Human Exploration and Operations Mission Directorate. NICER è una missione di opportunità di astrofisica all'interno del programma Explorers. La Space Technology Mission Directorate supporta la componente SEXTANT della missione, dimostrando la navigazione di veicoli spaziali basati su pulsar.