Un GPS interplanetario che utilizza i segnali Pulsar

Navigare nello spazio è un affare complicato. Il metodo usuale si basa su stazioni di tracciamento basate sulla Terra per calcolare la distanza di un veicolo spaziale utilizzando le onde radio, un processo accurato entro un metro o giù di lì.

Va bene per la distanza radiale, ma tracciare la posizione angolare di un veicolo spaziale è molto più difficile a causa della risoluzione angolare limitata delle antenne radio. L'attuale tecnologia produce un'incertezza di circa quattro chilometri per unità astronomica di distanza tra la Terra e il veicolo spaziale.

Quindi per un veicolo spaziale alla distanza di Plutone, questa è un'incertezza di 200 chilometri e alla distanza di Voyager 1, l'incertezza è di 500 chilometri.

Quindi un modo per i veicoli spaziali di determinare con precisione la propria posizione sarebbe chiaramente utile.

Oggi, Werner Becker dell'Istituto Max-Planck per la fisica extraterrestre in Germania e un paio di amici hanno elaborato i dettagli pratici per un sistema di navigazione spaziale autonomo utilizzando segnali pulsar. Dicono che la tecnologia in fase di sviluppo consentirebbe ai veicoli spaziali di determinare la loro posizione entro cinque chilometri in qualsiasi punto del sistema solare.

L'idea di utilizzare le pulsar per navigare nello spazio risale a diversi decenni. Ma Becker e colleghi affermano che le analisi precedenti sono state ostacolate da una conoscenza limitata delle pulsar e dalla tecnologia relativamente ingombrante disponibile per rilevarle. Entrambe queste cose sono cambiate radicalmente negli ultimi anni.

Innanzitutto, il numero di impulsi noti sta crescendo in modo significativo. Gli astronomi sono a conoscenza di oltre 2.000 pulsar e si prevede che la prossima generazione di osservatori radio ne rivelerà altre decine di migliaia.

L'idea alla base di questo sistema di navigazione interplanetaria è quella di utilizzare i segnali di queste pulsar essenzialmente nello stesso modo in cui utilizziamo i satelliti GPS per navigare sulla Terra. Misurando il tempo di arrivo degli impulsi da almeno tre diverse pulsar e confrontandolo con il loro tempo di arrivo previsto, è possibile calcolare una posizione nello spazio tridimensionale.

(Poiché le pulsar producono un flusso di impulsi identici, è possibile generare un numero qualsiasi di soluzioni ambigue quando si esegue questa operazione. Ma Becker e colleghi sottolineano che queste possono essere eliminate vincolando le soluzioni a un volume finito attorno alla posizione assunta.)

La fattibilità di un tale sistema dipende da una serie di importanti fattori pratici, in gran parte determinati dalla lunghezza d'onda della radiazione pulsar che il sistema di navigazione è progettato per rilevare. Ciò determina l'area di raccolta dell'antenna, il consumo di energia, il peso del sistema di navigazione e, naturalmente, il suo costo.

Becker e colleghi calcolano che per onde di 21 centimetri, il veicolo spaziale richiederebbe un'antenna con un'area di raccolta di 150 metri quadrati.

Ma un'idea migliore, dicono, è quella di utilizzare pulsar che emettono raggi X poiché la tecnologia per raccogliere e focalizzare i raggi X è migliorata notevolmente negli ultimi anni.

Una misura delle prestazioni degli specchi a raggi X è la loro massa. Lo specchio utilizzato nell'Osservatorio a raggi X Chandra lanciato nel 1999 aveva una massa di 18,5 tonnellate per metro quadrato di area di raccolta effettiva. In confronto, le moderne ottiche a micropori in vetro prodotte oggi hanno una massa di soli 25 chilogrammi per la stessa area di raccolta.

Quindi l'ottica a raggi X ha un buon senso per la navigazione con pulsar, affermano Becker e co. Usando i segnali a raggi X delle pulsar al millisecondo abbiamo stimato che la navigazione sarebbe possibile con una precisione di ± 5 km nel sistema solare e oltre, dicono.

Potrebbe non essere necessario avere questa precisione per la maggior parte delle missioni previste a breve termine. Tuttavia Becker e compagni sono ottimisti sul suo potenziale futuro: è chiaro già oggi che questa tecnica di navigazione troverà le sue applicazioni nell'astronautica futura. Come si suol dire, verso l'infinito e oltre...

Rif: arxiv.org/abs/1305.4842 : Navigazione autonoma di veicoli spaziali con pulsar

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