Vår GPS -satellitkonstellation är stor men begränsad. Foto med tillstånd av USA:s försvarsdepartement DONNERPARTY ANVÄNDER I CALIFORNIEN, KRÄVAR RÄTTSIGT VÄDER OCH SÄKERA RESOR
Detta kunde ha varit en rubrik som skrevs hösten 1846 om George och Jacob Donner hade tillgång till Global Positioning System, en mycket exakt navigeringsteknik som förlitar sig på signaler från en rad satelliter som kretsar runt 12, 500 miles (20, 200 kilometer) över jordens yta [källa:GPS.gov]. Tyvärr för bröderna Donner och deras ödesdigra band av pionjärer, GPS skulle kräva ytterligare 100 års FoU, låter dem hitta sin väg till Kalifornien med hjälp av kompasser, kartor och dåliga råd. I slutet, deras långa resa förvandlades till en krånglig mardröm. De blev snöbundna i Sierra Nevada -bergen, där många i deras sällskap dog innan räddare kunde nå dem under våren.
Utforskare av rymdfärd kan möta liknande tragedier om de inte kan hitta en pålitlig metod för att orientera sig när de reser till avlägsna planeter och, kanske, avlägsna stjärnor. GPS verkar vara den logiska kandidaten för sådana strävanden, men systemet fungerar bara om din resa är begränsad till jordiska destinationer. Det beror på att de 24 satelliter som utgör GPS -konstellationen överför sina signaler mot jorden. Om du befinner dig under satelliterna och har en mottagare som kan upptäcka signalerna, du kan på ett tillförlitligt sätt bestämma din plats. Kryssning längs planetens yta? Du är bra att gå. Flyger du i jordbana med låg jord (LEO)? Du är täckt. Satsa över LEO, dock, och din praktiska GPS -mottagare kommer snabbt att befinna sig ovanför satellitkonstellationen och, som ett resultat, inte längre kunna spela in en signal. Sagt på ett annat sätt:GPS -satelliter sänder bara ner, inte upp.
Det betyder inte att uppdrag till destinationer bortom jorden måste flyga blinda. Nuvarande navigeringstekniker använder ett nätverk av jordbundna spårningsstationer som tittar upp och ut i rymden. När en raket lämnar vår planet för Mars, Jupiter eller längre bort, markbesättningar strålar radiovågor från spårningsstationerna ut till fartyget. Dessa vågor studsar av båten och återvänder till jorden, där instrument mäter den tid det tog vågorna att göra resan och skiftet i frekvens orsakad av Doppler -effekten. Med hjälp av denna information, markbesättningar kan beräkna raketens position i rymden.
Tänk dig nu att du vill resa till solsystemets yttre delar. När ditt rymdfarkoster når Pluto, du blir 3, 673, 500, 000 miles (5,9 miljarder kilometer) från jorden. En radiosignal som skickas av en spårningsstation skulle ta 5,5 timmar att nå dig och sedan ytterligare 5,5 timmar att resa tillbaka (förutsatt att vågorna färdades med ljusets hastighet), vilket gör det svårare att hitta din exakta plats. Res ännu längre, och noggrannheten i jordbundna spårningssystem sjunker ännu mer. Klart, en bättre lösning skulle vara att placera ett navigationsinstrument på rymdfarkosten så att den kan beräkna sin position oberoende. Det är där pulsar navigation , en innovation av NASA:s Goddard Space Flight Center, kommer in.
GPS använder exakta mätningar av tid för att göra beräkningar. Varje GPS -satellit innehåller en atomur, och dess tid synkroniseras med en mottagares. En mottagare kan beräkna avståndet till satelliten genom att multiplicera tiden det tar satellitens signal att nå mottagaren med signalens hastighet, vilket är ljusets hastighet. Om det tar 0,07 sekunder för signalen från en satellit att nå mottagaren, då är satellitens räckvidd 13, 020 miles (186, 000 miles per sekund × 0,07 sekunder).
En raket kan göra liknande beräkningar om den kan ta emot tidssignaler som sänds ut av något ute i rymden. Som tur skulle ha det, universum innehåller mer än några mycket noggranna tidtagningsenheter. De är kända som pulsarer - snabbt roterande neutronstjärnor som avger regelbundna pulser av elektromagnetisk strålning. Vid ett tillfälle i sitt liv, en pulsar levde stor och brann ljus. Sedan förbrukade den sitt kärnbränsle och dog i en massiv explosion. Produkten av den explosionen var en snabbt snurrande, starkt magnetiserat föremål vars poler avgav kraftfulla energistrålar. Nu, som den döda stjärnan snurrar, strålarna sveper runt, ungefär som fyren för en fyr. En observatör på jorden kan inte se själva stjärnan, men han kan se ljusets pulser som strömmar genom rymden.
Vissa pulsarer blinkar på och av med några sekunders mellanrum; andra blinkar mycket snabbare. Hur som helst, de pulsar alltid med en konstant frekvens, vilket gör dem användbara för att hålla tid. Faktiskt, som tidtagningsanordningar, pulsarer konkurrerar med atomur när det gäller deras precision. År 1974, en forskare vid Jet Propulsion Laboratory - G.S. Downs - föreslog först tanken att använda pulsarer för att hjälpa rymdfarkoster att navigera genom kosmos. Konceptet förblev på papper eftersom forskare fortfarande inte visste tillräckligt om de gåtfulla stjärnorna och eftersom de enda tillgängliga instrumenten för att upptäcka pulsarer - radioteleskop - var enorma.
Över åren, fältet avancerade. Astronomer fortsatte att upptäcka pulsarer och studera deras beteende. 1982, till exempel, forskare upptäckte de första millisekundpulsarna, som har perioder på mindre än 20 millisekunder. Och 1983, de fann att vissa millisekunder pulsarer avgav starka röntgensignaler. Allt detta arbete gjorde det möjligt att flytta pulsarnavigering från papper till praktik.
Denna konstnärs återgivning visar NICER/SEXTANT nyttolast. 56-teleskopets nyttolast kommer att flyga på den internationella rymdstationen. Bild med tillstånd av NASA Även om den GPS vi använder på jorden inte är till hjälp för interplanetära resor, dess principer gäller för andra navigationssystem. Faktiskt, använda pulsarer för att orientera dig i solsystemet liknar jordbunden GPS på många sätt:
Det sista hindret, självklart, testar teorin för att se om den håller. Det kommer att vara ett av huvudmålen för NASA:s NICER/SEXTANT -uppdrag. NICER/SEXTANT står för Neutronstjärna Interiörkomposition Explorer/Station Explorer för röntgentiming och navigeringsteknik , som beskriver ett instrument bestående av 56 röntgenteleskop buntade ihop i en minikylskåpstorlek [källa:NASA]. Planerad att flyga på den internationella rymdstationen 2017, instrumentet kommer att göra två saker:studera neutronstjärnor för att lära sig mer om dem och fungera som ett bevis på konceptet för pulsarnavigering.
Om NICER/SEXTANT -uppdraget är framgångsrikt, vi kommer ett steg närmare autonom interplanetarisk navigering. Och kanske har vi tekniken på plats för att undvika en Donner-liknande katastrof i yttre rymden. Att gå vilse vid kanten av solsystemet, miljarder mil från jorden, verkar lite mer skrämmande än att vandra utanför misshandlad vägen på väg till Kalifornien.
Kom ihåg "Lost in Space, "det läckra sci-fi-tv-programmet som sändes i slutet av 1960-talet? Jag såg det i repriser under 70-talet och älskade varje minut av det. Det verkade lite coolt att gå vilse i rymden då. Nu, med lite perspektiv, det verkar helt skrämmande. Om pulsarnavigering blir verklighet, åtminstone den aspekten av rymdfärd - att hitta rätt - blir mindre skrämmande.
