Nu när NASA har visat genomförbarheten av autonom röntgennavigering i rymden, ett team ledd av Smithsonian Astrophysical Observatory planerar att inkludera tekniken i ett föreslaget CubeSat-uppdrag till månen, och NASA-ingenjörer studerar nu möjligheten att lägga till kapaciteten till framtida rymdfarkoster för mänsklig utforskning.

Intresset för denna framväxande förmåga att leda rymdfarkoster till solsystemets avlägsna delar kommer bara månader efter att NASA-forskaren Keith Gendreau och hans team vid byråns Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, demonstrerade framgångsrikt tekniken – allmänt känd som XNAV – med ett experiment som heter Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT.

SEXTANT-teknikdemonstrationen, som NASA:s Space Technology Mission Directorate hade finansierat under sitt Game Changing Development-program, ägde rum i slutet av förra året och visade att millisekundspulsarer kunde användas för att exakt bestämma platsen för ett föremål som rör sig med tusentals miles per timme i rymden. Dessa pulsationer är mycket förutsägbara, ungefär som atomklockorna som används för att tillhandahålla tidsdata på det allestädes närvarande GPS-systemet.

Under demonstrationen, SEXTANT utnyttjade de 52 röntgenteleskopen och kiseldriftdetektorerna på NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer, eller trevligare, för att upptäcka röntgenstrålar från fyra millisekunders pulsarmål. Pulsarernas tidsdata matades in i algoritmer ombord som autonomt genererade en navigeringslösning för platsen för NICER i omloppsbana runt jorden.

Teamet förväntas genomföra ytterligare en XNAV-demonstration senare i vår för att se om den kan förbättra teknikens redan imponerande noggrannhet, sa SEXTANTs projektledare Jason Mitchell, som arbetar på Goddard.

Navigationstestbädd

I en annan utveckling som skulle kunna bredda XNAV:s användning, SEXTANT-teamet levererade nyligen en speciell testbädd till Aeromechanics and Flight Mechanics Divisions Electro-Optics Lab vid NASA:s Johnson Space Center i Houston. Teamet utvecklade den unika bordsskivan - ibland beskriven som en "pulsar på ett bord" - för att simulera de lågstyrka signaler som tas emot från pulsarer. Mätningarna från XNAV kommer att användas för att testa algoritmer som utvecklas för framtida besättningsuppdrag.

XNAV-sensorer kompletterar sensorer för optisk navigering (OpNav). Tillsammans, de kan fungera som ett autonomt navigeringspaket för att hjälpa fordon vid förlust av kommunikation med marken och för att avlasta navigeringsspårningsbördan på NASA:s Deep Space Network.

Mitchell sa att NASA:s Lunar Orbital Platform-Gateway, där astronauter kommer att delta i en mängd olika vetenskaper, utforskning, och kommersiella aktiviteter i omloppsbana runt och på månen, skulle kunna använda XNAV-funktioner.

CubeX:Karakterisera månytan

Och i en annan utveckling, SEXTANT-teamet arbetar med Suzanne Romaine, en forskare vid Smithsonian Astrophysical Observatory, och JaeSub Hong, en forskare vid Harvard University, att flyga XNAV på ett CubeSat-uppdrag som heter CubeX.

"Detta är en push för att flytta tekniken till driftläge, sa Mitchell, WHO, tillsammans med Gendreau, är en CubeX-samarbetspartner. "Det här är en fantastisk möjlighet för XNAV och visar dess värde för att navigera i rymden."

Som för närvarande tänkt, den lilla satelliten skulle samla in tidsdata från listan över SEXTANT millisekundspulsarer med hjälp av CubeX miniatyrröntgenteleskop. En algoritm ombord skulle sedan använda data för att bestämma rymdfarkostens bana. Teamet skulle jämföra CubeXs lösning med den som tillhandahålls av NASAs Deep Space Network, en kommunikations- och navigeringsfunktion som används av alla NASA:s rymduppdrag.

Demonstrera XNAV på en fungerande satellit, dock, är inte uppdragets enda mål.

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, rocks, 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.