En ny experimentell typ av djuprymdkommunikationsteknik är planerad att demonstreras på den internationella rymdstationen i vår.

För närvarande, NASA förlitar sig på radiovågor för att skicka information mellan rymdfarkoster och jorden. Framväxande laserkommunikationsteknik erbjuder högre datahastigheter som låter rymdfarkoster sända mer data åt gången. Denna demonstration involverar röntgenkommunikation, eller XCOM, vilket ger ännu fler fördelar.

Röntgenstrålar har mycket kortare våglängder än både infraröd och radio. Detta innebär att, i princip, XCOM kan skicka mer data för samma mängd överföringseffekt. Röntgenstrålar kan sändas i snävare strålar, använder alltså mindre energi när man kommunicerar över stora avstånd.

Om det lyckas, experimentet kan öka intresset för kommunikationsteknik, vilket skulle kunna tillåta effektivare gigabits-per-sekund datahastigheter för djupa rymduppdrag. Gigabit per sekund är en dataöverföringshastighet motsvarande en miljard bitar, eller enkla binära enheter, per sekund. Dessa extremt höga hastigheter för dataöverföring är för närvarande inte vanliga, men nya forskningsprojekt har drivit beräkningskapaciteten mot detta intervall för vissa tekniker.

"Vi har väntat länge på att visa denna förmåga, sa Jason Mitchell, en ingenjör vid NASA:s Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland, som hjälpte till att utveckla teknikdemonstrationen, som förlitar sig på en enhet som kallas Modulated X-ray Source, eller MXS.

"För vissa uppdrag, XCOM kan vara en möjliggörande teknik på grund av de extrema avstånden där de måste fungera, " sa Mitchell.

Kanske mer dramatiskt, åtminstone när det gäller mänsklig rymdfärd, Röntgenstrålar kan tränga igenom det heta plasmahöljet som byggs upp som rymdfarkoster som tränger igenom jordens atmosfär i hypersoniska hastigheter. Plasma fungerar som en sköld, att stänga av radiofrekvenskommunikation med allt utanför fordonet i flera sekunder – en tidsperiod som dramatiskt skildras i filmen, Apollo 13. Ingen har någonsin använt röntgenstrålar i ett kommunikationssystem, fastän, så att andra applikationer som ännu inte är tänkta kan dyka upp, sa Mitchell.

"Vårt mål för den närmaste framtiden är att hitta intresserade partners för att hjälpa till att vidareutveckla denna teknik, " sa Mitchell.

Kodning av digitala bitar

För att demonstrera denna nya kommunikationsteknik, NASA kommer att använda MXS för att generera snabbavfyrande röntgenpulser. Drivs av en annan Goddard-utvecklad dator- och navigeringsteknik som heter NavCube, MXS slås på och av många gånger per sekund medan digitala bitar kodas för överföring.

Från den experimentella nyttolasten, MXS-enheten skickar sedan kodade data via de modulerade röntgenstrålarna till detektorer på Neutron-star Interior Composition Explorer, eller trevligare, som ligger 165 fot bort - ungefär lika bred som en fotbollsplan - på rymdstationen. På det här sättet, NICER blir mottagare av en enkelriktad röntgensignal.

Även om det första XCOM-testet kommer att involvera överföring av GPS-liknande signaler, Mitchell sa att laget kan försöka sända något mer komplicerat efter det första försöket.

"Det är viktigt att vi sänder en känd kod som vi kan identifiera för att säkerställa att NICER tar emot signalen exakt som vi skickade den, " sa Mitchell.

Även om de främst är byggda för att samla in data om de tätaste objekten i universum – neutronstjärnor och deras pulserande anhöriga, känd som pulsarer—NICER designades också för att demonstrera avancerad teknik. Förutom XCOM-demonstrationen, uppdraget bevisade effektiviteten av röntgennavigering i rymden, visar 2017 att pulsarer kunde användas som tidskällor för navigeringsändamål.

Under den två dagar långa demonstrationen, som NICER-teamet genomförde med ett experiment kallat Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT, uppdraget samlade in 78 mätningar från fyra millisekunders pulsarer. Teamet matade in dessa data till ombordalgoritmer för att autonomt sammanfoga en navigeringslösning som avslöjade platsen för NICER i dess omloppsbana runt jorden som en nyttolast för rymdstationen. Inom åtta timmar efter att experimentet startade, systemet konvergerade på en plats inom de avsedda 6,2 miles och förblev långt under den tröskeln under resten av experimentet.

NICER:s förmåga att utföra vetenskap och visa framväxande, revolutionerande teknik har fångat uppmärksamheten hos dem som planerar NASA:s nästa era av mänsklig rymdfärd. Uppdrag som utför flera funktioner betraktas nu som en modell, sa Jake Bleacher, ledande utforskningsforskare med ansvar för att identifiera områden där Goddard-forskare kan stödja mänsklig utforskning av månen och Mars.

Teknikarv

Idén att använda röntgenstrålar för att kommunicera och navigera uppstod för mer än ett decennium sedan när NICER:s huvudutredare Keith Gendreau började arbeta med att möjliggöra teknologier för en föreslagen svarthålsavbildare som syftar till att direkt avbilda händelsehorisonten för ett supermassivt svart hål eller punkten för ingen återvändo där ingenting – varken partiklar eller fotoner – kan fly.

Tanken var att skapa en konstellation av exakt inriktade rymdfarkoster som i huvudsak skulle skapa en röntgeninterferometer, ett instrument som används för att mäta förskjutningar i föremål. Han kom på idén att använda röntgenkällor som ledstjärnor för att möjliggöra mycket exakt relativ navigering. Med hjälp av forsknings- och utvecklingsmedel, han utvecklade MXS.

Gendreau resonerade då att om han kunde modulera röntgenstrålar genom en modulator, han kunde också kommunicera, vilket ger upphov till det NICER tre-i-ett-uppdragskonceptet.

XCOM-demonstrationen sköts av NASA:s Space Communications and Navigation-program inom Human Exploration and Operations Mission Directorate. NICER är en Astrophysics Mission of Opportunity inom Explorers-programmet. Space Technology Mission Directorate stöder SEXTANT-komponenten i uppdraget, demonstrerar pulsarbaserad rymdfarkostsnavigering.