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Pulsare: Ein On-Board-Navigationssystem für Raumsonden

Pioneer 10Laden...

Ob eine Raumsonde dem geplanten Kurs folgt, bestimmen Bodenstationen heutzutage vor allem mit Hilfe von Radiosignalen, die sie an der Erdoberfläche auffangen. Mit diesem Verfahren ließen sich zwar die Entfernung und Radialgeschwindigkeit eines Flugobjekts im All sehr genau bestimmen, meinen Forscher um Werner Becker vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching – nicht aber die Positionskomponente senkrecht zur Achse Erde-Sonde. Je weiter das Raumfahrzeug entfernt ist, desto größer die Ungenauigkeit: Die Position von Voyager 1 ist in dieser Hinsicht nur auf +/- 500 Kilometer bekannt.

Eine Alternative sei notwendig, die an allen Orten im Sonnensystem gleich gute Resultate erbringt und von der Sonde autonom ausgeführt werden kann, glaubt daher das Team um Becker. Die Lösung könnte in der Positionsbestimmung mit Hilfe von Pulsaren liegen, ein Verfahren, das bereits in den 1980er Jahren vorgeschlagen wurde. Mit seiner Hilfe lasse sich die Position auf fünf Kilometer genau bestimmen, errechneten die Wissenschaftler.

Dem Verfahren liegt die Idee zu Grunde, mehrere Signale von Pulsaren aufzufangen und miteinander zu verrechnen. Die schnell rotierenden Sternenüberreste senden Pulse mit sehr präziser Frequenz aus. Bestimmt man nun an einer bekannten Position auf der Erde die Ankunftszeiten der Pulse von mindestens drei Pulsaren und bewegt sich dann (an Bord der Raumsonde) von der Erde weg, verschieben sich diese Zeitpunkte gegeneinander und liefern somit Anhaltspunkte über die gegenwärtige Position.

Allerdings lassen sich aus den Daten Lösungen für mehrere Positionen berechnen. Um zu einer endgültigen Positionsangabe zu gelangen, muss daher zusätzlich eine grobe Abschätzung der erwarteten Position einfließen. Hier könnte möglicherweise ein bereits existierendes bordeigenes Navigationssystem gute Dienste leisten: die Positionsbestimmung mit Hilfe von Kameras, die die Stellung von Himmelskörpern erfassen.

Damit das Verfahren in der von den Forschern berechneten Weise funktioniert, müssen allerdings noch einige technologische Hürden überwunden werden: Anders als von bisherigen Forschergruppen vorgeschlagen, sollten nach Meinung von Becker und Kollegen nämlich nicht Pulsare im Radiobereich, sondern Röntgenpulsare zu Grunde gelegt werden. Die Antenne für erstere müsste rund 150 Quadratmeter groß sein – wohl zu groß für einen praktikablen Einsatz.

Um jedoch die Röntgensignale in der erforderlichen Qualität aufzuzeichnen, wären Instrumente mit der Güte derzeitiger spezialisierter Röntgenobservatorien erforderlich. Becker und Kollegen diskutieren daher in ihrem auf dem Preprintserver arXiv abgelegten Manuskript, dass erst verschiedene derzeit in der Entwicklung befindliche Miniaturdetektoren die geforderten Daten sammeln könnten, ohne die Sonde über Gebühr zu belasten.

22. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 22. KW 2013

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