Pulsar-Navigation

Pulsar-Navigation (XNAV, X-ray Pulsar Navigation) nutzt die hochpräzisen Röntgenpulse von Millisekunden-Pulsaren als kosmisches Referenzsignal zur Positionsbestimmung im Weltraum. Pulsare sind rotierende Neutronensterne, die wie kosmische Leuchttürme regelmäßige Strahlungspulse aussenden, manche mit einer Stabilität, die mit Atomuhren vergleichbar ist.

Das Prinzip: Ein Raumschiff empfängt die Pulse mehrerer bekannter Pulsare und vergleicht die Ankunftszeiten mit vorhergesagten Werten. Die Differenzen ergeben die Position, ähnlich wie GPS, aber mit natürlichen Sendern, die niemand abschalten kann.

NASAs NICER/SEXTANT-Experiment auf der ISS demonstrierte 2018 erstmals autonome Pulsar-Navigation: Das System bestimmte die ISS-Position auf etwa 7 km Genauigkeit allein durch Pulsar-Timing, ein Durchbruch.

Die Vorteile: Pulsare sind überall im Sonnensystem empfangbar, erfordern keine Infrastruktur und funktionieren auch für interstellare Missionen. GPS ist auf den Erdorbit beschränkt. Deep-Space-Navigation erfordert bisher aufwendige Bahnverfolgung durch das DSN.

Die Herausforderung: Röntgendetektoren für Pulsar-Navigation müssen groß genug sein, um genügend Photonen in angemessener Zeit zu sammeln. Die aktuelle Genauigkeit (Kilometer-Bereich) muss für viele Anwendungen noch verbessert werden.

Gerade der entscheidende Vorteil der Pulsar-Navigation gegenüber allen anderen Verfahren ist ihre völlige Unabhängigkeit von menschlicher Infrastruktur. Das vertraute GPS funktioniert nur in Erdnähe, und die Deep-Space-Navigation hängt an der aufwendigen Verfolgung durch das überlastete Deep Space Network, das die Position der Sonde gewissermaßen von der Erde aus berechnet. Pulsare dagegen senden seit Jahrmillionen und werden es weiter tun, völlig unbeeinflusst davon, ob eine Zivilisation sie nutzt oder nicht, weshalb sie sich als kosmisches Positionssystem für das gesamte Universum eignen. Ein Raumschiff mit Pulsar-Empfänger könnte seinen Ort überall im Sonnensystem und prinzipiell sogar auf interstellaren Reisen selbst bestimmen, ohne je nachfragen zu müssen. Genau deshalb passt die Pulsar-Navigation so gut zu autonomen Sonden, die wegen der langen Signallaufzeiten ohnehin eigenständig handeln müssen. Dass das NICER-Experiment auf der ISS bereits eine Positionsbestimmung allein aus dem Takt der Pulsare gelang, war ein wichtiger Machbarkeitsbeweis. Bemerkenswert ist zudem, dass dieselben Pulsare als universelle Wegmarken auch auf der Plakette der Pioneer-Sonden eingraviert wurden, um einer fremden Intelligenz den Standort der Erde zu verraten.