NASA skal demonstrere røntgenkommunikation i rummet

En ny eksperimentel type dybe rumkommunikationsteknologi er planlagt til at blive demonstreret på den internationale rumstation til foråret.

I øjeblikket, NASA er afhængig af radiobølger til at sende information mellem rumfartøjer og Jorden. Ny laserkommunikationsteknologi tilbyder højere datahastigheder, der lader rumfartøjer transmittere flere data ad gangen. Denne demonstration involverer røntgenkommunikation, eller XCOM, hvilket giver endnu flere fordele.

Røntgenstråler har meget kortere bølgelængder end både infrarød og radio. Det betyder at, i princippet, XCOM kan sende flere data for den samme mængde transmissionseffekt. Røntgenstrålerne kan udsendes i tættere stråler, bruger dermed mindre energi, når du kommunikerer over store afstande.

Hvis det lykkes, eksperimentet kunne øge interessen for kommunikationsteknologi, som kunne tillade mere effektive gigabits-per-sekund datahastigheder til dybe rummissioner. Gigabit per sekund er en dataoverførselshastighed svarende til en milliard bit, eller simple binære enheder, i sekundet. Disse ekstremt høje dataoverførselshastigheder er i øjeblikket ikke almindelige, men nye forskningsprojekter har skubbet computerkapaciteten mod dette område for nogle teknologier.

"Vi har ventet længe på at demonstrere denne evne, " sagde Jason Mitchell, en ingeniør ved NASAs Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland, som hjalp med at udvikle teknologidemonstrationen, som er afhængig af en enhed kaldet Modulated X-ray Source, eller MXS.

"For nogle missioner, XCOM kan være en muliggørende teknologi på grund af de ekstreme afstande, hvor de skal fungere, " sagde Mitchell.

Måske mere dramatisk, i det mindste hvad angår menneskelig rumfart, Røntgenstråler kan trænge igennem den varme plasmaskede, der bygges op som rumfartøjshinder gennem Jordens atmosfære med hypersoniske hastigheder. Plasmaet fungerer som et skjold, afbryde radiofrekvenskommunikation med noget uden for køretøjet i adskillige sekunder - en neglebidende periode, der dramatisk portrætteres i filmen, Apollo 13. Ingen har nogensinde brugt røntgenstråler i et kommunikationssystem, selvom, så andre applikationer, der endnu ikke er udtænkt, kunne dukke op, sagde Mitchell.

"Vores mål for den nærmeste fremtid er at finde interesserede partnere til at hjælpe med at videreudvikle denne teknologi, " sagde Mitchell.

Kodning af digitale bits

For at demonstrere denne nye kommunikationsteknologi, NASA vil bruge MXS til at generere hurtige røntgenimpulser. Betjenes af en anden Goddard-udviklet computer- og navigationsteknologi kaldet NavCube, MXS vil tænde og slukke mange gange i sekundet, mens den koder digitale bits til transmission.

Fra den eksperimentelle nyttelast, MXS-enheden sender derefter de kodede data via de modulerede røntgenstråler til detektorer på Neutron-star Interior Composition Explorer, eller pænere, som er placeret 165 fod væk - omkring bredden af ​​en fodboldbane - på rumstationen. På denne måde NICER bliver modtageren af ​​et envejs røntgensignal.

Selvom den første XCOM-test vil involvere transmission af GPS-lignende signaler, Mitchell sagde, at holdet måske forsøger at overføre noget mere kompliceret efter det første forsøg.

"Det er vigtigt, at vi sender en kendt kode, vi kan identificere for at sikre, at NICER modtager signalet præcist, som vi sendte det, " sagde Mitchell.

Selvom det primært er bygget til at indsamle data om de tætteste objekter i universet - neutronstjerner og deres pulserende pårørende, kendt som pulsarer - NICER blev også designet til at demonstrere avanceret teknologi. Ud over XCOM-demonstrationen, missionen beviste effektiviteten af ​​røntgen-navigation i rummet, viser i 2017, at pulsarer kunne bruges som timingkilder til navigationsformål.

Under den to dage lange demonstration, som NICER-holdet udførte med et eksperiment kaldet Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT, missionen indsamlede 78 målinger fra fire millisekunders pulsarer. Holdet fodrede disse data ind i indbyggede algoritmer for autonomt at sammensætte en navigationsløsning, der afslørede placeringen af ​​NICER i dens kredsløb omkring Jorden som en rumstations nyttelast. Inden for otte timer efter start af eksperimentet, systemet konvergerede på et sted inden for de målrettede 6,2 miles og forblev et godt stykke under denne tærskel i resten af ​​eksperimentet.

NICERs evne til at udføre videnskab og demonstrere nye, revolutionerende teknologier har fanget opmærksomheden hos dem, der planlægger NASAs næste æra med menneskelig rumflyvning. Missioner, der udfører flere funktioner, betragtes nu som en model, sagde Jake Bleacher, ledende udforskningsforsker med ansvar for at identificere områder, hvor Goddard-forskere kan støtte menneskelig udforskning af Månen og Mars.

Teknologisk arv

Ideen om at bruge røntgenstråler til at kommunikere og navigere opstod for mere end et årti siden, da NICER Principal Investigator Keith Gendreau begyndte arbejdet med at muliggøre teknologier til en foreslået sort hul-imager, der sigter mod direkte at afbilde begivenhedshorisonten for et supermassivt sort hul eller punktet af ingen tilbagevenden, hvor intet – hverken partikler eller fotoner – kan undslippe.

Ideen var at etablere en konstellation af præcist justerede rumfartøjer, der i det væsentlige ville skabe et røntgeninterferometer, et instrument, der bruges til at måle forskydninger i objekter. Han udtænkte ideen om at bruge røntgenkilder som beacons for at muliggøre meget præcis relativ navigation. Ved at bruge forsknings- og udviklingsmidler, han udviklede MXS.

Gendreau ræsonnerede så, at hvis han kunne modulere røntgenstråler gennem en modulator, han kunne også kommunikere, dermed barslen til NICER tre-i-en missionskonceptet.

XCOM-demonstrationen styres af NASAs Space Communications and Navigation-program inden for Human Exploration and Operations Mission Directorate. NICER er en Astrophysics Mission of Opportunity inden for Explorers-programmet. Space Technology Mission Directorate støtter SEXTANT-komponenten af ​​missionen, demonstrerer pulsar-baseret rumfartøjsnavigation.