MPE Pressemeldung

Autonome Navigation im Weltall: Pulsare als kosmische Wegweiser

12. April 2012

Seit Jahrtausenden navigieren und orientieren sich Menschen auf der Erde anhand der Gestirne am Himmel. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik haben nun eine Navigationsmethode entwickelt, die auf den periodischen Signalen von Neutronensternen beruht. Diese soll es Raumsonden in Zukunft möglich machen, sich eigenständig im Weltall zurechtzufinden. Professor Werner Becker stellte diese Technologie Ende März 2012 auf dem National Astronomy Meeting in Manchester vor.

<span class="small">Künstlerische Darstellung der Navigation von Raumsonden mit Pulsarsignalen. Die charakteristischen Pulse von stark magnetisierten und schnell rotierenden Neutronensternen (Pulsaren) dienen als kosmische Leuchttürme zur Bestimmung von Position und Geschwindigkeit eines Raumschiffes. <br /></span> Bild vergrößern
Künstlerische Darstellung der Navigation von Raumsonden mit Pulsarsignalen. Die charakteristischen Pulse von stark magnetisierten und schnell rotierenden Neutronensternen (Pulsaren) dienen als kosmische Leuchttürme zur Bestimmung von Position und Geschwindigkeit eines Raumschiffes.
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Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie sich Raumschiff "Enterprise" aus der gleichnamigen Fernsehserie in den Tiefen des Weltalls zurechtfindet? Mit welchem Navigationssystem es seinen Weg durch die Galaxis findet? Pulsare könnten der Schlüssel zu dieser interstellaren Navigation sein. Das ist keine Science-Fiction, sondern könnte bereits bei künftigen Raumfahrtmissionen zur Anwendung kommen. Derzeitige Navigationssysteme für Raumsonden basieren auf Laufzeitmessungen von Radiosignalen von der Erde aus - doch dazu braucht man zum einen mehrere Antennen auf der Erde und zum anderen werden die Messungen immer ungenauer je größer der Abstand der Raumsonde zur Erde ist. Eine unabhängige und autonome Methode mit Pulsarsignalen könnte dieses System in Zukunft ergänzen oder sogar ablösen.

Ein Neutronenstern ist der kompakte Überrest eines einst massereichen Sterns, der, nachdem er seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, in einer gigantischen Supernova explodiert ist. Diese Sterne besitzen sehr starke Magnetfelder, was dazu führt, dass sie ihre Strahlung entlang schmaler Strahlungskegel aussenden. Da der Neutronenstern rotiert, streifen diese Strahlungskegel wie die Signale eines Leuchtturms durch den Weltraum. Für einen Beobachter scheinen solche Objekte zu pulsieren; daher auch der Name Pulsar.

Prof. Becker und seine Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickeln ein Navigationssystem für Raumfahrzeuge, das auf der periodischen Emission von Röntgenstrahlung einiger Pulsare beruht. Deren zeitliche Stabilität ist mit der von Atomuhren vergleichbar und damit können ihre charakteristischen Signale zur Positionsbestimmung eingesetzt werden, analog zur GPS-Navigation auf der Erde.

Vergleicht man die an Bord gemessenen Puls-Ankunftszeiten mit den vorhergesagten Ankunftszeiten an einem Referenzpunkt, so kann die Position der Raumsonde mit einer Genauigkeit von wenigen Kilometern bestimmt werden - überall im Sonnensystem und weit darüber hinaus.
Mit heutigen Antriebstechnologien rücken alle Pläne für Reisen durch unsere Galaxie in weite Zukunft. Dennoch könnte ein Navigationssystem auf der Grundlage von Pulsarsignalen für Raumsonden schon bald zum Einsatz kommen - vor allem da gegenwärtig neue, leichtgewichtige Röntgenspiegelsysteme entwickelt werden, die in 15-20 Jahren zur Verfügung stehen dürften. Prof. Becker nennt einige Beispiele: "Eine mögliche Anwendung dieser neuen Technologie besteht in der Unterstützung von Satelliten-Navigationssystemen wie GPS oder Galileo. Damit könnten diese Systeme autonom, d.h. unabhängig von Bodenstationen auf der Erde, betrieben werden. Auch eine autonome Navigation interplanetarer Raumsonden wird damit möglich. Dies könnte bereits für eine bemannte Mission zum Mars von Interesse sein."