Stel je de scène voor: het is de niet al te verre toekomst en de mensheid is begonnen met het bouwen van kolonies en habitats in ons hele zonnestelsel. We maken ons op om die volgende grote stap naar het onbekende te zetten - de behaaglijke bescherming van de heliosfeer van de zon achterlatend en de interstellaire ruimte in. Voordat deze toekomst kan gebeuren, is er echter een belangrijk ding dat vaak over het hoofd wordt gezien in discussies over dit onderwerp.
Navigatie.
Net zoals zeilers ooit de sterren gebruikten om door de zee te navigeren, kunnen ruimtevaarders de sterren mogelijk gebruiken om door het zonnestelsel te navigeren. Behalve dat deze keer de sterren die we gebruiken dode sterren zijn. Een specifieke klasse van neutronensterren, bekend als pulsars, gedefinieerd door de herhaalde stralingspulsen die ze uitzenden. De truc kan volgens een recent artikel zijn om pulsars te gebruiken als een vorm van interplanetaire - en mogelijk zelfs interstellaire - GPS.
Theorieën en ideeën over motoren van ruimtevaartuigen zijn er in overvloed. Stichtingen zoals Icarus Interstellar pleiten scherp voor de ontwikkeling van nieuwe voortstuwingssystemen, waarbij sommige systemen zoals de VASIMR-stuwraketten veelbelovend lijken. Ondertussen wordt van fusieraketten verwacht dat ze passagiers in slechts 30 dagen op een retourvlucht van de aarde naar Mars kunnen brengen, en onderzoekers elders werken aan echte warp-drives, niet anders dan degenen die we allemaal kennen en waarderen van de films.
Interplanetaire GPS
Maar navigatie is net zo belangrijk. De ruimte is immers overweldigend uitgestrekt en meestal leeg. Het vooruitzicht verdwaald te raken in de leegte is ronduit angstaanjagend.
Tot op heden was dit niet echt een probleem, vooral omdat we maar een handjevol vaartuigen langs Mars hebben gestuurd. Als gevolg hiervan gebruiken we momenteel een rommelige mengelmoes van technieken om vanaf hier op aarde ruimtevaartuigen bij te houden - in wezen met telescopen te volgen terwijl we sterk leunen op hun geplande traject. Dit is ook maar zo nauwkeurig als onze instrumenten hier op aarde zijn, wat betekent dat naarmate een vaartuig verder weg komt, ons idee van waar het precies is steeds minder nauwkeurig wordt.
Dit is allemaal goed en wel als we maar een paar vaartuigen hebben om te volgen, maar wanneer ruimtereizen gemakkelijker bereikbaar worden en er menselijke passagiers bij betrokken zijn, zal het routeren van alles door de aarde steeds moeilijker worden. Dit is met name het geval als we van plan zijn de grenzen van onze thuisster te verlaten - Voyager 2 is momenteel meer dan 14 lichturen verwijderd, wat betekent dat transmissies op aarde meer dan een halve dag nodig hebben om deze te bereiken.
Navigeren door de aarde met moderne technologie is vrij eenvoudig dankzij de reeks GPS-satellieten die we in een baan om onze wereld hebben. Die satellieten zenden voortdurend signalen uit die op hun beurt worden ontvangen door de GPS-eenheid die u op uw autodashboard of in uw zak heeft. Net als bij alle andere elektromagnetische transmissies, reizen deze signalen met de snelheid van het licht, wat een kleine vertraging geeft tussen wanneer ze werden verzonden en wanneer ze werden ontvangen. Door de signalen van 4 of meer satellieten te gebruiken en die vertragingen te timen, kan een GPS-eenheid uw locatie op het aardoppervlak met opmerkelijke nauwkeurigheid bepalen.
Het door Werner Becker, Mike Bernhardt en Axel Jessner bij het Max Planck Institute voorgestelde pulsar-navigatiesysteem werkt op een vergelijkbare manier, met gebruikmaking van de pulsen die door pulsars worden uitgezonden. Door de initiële positie en snelheid van je ruimtevaartuig te kennen, die pulsen op te nemen en de zon als een vast referentiepunt te beschouwen, kun je je exacte locatie in het zonnestelsel berekenen.
Als je bedenkt dat de zon op deze manier gefixeerd is, wordt dit technisch een traag referentiekader genoemd, en als je de beweging van de zon door ons sterrenstelsel compenseert, werkt het systeem nog steeds perfect goed bij het verlaten van het zonnestelsel! Het enige dat u nodig hebt, is om minimaal 3 pulsars bij te houden (idealiter 10, voor de meest nauwkeurige resultaten), en u kunt uw locatie met verrassende nauwkeurigheid bepalen!
Interessant genoeg dateert het idee om pulsars als navigatiebakens te gebruiken helemaal terug tot 1974, met name niet lang nadat Carl Sagan pulsars had gebruikt om de locatie van de aarde te tonen op de platen die aan de Pioneer 10 en 11 ruimtesondes waren bevestigd. Als Project Daedalus ooit was gebouwd, was het mogelijk uitgerust met een systeem dat niet anders is dan het hier beschreven systeem.
Verpakken voor lange afstanden
Becker en zijn collega's keken naar de verschillende soorten pulsar die in de lucht te zien waren en kozen een type dat bekend staat als rotatie-aangedreven pulsars als het beste type om te gebruiken voor een galactisch positioneringssysteem. In het bijzonder is een subtype hiervan, bekend als milliseconde pulsars, ideaal. Omdat ze ouder zijn dan de meeste pulsars, hebben ze zwakke magnetische velden, wat betekent dat het lang duurt om hun spinsnelheden te vertragen - nuttig omdat sterk gemagnetiseerde pulsars soms hun rotatiesnelheid zonder waarschuwing kunnen veranderen.
Met talloze pulsars om uit te kiezen, gaat het erom hoe je je ruimtevaartuig kunt uitrusten om ze te volgen. Pulsars zijn het gemakkelijkst te zien in röntgenstralen of radiogolven, dus er is een kleine keuze welke beter kan worden gebruikt. In wezen blijkt het allemaal een kwestie van hoe groot je ruimtevaartuig is.
Kleinere voertuigen, meer verwant aan moderne ruimtevaartuigen, kunnen het beste röntgenstralen gebruiken om pulsars te volgen. Röntgenspiegels, zoals die worden gebruikt in bepaalde ruimtetelescopen in een baan, zijn compact en lichtgewicht, wat betekent dat er een paar kunnen worden toegevoegd voor een navigatiesysteem zonder de totale massa van het vaartuig zo veel te vergroten. Ze kunnen het kleine nadeel hebben dat ze gemakkelijk kunnen worden beschadigd door een röntgenbron die te helder is, dit zou geen probleem zijn, behalve onder een aantal ongelukkige omstandigheden.
Aan de andere kant, als je een groot ruimteschip bestuurt tussen planeten of zelfs sterren, zou je waarschijnlijk beter radiogolven gebruiken. Bij radiofrequenties weten we veel meer over de manier waarop pulsars werken en kunnen we ze ook met een hogere mate van nauwkeurigheid meten. Het enige nadeel is dat de radiotelescopen die u op uw schip moet installeren een oppervlakte van minimaal 150 m² nodig hebben. Maar als je toevallig met een ruimteschip zou vliegen, zou dat soort formaat waarschijnlijk niet veel uitmaken.
Het is interessant om in gedachten te houden hoe astronomen vaak de analogie gebruiken van pulsars die 'als vuurtorens' zijn om uit te leggen waarom ze lijken te pulseren. Als we ze ooit als echte navigatiehulpmiddelen gebruiken, kan die analogie een geheel nieuwe betekenis krijgen!
Afbeeldingen worden hier gebruikt met vriendelijke toestemming van Adrian Mann van Icarus Interstellar, wiens volledige galerij online te bekijken is op bisbos.com
