Röntgenstrahlen könnten eine bessere Möglichkeit sein, im Weltraum zu kommunizieren

In den kommenden Jahren sollen Tausende von Satelliten, mehrere Weltraumteleskope der nächsten Generation und sogar einige Weltraumlebensräume in die Umlaufbahn gebracht werden. Jenseits der Erde sind mehrere Missionen geplant, die an die Mondoberfläche, zum Mars und darüber hinaus gesendet werden sollen. Mit zunehmender Präsenz der Menschheit im Weltraum stößt das Datenvolumen, das regelmäßig zur Erde zurückgesendet wird, an die Grenzen der Funkkommunikation.

Aus diesem Grund suchen die NASA und andere Weltraumagenturen nach neuen Methoden, um Informationen im Weltraum hin und her zu senden. Es wird bereits optische Kommunikation entwickelt (die zum Codieren und Übertragen von Informationen auf Laser angewiesen ist), aber auch andere radikalere Konzepte werden untersucht. Dazu gehört die Röntgenkommunikation, die die NASA mit ihrem XCOM-Technologie-Demonstrator für Tests im Weltraum vorbereitet.

Seit ihrer Gründung im Jahr 1958 hat sich die NASA ausschließlich auf die Funkkommunikation verlassen, um mit all ihren Missionen außerhalb der Erde in Kontakt zu bleiben. Ein Großteil davon wurde vom Deep Space Network (DSN) der NASA übernommen, einem weltweiten Netzwerk von riesigen Funkantennen, das alle interplanetaren Missionen der NASA und einige Missionen zum Low-Earth Orbit (LEO) unterstützt hat.

Aber mit erneuten Missionen zum Mond, bemannten Missionen zum Mars und einer wachsenden Anzahl von Miniatursatelliten in naher Zukunft wird die NASA ein effizienteres und robusteres Kommunikationssystem als je zuvor benötigen. Bisher hat sich die Verwendung von Lasern zum Codieren und Übertragen von Daten als vielversprechend erwiesen, die 10- bis 100-mal effizienter arbeiten können als Funksysteme.

Die NASA blickt jedoch über diese Teile des Spektrums hinaus, um den Informationsfluss zu berücksichtigen. Hier kommt das Konzept der Röntgenkommunikation (XCOM) ins Spiel, das noch mehr Vorteile bietet als Laser. Zum einen haben Röntgenstrahlen viel kürzere Wellenlängen als Radiowellen und Laser und können in engeren Strahlen senden.

Dies bedeutet, dass mehr Informationen mit der gleichen Sendeleistung gesendet werden könnten und über große Entfernungen – zumindest theoretisch – weniger Energie benötigt würde. Darüber hinaus haben Röntgenstrahlen den Vorteil, dass sie in das heiße Plasma eindringen können, das sich aufbaut, wenn Raumfahrzeuge mit Überschallgeschwindigkeit wieder in die Erdatmosphäre gelangen.

Diese Plasmahüllen verursachen für einige Sekunden einen Kommunikationsausfall mit dem Raumschiff, wodurch Missionscontroller nicht wissen, ob die Besatzungen bis zur Landung in Sicherheit sind. Um zu testen, ob ein solches System funktioniert, haben Techniker des Goddard Space Flight Center der NASA die modulierte Röntgenquelle (MXS) entwickelt, die in den kommenden Jahren an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) getestet wird.

Um diesen Test durchzuführen, wird der MXS mithilfe des NavCube gesteuert – einer Computer- und Navigationstechnologie an Bord der ISS -, um codierte Daten über Röntgenimpulse von einem Ende der Station zum anderen zu senden. Diese Impulse (die mehrmals pro Sekunde ausgelöst werden) werden vom Neutronenstern-Interior Composition Explorer (NICER) empfangen.

Dieser erste Test beinhaltet die Übertragung von GPS-Signalen, aber das Entwicklungsteam hofft, auch etwas Komplizierteres senden zu können. In einer Pressemitteilung der NASA erklärte Jason Mitchell, Ingenieur am Goddard Spaceflight Center der NASA, der an der Entwicklung der Technologiedemonstration mitgewirkt hat:

"Wir haben lange darauf gewartet, diese Fähigkeit zu demonstrieren. Für einige Missionen kann XCOM aufgrund der extremen Entfernungen, in denen sie eingesetzt werden müssen, eine unterstützende Technologie sein. Unser Ziel für die unmittelbare Zukunft ist es, interessierte Partner zu finden, die bei der Weiterentwicklung dieser Technologie helfen. “

NICER wurde hauptsächlich für die Erfassung von Daten zu Neutronensternen und Pulsaren entwickelt und hat seine Fähigkeiten auch genutzt, um Technologien zu demonstrieren, die auf Röntgenstrahlen beruhen. Zum Beispiel hat NICER 2017 gezeigt, dass Pulsare als Zeitquellen für Weltraummissionen verwendet werden können, um ihren Standort zu bestimmen. Dies demonstriert effektiv die Wirksamkeit der Röntgennavigation im Weltraum.

Seitdem hat die Fähigkeit von NICER, neue Technologien zu demonstrieren, die Aufmerksamkeit von NASA-Wissenschaftlern auf sich gezogen, die auf den Plan für die nächste Ära der menschlichen Raumfahrt blicken. Die Fähigkeit, Röntgenstrahlen und andere Lichtquellen für Navigation und Kommunikation zu verwenden, ist ein solcher Bereich potenzieller Entwicklung.

Bei Erfolg könnte das MXS-Experiment effizientere Datenraten von Gigabit pro Sekunde für Weltraummissionen ermöglichen, die alle Arten von lukrativen Missionen außerhalb der Erde aufnehmen könnten.

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