Raumfahrt: China testet galaktisches GPS

Ein neuer chinesischer Satellit soll die Navigation mit Hilfe von Röntgenpulsaren testen. Die Genauigkeit soll 5 Kilometer betragen, egal wie weit von der Erde entfernt.

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Schon die goldene Plakette von Pioneer zeigt die Position der Erde durch Pulsare.
Schon die goldene Plakette von Pioneer zeigt die Position der Erde durch Pulsare. (Bild: Nasa)

Wer per Anhalter durch die Galaxis reisen will, sollte nicht nur wissen, wo er hin will, sondern auch, wo er ist. Um das etwas einfacher zu machen, testet China ein System zum Aufbau eines galaktischen Navigationssystems. Dazu startete am Mittwoch zum zweiten Mal Chinas neue Chang-Zheng-11-Rakete (Langer Marsch 11). Die Rakete wurde vom chinesischen Militär entwickelt, um im Krisenfall kurzfristig Satelliten starten zu können. Zurzeit dient sie zivilen Zwecken.

Der größte der fünf Satelliten an Bord war der 240 Kilogramm schwere Satellit XPNAV-1 (X-ray Pulsar NAVigation). Er soll ein neues Navigationssystem zur Positionsbestimmung im Weltraum testen. Das Ziel ist ein System, mit dem ein Satellit oder eine Raumsonde jederzeit ihren Standort im Weltraum selbst bestimmen kann. Das System funktioniert ähnlich wie das GPS, benutzt aber Pulsare anstatt Satelliten. Mit seiner Hilfe könnten Raumsonden künftig ihren Standort im Weltraum mit einer Genauigkeit von etwa 5 Kilometern bestimmen.

Pulsare sind galaktische Leuchttürme

Pulsare sind rotierende Neutronensterne, sie entstehen aus Supernovae. Einer der jüngsten Pulsare entstand bei einer Supernova im Jahr 1054, die von chinesischen Astronomen in der Zeit der Song-Dynastie aufgezeichnet wurde. Pulsare geben ständig entlang einer bestimmten Achse Strahlung ab. Diese Achse rotiert. Die Strahlung ist also nur zu sehen, wenn die Achse in Richtung des Beobachters zeigt.

Das Licht von Pulsaren blinkt deshalb, ähnlich wie das Licht eines Leuchtturms. Die Frequenz, mit der die Strahlungsimpulse ausgesendet werden, ist dabei stabiler als die einer Atomuhr. Schon in den 1970er Jahren war klar, dass Pulsare zur Positionsbestimmung in der Milchstraße benutzt werden können. Deshalb wurden auf der goldenen Plakette der Raumsonden Pioneer 10 und 11 auch die Entfernungen und Frequenzen der 14 nächsten Pulsare in Erdnähe eingezeichnet.

Bessere Detektoren machen die Technik möglich

Pulsare senden ihre Strahlung in einem breiten Spektrum von Wellenlängen aus, von Radiowellen bis zu Röntgenlicht. Die Benutzung von Radiowellen erfordert aber wenigstens Antennen mit etwa 150 Quadratmetern Fläche, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten. Erst 1993 wurde erstmals die Röntgenstrahlung von Pulsaren beobachtet. Seitdem ist die Entwicklung neuer, leichterer Optiken für Röntgenstrahlung und Detektoren mit sehr guter zeitlicher Auflösung immer weiter fortgeschritten.

Mit der vorhandenen Technik und den bekannten Messdaten der Pulsare können die Röntgensignale der Pulsare genau genug gemessen werden, um Positionen auf 5 Kilometer genau zu vermessen. Wie beim GPS werden dazu wenigstens drei Pulsare benötigt, die nicht auf einer Ebene liegen. Der genaue Winkel zwischen den Pulsaren kann durch den Vergleich der Ankunftszeiten der Impulse von unterschiedlichen Pulsaren bestimmt werden. Mit diesen Winkeln und den durch jahrzehntelange Messreihen sehr genau bekannten Positionen der Pulsare im Raum kann dann die Position im Raum trianguliert werden.

Noch braucht der Satellit die Erde

Der chinesische Satellit trägt zwei Röntgendetektoren, mit denen das Prinzip getestet und Testdaten gewonnen werden sollen. Dabei reichen auch zwei Detektoren zur Positionsbestimmung aus, wenn die Distanz zur Erde durch die Funkverbindung vermessen wird. Diese Distanz lässt sich auch bisher schon auf einen Meter genau vermessen. Probleme bereitet die Bestimmung des genauen Winkels seitlich der Linie zwischen Erde und weit entfernten Raumsonden. Sie ist durch die Auflösung von Radioteleskopen begrenzt und wird um so schlechter, je weiter die Raumsonde entfernt ist.

Durch die Messung mit Hilfe der Pulsare kann diese Unsicherheit beseitigt werden. Insofern sich die Technik als praktikabel erweist, werden weit entfernte Raumsonden in Zukunft noch deutlich genauer navigieren können als bisher und erstmals auch ganz ohne Signale von der Erde.

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