Un ‘GPS còsmic’ per a futures missions espacials: un estudi demostra la viabilitat de la navegació espacial amb púlsars de raigs X

Actualment, la majoria de les missions espacials depenen de sistemes de guiatge i seguiment des de la Terra, cosa que implica operacions amb intervenció humana i limitacions associades al retard en les comunicacions. Els sistemes de navegació autònoma busquen reduir aquesta dependència, especialment en missions interplanetàries o en l’espai profund, en què tecnologies com el GPS deixen de ser efectives. Un estudi liderat per investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i el Politècnic de Milà publicat a la revista Acta Astronautica constata la viabilitat de la navegació de naus espacials basada en púlsars de raigs X (XNAV, per les sigles en anglès) a l’espai profund.

Els púlsars, estrelles de neutrons que giren ràpidament i amb un intens camp magnètic, emeten senyals periòdics i estables a manera de ‘fars còsmics’, per la qual cosa constitueixen una font natural idònia per a la navegació espacial.

Per avaluar la viabilitat i el rendiment de la navegació autònoma de naus espacials mitjançant púlsars de raigs X, és a dir, sense intervenció des de la Terra, l’estudi presenta un enfocament sistemàtic i realista per a la selecció de púlsars, tenint en compte la seva brillantor, estabilitat temporal, configuració geomètrica i limitacions de visibilitat. A més, l’equip utilitza dades d’observació de la missió NICER de la NASA, un telescopi de raigs X llançat el 2017 que estudia estrelles de neutrons, forats negres i altres fenòmens des de la base a bord de l’Estació Espacial Internacional, per avaluar mitjançant simulació el rendiment d’un sistema XNAV autònom. 

«A diferència de molts estudis previs, hem utilitzat dades reals d’observació per avaluar el rendiment del sistema, cosa que ens permet estimar de manera molt més realista les capacitats de la navegació autònoma basada en púlsars», afirma Sui Chen, investigadora predoctoral del Politècnic de Milà que va realitzar una estada a l’ICE-CSIC per desenvolupar aquest treball. 

Aquest treball no es basa únicament en models analítics de soroll, sinó que fa servir dades reals per estimar la incertesa dels mesuraments. L’estudi demostra que la navegació autònoma de missions espacials sense suport terrestre és factible, en particular per a missions a l’espai profund més enllà de les nostres òrbites terrestres, on no es disposa de sistemes tradicionals de posicionament com el GPS.

«El desafiament no consisteix simplement a identificar els púlsars més brillants, sinó a determinar la combinació òptima de fonts capaç de proporcionar un rendiment de navegació precís, exacte i estable al llarg de tota la missió», afirma Emilie Parent, anteriorment investigadora postdoctoral de l’ICE-CSIC i de l’IEEC, que actualment treballa a l’Institut de Ciències Planetàries i Astrofísica de Grenoble.

El sistema de navegació XNAV s’ha posat a prova utilitzant un filtre de Kalman estès —un algorisme per estimar l’estat de la nau espacial combinant un model dinàmic amb mesuraments externs en condicions d’incertesa— en dos supòsits diferents. El primer, en òrbita terrestre baixa; el segon, en un viatge de la Terra a Júpiter. A més, l’equip ha fet servir les dades de la missió NICER per construir perfils de polsos de púlsars realistes i per estimar les incerteses de mesura basant-se en simulacions construïdes sobre dades reals, extrapolant diversos tipus de futurs detectors de raigs X. 

Els resultats mostren que els púlsars que emeten grans quantitats d’energia, com el púlsar del Cranc (PSR B0531+21) situat a la nebulosa del Cranc, poden assolir una alta precisió (per sota de 7 km en òrbita terrestre baixa), però presenten una baixa estabilitat a llarg termini. Per la seva banda, els púlsars de mil·lisegons (amb períodes de rotació d’entre 1 i 10 mil·lisegons) ofereixen una fiabilitat més gran a llarg termini a costa d’una menor precisió de navegació. 

Aquest treball presenta un estudi sistemàtic del rendiment de la navegació, que avalua la precisió de posicionament assolible en diferents rangs d’àrea efectiva dels instruments. Això proporciona un estudi realista per començar a desenvolupar dispositius XNAV que es faran servir en petits satèl·lits. 

«Hem volgut fer un pas important cap a sistemes de navegació capaços d’operar de manera autònoma a l’espai profund durant molt de temps, on la dependència d’infraestructures terrestres sigui cada cop més limitada», afirma Nanda Rea, investigadora de l’IEEC a l’ICE-CSIC i coautora de l’estudi.

Aquest treball, que s’ha desenvolupat completament a l’ICE-CSIC, ha estat cofinançat per una subvenció Proof of Concept (PoC) del Consell Europeu de Recerca (ERC) atorgada al projecte DeepSpacePULSE, liderat per l’astrofísica Nanda Rea. Aquest projecte té com a objectiu estudiar la viabilitat de la navegació autònoma usant raigs X emesos per púlsars fent que aquests dispositius de posicionament per satèl·lit siguin competitius tant al mercat espacial públic com privat.

Aquest article contribueix al desenvolupament de tecnologies de navegació autònoma per a l’exploració espacial i redueix la dependència dels sistemes terrestres. A llarg termini, pot fer possible missions més eficients a l’espai profund, tant per a l’exploració planetària com per a viatges interplanetaris. 

En el futur, els estudis en aquest camp se centraran a millorar els models de sincronització de púlsars, combinar múltiples púlsars per a una solidesa més gran i integrar els sistemes XNAV amb altres sistemes de navegació. Així mateix, es construirà als laboratoris de l’ICE-CSIC un primer model d’enginyeria del dispositiu amb tots els components. «Això obre el camí cap a la navegació totalment autònoma de naus espacials per a missions a l’espai profund, on cap altre sistema de navegació pot ser eficaç a llarg termini», conclou Rea.