Nossa constelação de satélites GPS é grande, mas limitada. Foto cortesia do Departamento de Defesa dos EUA DONNER PARTY CHEGA NA CALIFÓRNIA, RECLAMAÇÃO DE TEMPO JUSTO E VIAGENS SEGURAS
Este poderia ter sido um título escrito no outono de 1846 se George e Jacob Donner tivessem acesso ao Sistema de Posicionamento Global, uma tecnologia de navegação altamente precisa baseada em sinais de uma série de satélites orbitando cerca de 12, 500 milhas (20, 200 quilômetros) acima da superfície da Terra [fonte:GPS.gov]. Infelizmente para os irmãos Donner e seu malfadado grupo de pioneiros, O GPS exigiria mais 100 anos de P&D, deixando-os encontrar o caminho para a Califórnia usando bússolas, mapas e maus conselhos. No fim, sua longa jornada se transformou em um pesadelo tortuoso. Eles ficaram presos pela neve nas montanhas de Sierra Nevada, onde muitos em seu grupo morreram antes que o resgate pudesse alcançá-los na primavera.
Exploradores espaciais podem enfrentar tragédias semelhantes se não conseguirem encontrar um método confiável para se orientar enquanto viajam para planetas distantes e, possivelmente, estrelas distantes. GPS parece ser o candidato lógico para tais empreendimentos, mas o sistema só funciona se sua viagem se limitar a destinos terrestres. Isso porque os 24 satélites que compõem a "constelação" do GPS transmitem seus sinais em direção à Terra. Se você estiver localizado abaixo dos satélites e tiver um receptor capaz de detectar os sinais, você pode determinar sua localização com segurança. Navegando pela superfície do planeta? Você está pronto para ir. Voando em órbita baixa da Terra (LEO)? Você está coberto. Aventure-se acima de LEO, Contudo, e seu prático receptor GPS se encontrará rapidamente acima da constelação de satélites e, como resultado, não será mais capaz de gravar um sinal. Dito de outra forma:os satélites GPS apenas transmitem para baixo, não para cima.
Isso não significa que as missões para destinos além da Terra tenham que voar às cegas. As técnicas de navegação atuais usam uma rede de estações de rastreamento terrestre que olham para cima e para fora do espaço. Quando um foguete deixa nosso planeta para Marte, Júpiter ou além, as equipes de terra transmitem ondas de rádio das estações de rastreamento para o navio. Essas ondas ricocheteiam na nave e retornam à Terra, onde os instrumentos medem o tempo que as ondas levaram para fazer a viagem e a mudança na frequência causada pelo efeito Doppler. Usando essas informações, as equipes de solo podem calcular a posição do foguete no espaço.
Agora imagine que você deseja viajar para os confins do sistema solar. Quando sua nave chega a Plutão, voce vai ter 3, 673, 500, 000 milhas (5,9 bilhões de quilômetros) de distância da Terra. Um sinal de rádio enviado por uma estação de rastreamento levaria 5,5 horas para chegar até você e mais 5,5 horas para viajar de volta (assumindo que as ondas estivessem viajando à velocidade da luz), tornando mais difícil identificar sua localização exata. Viaje ainda mais longe, e a precisão dos sistemas de rastreamento terrestre cai ainda mais. Claramente, uma solução melhor seria colocar um instrumento de navegação na espaçonave para que ela pudesse calcular sua posição independentemente. Isso e onde navegação pulsar , uma inovação do Goddard Space Flight Center da NASA, entra.
O GPS usa medidas precisas de tempo para fazer cálculos. Cada satélite GPS contém um relógio atômico, e sua hora é sincronizada com a de um receptor. Um receptor pode calcular o alcance do satélite multiplicando o tempo que leva para o sinal do satélite chegar ao receptor pela velocidade do sinal, que é a velocidade da luz. Se demorar 0,07 segundos para o sinal de um satélite chegar ao receptor, então o alcance do satélite é 13, 020 milhas (186, 000 milhas por segundo × 0,07 segundos).
Um foguete poderia fazer cálculos semelhantes se pudesse receber sinais de tempo emitidos por algo no espaço. Por sorte, o universo contém mais do que alguns dispositivos de cronometragem altamente precisos. São conhecidos como pulsares - estrelas de nêutrons em rotação rápida que emitem pulsos regulares de radiação eletromagnética. Em um ponto de sua vida, um pulsar estava vivo e brilhante. Em seguida, ele esgotou seu combustível nuclear e morreu em uma explosão massiva. O produto dessa explosão foi uma rotação rápida, objeto altamente magnetizado cujos pólos emitiam poderosos feixes de energia. Agora, enquanto a estrela morta gira, os feixes varrem ao redor, muito parecido com o farol de um farol. Um observador na Terra não pode ver a própria estrela, mas ele pode ver os pulsos de luz que fluem pelo espaço.
Alguns pulsares piscam e apagam a cada poucos segundos; outros piscam muito mais rapidamente. De qualquer jeito, eles sempre pulsam com uma frequência constante, o que os torna úteis para manter o tempo. Na verdade, como dispositivos de cronometragem, os pulsares rivalizam com os relógios atômicos em termos de precisão. Em 1974, um cientista do Laboratório de Propulsão a Jato - G.S. Downs - propôs pela primeira vez a ideia de usar pulsares para ajudar a nave espacial a navegar pelo cosmos. O conceito permaneceu no papel porque os cientistas ainda não sabiam o suficiente sobre as estrelas enigmáticas e porque os únicos instrumentos disponíveis para detectar pulsares - os radiotelescópios - eram enormes.
Ao longo dos anos, o campo avançou. Os astrônomos continuaram a descobrir pulsares e a estudar seu comportamento. Em 1982, por exemplo, cientistas descobriram os primeiros pulsares de milissegundos, que têm períodos de menos de 20 milissegundos. E em 1983, eles descobriram que certos pulsares de milissegundos emitiam fortes sinais de raios-X. Todo esse trabalho tornou possível mover a navegação pulsar do papel para a prática.
A versão deste artista mostra a carga útil NICER / SEXTANT. A carga útil de 56 telescópios voará na Estação Espacial Internacional. Imagem cortesia da NASA Embora o GPS que usamos na Terra não seja útil para viagens interplanetárias, seus princípios se aplicam a outros sistemas de navegação. Na verdade, usar pulsares para se orientar no sistema solar se assemelha ao GPS terrestre de várias maneiras:
O último obstáculo, claro, está testando a teoria para ver se ela se sustenta. Esse será um dos principais objetivos da missão NICER / SEXTANT da NASA. NICER / SEXTANT apoia Explorador de composição interior estrela de nêutrons / explorador de estação para tecnologia de sincronização e navegação de raios-X , que descreve um instrumento que consiste em 56 telescópios de raios-X agrupados em uma matriz do tamanho de um minifrigorífico [fonte:NASA]. Programado para voar na Estação Espacial Internacional em 2017, o instrumento fará duas coisas:estudar estrelas de nêutrons para aprender mais sobre elas e servir como uma prova de conceito para navegação de pulsar.
Se a missão NICER / SEXTANT for bem-sucedida, estaremos um passo mais perto da navegação interplanetária autônoma. E talvez tenhamos a tecnologia para evitar um desastre como o de Donner no espaço sideral. Estar perdido na borda do sistema solar, bilhões de milhas da Terra, parece um pouco mais assustador do que sair do caminho batido no seu caminho para a Califórnia.
Lembre-se de "Perdido no Espaço, "o exagerado programa de ficção científica que foi ao ar no final dos anos 1960? Assisti a repetições durante os anos 70 e adorei cada minuto. Parecia legal estar perdido no espaço naquela época. Agora, com alguma perspectiva, parece totalmente aterrorizante. Se a navegação do pulsar se tornar uma realidade, pelo menos aquele aspecto do vôo espacial - encontrar seu caminho - se tornará menos intimidante.
