W domenie nawigacji kosmicznej borykamy się dzisiaj zasadniczo z tym samym problem, który był utrapieniem żeglarzy aż do XVIII wieku. Zarówno na żaglowcu, jak i sondzie kosmicznej potrzebny jest wystarczająco precyzyjny i stabilny w długim okresie, odporny na warunki zewnętrzne, a zarazem przenośny chronometr.
Klasyczna nawigacja żeglarska opierała się na dwóch obserwacjach. Podczas pomiaru kąta nachylenia Słońca nad horyzontem w południe, czyli kiedy było ono w najwyższym punkcie, za pomocą odpowiednich tablic można było w prosty sposób określić szerokość geograficzną. Tu dokładność czasu wykonania pomiaru nie była krytyczna. Można było zrobić kilka pomiarów sekstantem i wziąć największą wartość. Przez długi czas problemem był pomiar długości geograficznej. W tym celu należało w czasie lokalnego południa, zobaczyć jak duża jest odchyłka od czasu referencyjnego znanej lokalizacji, Greenwich, by na podstawie innych tablic odczytać długość geograficzną. Aby metoda dawała precyzyjny wynik, pokładowy zegar z czasem referencyjnym w ciągu trzech miesięcy nie powinien różnić się wskazaniem od czasomierzy w Greenwich o więcej niż sekundę, niezależnie od tego jak bardzo buja, grzeje czy pada.
Podobny problem występuje w nawigacji sond kosmicznych. Ponieważ odległości w kosmosie są o wielokrotnie większe niż na oceanie, zegary używane w nawigacji kosmicznej muszą być znacznie dokładniejsze. Te kryteria spełniają w zasadzie tylko zegary atomowe. Najdokładniejszy wśród tych używanych na Ziemi wahnie się o sekundę dopiero w ciągu 15 miliardów lat. To mniej więcej tyle, ile wynosi szacowany wiek wszechświata.
Zegary atomowe, choć hiperdokładne, do niedawna były zbyt wielkie i ciężkie, żeby zabierać je w kosmos. Przykładowo czasomierz zainstalowany na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zwany ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) waży 227 kg i ma wielkość sklepowej zamrażarki na lody. Na małej sondzie taka „busola” byłaby zbyt dużym garbem. Bardziej przenośna wersja kosmicznego zegara atomowego, DSAC (Deep Space Atomic Clock), ma ważyć już tylko 3 kg i mieć objętość jednego litra. Taki zegar jest projektowany, by był odporny między innymi na efekty grawitacyjne oraz na wiatr słoneczny.
Tradycyjna dwukierunkowa metoda nawigowania sondami w kosmosie odbywa się z Ziemi. Wielkie anteny wysyłają sygnał radiowy w kierunku sondy, sonda odpowiednio modyfikuje sygnał i wysyła go z powrotem. W wielkim uproszczeniu kierunek od Ziemi do sondy oblicza się z ukierunkowania anteny, odległość na podstawie czasu wysyłki i odbioru sygnału, a prędkość sondy na podstawie przesunięcia dopplerowskiego. Przez porównanie rzeczywistego kursu z tym planowanym można wysłać instrukcje jego korekty. Wadą tej metody są spore opóźnienia, związane z odległościami rzędu dziesiątek lub setek milionów kilometrów. Przykładowo jeśli sonda znajduje się w okolicy Jowisza, przesłanie sygnału w obie strony zajmuje ponad godzinę. Pod tym względem o niebo lepsza byłaby metoda jednokierunkowa. Sygnał wysyłany z Ziemi pełniłby wtedy rolę namiernika, a wszystkie obliczenia – z wykorzystaniem dokładnego pokładowego zegara atomowego oraz ewentualne korekty kursu – dokonywane byłyby w czasie rzeczywistym przez samą sondę.
Pewne namierniki już mamy w postaci satelitów systemu GPS. Nadają one sygnał w kierunku Ziemi, ale część przekazu wykracza poza obłość planety i wędruje w kosmos. Satelity GPS orbitują na wysokości 20 tysięcy kilometrów, a ich sygnał w ramach eksperymentu wychwycono z wysokości 50 tysięcy kilometrów. Przy zastosowaniu superczułego sprzętu pewnie można by go złapać dalej, ale z Księżyca już raczej nie, a z innych planet na pewno nie.
Innymi gotowymi namiernikami, szczególnie przydatnymi do dalszych kosmicznych podróży, są pulsary. To szybko obracające się gwiazdy neutronowe, które ciągle omiatają przestrzeń wiązką promieniowania elektromagnetycznego. Takie naturalne kosmiczne latarnie. Każda latarnia morska ma swoją charakterystykę świecenia, dzięki której można ją łatwo rozpoznać z morza. Przykładowo latarnia w Ustce pali się przez 4 sekundy w ciągu każdych 6 sekund. Podobne właściwości mają pulsary: każdy z nich „świeci” w regularnych odstępach od sekundowych do milisekundowych. Podobnie jak w ziemskim GPS w teorii wystarczyłoby wziąć namiar na cztery lub więcej pulsarów, by obliczyć swoją pozycję w kosmosie. Szkopuł tkwi w tym, że do odebrania sygnału pulsara potrzebny jest radioteleskop. A te chwilowo są jeszcze większe, cięższe i mniej poręczne od zegara atomowego.
Artykuł ukazał się w Pixelu #32, którego nakład został już wyczerpany. Zapraszamy jednak do sklepu Pixela po inne wydania drukowanego magazynu.
