Una investigación conjunta entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y el Politécnico de Milán ha demostrado que es posible navegar naves espaciales de forma autónoma utilizando púlsares de rayos X. Los resultados de este trabajo, publicados en la prestigiosa revista Acta Astronautica, confirman la viabilidad del sistema conocido como XNAV (por sus siglas en inglés) para misiones en el espacio profundo.
Actualmente, la mayoría de las misiones espaciales dependen de estaciones terrestres para su guiado y seguimiento. Esto implica una intervención humana constante y se ve limitado por los retrasos en las comunicaciones. En cambio, los sistemas de navegación autónoma buscan romper esa dependencia, algo fundamental para viajes interplanetarios o más allá de la órbita terrestre, donde tecnologías como el GPS dejan de funcionar.
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran a gran velocidad y poseen un campo magnético extremadamente intenso. Emiten señales periódicas y muy estables, funcionando como auténticos ‘faros cósmicos’. Esta característica los convierte en una fuente natural ideal para determinar la posición de una nave sin ayuda externa.
Para analizar la viabilidad del XNAV, el estudio propone un enfoque sistemático y realista para seleccionar los púlsares más adecuados. Se tomaron en cuenta factores clave como su brillo, su estabilidad temporal, la configuración geométrica y las limitaciones de visibilidad. El objetivo era simular un sistema de navegación que operara sin intervención desde la Tierra.
El equipo de investigación empleó datos de observación reales de la misión NICER de la NASA. Este telescopio de rayos X, lanzado en 2017 y ubicado a bordo de la Estación Espacial Internacional, se dedica al estudio de estrellas de neutrones y agujeros negros. Con esa información, los científicos simularon el rendimiento de un sistema XNAV autónomo.
‘A diferencia de muchos estudios previos, hemos utilizado datos reales de observación para evaluar el rendimiento del sistema, lo que nos permite estimar de forma mucho más realista las capacidades de la navegación autónoma basada en púlsares’, afirma Sui Chen, investigadora predoctoral del Politécnico de Milán y participante en el estudio.
En lugar de basarse únicamente en modelos teóricos de ruido, el trabajo emplea datos reales para calcular la incertidumbre de las mediciones. La conclusión es clara: la navegación autónoma sin apoyo terrestre es factible, especialmente para misiones en el espacio profundo, más allá de las órbitas terrestres, donde no existe el GPS ni otros sistemas de posicionamiento tradicionales.
‘El desafío no consiste simplemente en identificar los púlsares más brillantes, sino en determinar la combinación óptima de fuentes capaz de proporcionar un rendimiento de navegación preciso, exacto y estable a lo largo de toda la misión’, señala Emilie Parent, anteriormente investigadora postdoctoral del CSIC en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE).
UNA ALTERNATIVA VIABLE PARA EL FUTURO DE LA EXPLORACIÓN ESPACIAL
El sistema XNAV fue puesto a prueba mediante un filtro de Kalman extendido, un algoritmo que combina un modelo dinámico con mediciones externas para estimar el estado de la nave en condiciones de incertidumbre. Se evaluaron dos escenarios distintos: uno en órbita terrestre baja y otro simulando un viaje desde la Tierra hasta Júpiter. Los perfiles de pulso de los púlsares se construyeron a partir de los datos de NICER, y las incertidumbres se calcularon extrapolando a varios tipos de detectores de rayos X futuros.
Los resultados revelan diferencias importantes según el tipo de púlsar. Aquellos que emiten grandes cantidades de energía, como el púlsar del Cangrejo (PSR B0531+21) en la nebulosa del Cangrejo, pueden alcanzar una alta precisión (menos de 7 kilómetros en órbita terrestre baja), pero presentan una baja estabilidad a largo plazo. En cambio, los púlsares de milisegundos (con periodos de rotación de entre 1 y 10 milisegundos) ofrecen una mayor fiabilidad a lo largo del tiempo, aunque con una precisión de navegación menor.
El estudio también presenta un análisis sistemático del rendimiento del sistema, evaluando la precisión de posicionamiento alcanzable en diferentes rangos de área efectiva de los instrumentos. Esto sienta las bases para el desarrollo de dispositivos XNAV que podrían integrarse en pequeños satélites.
‘Hemos querido dar un paso importante hacia sistemas de navegación capaces de operar de manera autónoma en el espacio profundo por mucho tiempo, donde la dependencia de infraestructuras terrestres sea cada vez más limitada’, explica Nanda Rea, investigadora del ICE-CSIC y del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), y coautora del estudio.
Este trabajo, desarrollado íntegramente en el ICE-CSIC, ha sido cofinanciado por una subvención Proof of Concept (PoC) del Consejo Europeo de Investigación (ERC), otorgada al proyecto DeepSpacePULSE, liderado por Nanda Rea. El objetivo de este proyecto es estudiar la viabilidad de la navegación autónoma con rayos X de púlsares para hacer que estos dispositivos de posicionamiento sean competitivos tanto en el mercado espacial público como privado.
Este artículo contribuye al desarrollo de tecnologías de navegación autónoma para la exploración espacial, reduciendo la dependencia de los sistemas terrestres. A largo plazo, podría hacer posibles misiones más eficientes en el espacio profundo, tanto para la exploración planetaria como para viajes interplanetarios.
Investigaciones futuras se centrarán en mejorar los modelos de sincronización de púlsares, combinar múltiples fuentes para una mayor solidez e integrar los sistemas XNAV con otros métodos de navegación.
Además, está previsto construir en los laboratorios del ICE-CSIC un primer modelo de ingeniería del dispositivo con todos sus componentes. ‘Esto abre el camino hacia la navegación totalmente autónoma de naves espaciales para misiones en el espacio profundo, donde ningún otro sistema de navegación puede ser eficaz a largo plazo’, concluye Rea.
Fuente: Infobae