Zwykły GPS tam nie wystarczy. Chcą zbudować sieć nawigacji w głębokim kosmosie

Wyjmujemy telefon i po kilku sekundach wiemy, gdzie jesteśmy. Statek lecący między Ziemią a Księżycem nie wie. MIT chce więc postawić tam odpowiednik drogowskazów: niewielką sieć satelitów umieszczonych na ekstremalnie wysokich orbitach. Miałyby świecić laserami, mierzyć położenie statków i dostarczać im nawigację podobną w działaniu do GPS. Najdalsze latarnie LightHOUSE mogłyby znaleźć się nawet około 1,6 mln km od Ziemi.

Gdybyśmy stwierdzili, że GPS nie działa za orbitą Ziemi, to byśmy po prostu skłamali. W marcu 2025 r. eksperyment LuGRE znajdujący się na lądowniku Blue Ghost odebrał na powierzchni Księżyca sygnały amerykańskiego GPS i europejskiego Galileo, a następnie obliczył swoją pozycję. Było to pierwsze takie osiągnięcie w historii, uzyskane około 360 tys. km od Ziemi.

Problem polega jednak na tym, że ziemskie konstelacje nie powstały z myślą o Księżycu, bo ich anteny kierują główną część sygnału w stronę naszej planety. Daleko od niej można polować na znacznie słabsze fragmenty wiązek, ale wymaga to bardzo czułych odbiorników i nie zapewnia wygody znanej z telefonu czy samochodowej nawigacji.

Po przekroczeniu orbity geostacjonarnej misje nadal w dużym stopniu polegają na naziemnych systemach, przede wszystkim należącej do NASA Deep Space Network. To gigantyczne anteny rozstawione w kilku punktach Ziemi, które śledzą statki kosmiczne, mierząc m.in. ich odległość i prędkość.

DSN jest niezwykle precyzyjna, ale pojawia się problem geometrii. GPS działa dobrze m.in. dlatego, że odbiornik widzi satelity znajdujące się w różnych częściach nieba. Im większe rozrzucenie źródeł sygnału, tym łatwiej dokładnie wyliczyć położenie. Dla statku znajdującego się setki tysięcy kilometrów od nas nawet anteny DSN leżące na różnych kontynentach są stosunkowo blisko siebie. Z jego perspektywy wszystkie znajdują się mniej więcej w jednym kierunku.

Wyznaczenie dokładnej orbity może przez to zajmować godziny, a sama sieć ma jeszcze jeden fundamentalny problem: korzystają z niej równocześnie liczne misje, więc czas gigantycznych anten trzeba rezerwować. LightHOUSE (Light High-Orbit Utility Signal Emitter) ma przenieść część tej infrastruktury znacznie dalej od Ziemi.

Pomysł zespołu MIT Lincoln Laboratory zakłada umieszczenie niewielkiej konstelacji satelitów na bardzo wysokich orbitach, sięgających nawet około miliona mil, czyli 1,6 mln km. Nie chodzi tu jednak tylko o samą odległość. Satelity mają być rozmieszczone tak, aby statek widział je pod wyraźnie różnymi kątami. To właśnie ma odtworzyć jedną z największych zalet GPS – dobrą geometrię pomiaru również w ogromnej przestrzeni między Ziemią a Księżycem.

Zamiast komunikować się wyłącznie drogą radiową, LightHOUSE wykorzysta połączenia optyczne. Każda duża latarnia dostałaby teleskop o średnicy liczonej w dziesiątkach centymetrów i laser o mocy kilkudziesięciu watów. Statek korzystający z usługi potrzebowałby znacznie skromniejszego wyposażenia: apertury liczonej w centymetrach i lasera o mocy zaledwie kilkudziesięciu miliwatów.

Ciężar całej operacji ma więc spoczywać głównie na infrastrukturze, dokładnie tak jak w GPS. Użytkownik nie powinien wozić połowy radioteleskopu tylko po to, aby dowiedzieć się, gdzie jest.

LightHOUSE nie ograniczałby się jednak wyłącznie do wysyłania sygnału czasu. Kosmiczne latarnie miałyby wymieniać ze statkiem impulsy laserowe, a jednocześnie obserwować jego położenie na tle gwiazd. Połączenie tych danych pozwoliłoby wyznaczać jego trójwymiarową pozycję oraz prędkość.

Dla misji księżycowej oznaczałoby to o wiele rzadsze wykonywanie korekt trajektorii na wszelki wypadek, mniejsze zużycie paliwa i większą samodzielność statku. System mógłby też rozwiązać problem komunikacji z niewidoczną z Ziemi stroną Księżyca. Podczas tegorocznej Artemis II Orion stracił bezpośredni kontakt z Ziemią na około 40 min, gdy przechodził za Srebrnym Globem. Odpowiednio rozmieszczona latarnia LightHOUSE mogłaby nadal widzieć statek i przekazywać jego dane dalej.

Jak pisaliśmy w tekście: W wiecznym mroku Księżyca powstanie niezwykła maszyna. Chodzi o twój zegarek, nie jest to jedyny pomysł na nową infrastrukturę nawigacyjną w pobliżu Księżyca. Badacze pracują również nad ekstremalnie stabilnymi laserami i lokalnymi sieciami satelitów przeznaczonymi już bezpośrednio dla jego powierzchni.

MIT nie ma jeszcze floty gotowych satelitów czekających na rakietę. Zespół prowadzi symulacje, analizy i eksperymenty laboratoryjne. Dopiero kolejnym krokiem ma być publikacja szczegółowej architektury LightHOUSE. Pełny system wymagałby później inwestycji liczonych prawdopodobnie w setkach milionów dolarów.

Motywacja będzie jednak tylko rosła. Im więcej statków, lądowników, satelitów i ludzi znajdzie się pomiędzy Ziemią a Księżycem, tym mniej sensowne stanie się prowadzenie każdego z nich ręcznie z kilku wielkich anten na naszej planecie.

Przeczytaj także:

Przy okazji trzeba będzie rozwiązać jeszcze bardziej fundamentalny problem. Jak pisaliśmy w tekście: Czas płynie szybciej na Księżycu. Dzięki Einsteinowi wiemy o ile szybciej, księżycowe zegary z powodu efektów relatywistycznych uciekają ziemskim o około 56 mikrosekund na dobę. W systemie nawigacyjnym taka drobnostka zdecydowanie drobnostką nie jest.

Na Ziemi GPS jest dziś praktycznie niewidzialną infrastrukturą. Dopiero gdy pojedziemy w tunel, zauważamy, jak bardzo od niego zależymy. W drodze na Księżyc ten tunel zaczyna się znacznie wcześniej. MIT chce po prostu ustawić za jego końcem następne latarnie.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI