Wie wird der X-ray Communications (XCOM) Sender aussehen?

Der NASA-Nachrichtenartikel NASA's NavCube Could Support an X-ray Communications Demonstration in Space – A NASA First erwähnt die potenzielle Verwendung von Röntgenwellenlängen für eine verbesserte Reichweite der Weltraumkommunikation. Bisher ist der einzige Vorteil, den ich gegenüber der optischen Kommunikation sehe, die kürzere Wellenlänge, was möglicherweise eine geringere Divergenz für eine bestimmte Apertur bedeutet.

Wenn man beispielsweise runde Zahlen verwendet, hat ein 1-eV-Photon eine Wellenlänge von ungefähr 1 Mikrometer. Bei einer Rückübertragung zur Erde mit einer Öffnung von 10 cm würde der Divergenzwinkel dann 1E-05 Radiant (etwa 2 Bogensekunden) betragen, aber die Verwendung davon erfordert:

  • Beugungsbegrenzte Optik
  • Beugungsbegrenzte Quellengröße (z. B. faseroptischer Halbleiterlaser)
  • Schön gefüllte Öffnung
  • Mikrometergenaue mechanische Ausrichtung innerhalb des Systems
  • Strahlausrichtungsgenauigkeit und -stabilität im einstelligen Bogensekundenbereich

Diese sind sicherlich alle machbar. Eine Feinsteuerung der Strahlausrichtung könnte zum Beispiel mit einem aktivierten MEMS-Verfolgungsgerät in der Brennebene erfolgen, aber das Einrasten und Verfolgen eines optischen Leuchtfeuers würde aufgrund der erheblichen optischen Verzögerungen schwierig werden. Nehmen wir an, dies wird irgendwie gelöst – vielleicht durch Verfolgen zufälliger Sterne durch denselben optischen Pfad (off-axis).

Für Röntgenenergien von beispielsweise 100 eV, 1 keV und 10 keV liegen die Wellenlängen in der Größenordnung von 100, 10 und 1 Angström! Um diese Vorteile zu nutzen, müssten anscheinend viele, wenn nicht alle der oben genannten Elemente zwischen 100 und 10.000 Mal besser sein als das optische System.

Frage: Gibt es Forschungen oder gar Spekulationen darüber, wie ein Röntgensender im Weltraum aussehen würde? Oder hängt der Vorteil von Röntgenstrahlen für den Weltraum nicht wirklich mit beugungsbegrenzter Optik zusammen?

Update: Auch ein Prototyp reicht aus, es muss kein zur Hauptsendezeit lesbarer Deep-Space-fähiger Sender sein.

Eine Einschränkung, die mir einfällt, ist, dass viele Himmelsobjekte Röntgenstrahlen aussenden, sodass es schwierig sein könnte, ein bestimmtes Röntgensignal zu empfangen. Darüber hinaus liegt die Frequenz von Röntgenstrahlen zwischen 16 und 19 Größenordnungen. Wir verwenden üblicherweise X-Band und S-Band für den Weltraum und C/K/Ka-Bänder für erdumkreisende Fahrzeuge: Die höchste Frequenz hier ist das Ka-Band, das bis zu 26 GHz (IIRC) reicht. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie wird benötigt, um das Signal zu erzeugen. Dies ist ein solches Problem, dass die extreme Mehrheit der Raumfahrzeuge eine niedrigere Frequenz für die Abwärtsverbindung als für die Aufwärtsverbindung verwendet.
@ChrisR gilt das für die Weltraumkommunikation? Zum Beispiel senden die Voyagers jetzt nur noch Downlink zur Erde über das X-Band (~8,4 GHz) und empfangen Uplink von der Erde über das S-Band (~2,4 GHz). Dies liegt daran, dass die Parabolantenne mit hoher Verstärkung einen Gewinn von +48 dBi für das X-Band, aber nur +36 dBi für das S-Band hat. Nachdem sie sich sehr weit von der Erde entfernt hatten, stoppten sie den S-Band-Downlink. Und das liegt an demselben Beugungseffekt, der in der Frage diskutiert wurde. Für die gleiche Signalstärke auf der Erde würde die höhere Frequenz weniger Leistung erfordern, nicht mehr .
@ChrisR Es gibt auch viele Interferenzen von astronomischen Quellen bei HF- und optischen Frequenzen - quantitativ prüfen. Da Röntgenphotonen eine so viel höhere Frequenz haben, sind die Probleme im Zusammenhang mit der thermischen Rauschgrenze des Frontends ganz anders als bei einem HF-Frontend.
Der Bau einer Röntgenschüsselantenne mit sehr geringer Strahlbreite ist ein Problem der verwendeten Optik. Die Verwendung von Linsen ist nicht möglich und Spiegel dürfen nur verwendet werden, wenn der Winkel zur Reflexionsebene sehr gering ist. Das Modulieren eines Röntgenstrahls mit Daten hoher Bandbreite ist ein weiteres Problem.
Hier ist ein mit einem Röntgendetektor ausgestatteter Cubesat (mit Fotos) directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/… , nicht ganz ein Transceiver, aber immerhin. Auch wer auch immer das Logo für das XCOM-Projekt der NASA erstellt hat, scheint stark vom Logo des XCOM-Videospiels inspiriert worden zu sein, was urkomisch ist
@Dragongeek sehr cool, aber ich brauche eine Weile, um die Details des ADCS zu verstehen; Ich denke, es braut sich eine Frage zusammen ... Oben steht auch "... und eine artikulierende Solaranlage". das erinnerte mich an Hat ein erheblicher Anteil der CubeSats (oder überhaupt welche) gelenkige Sonnenkollektoren / Segel, die auf die Sonne gerichtet werden können? Ich weiß nicht, ob sie nur bedeuten, dass das Array aufspringt, wenn das Filament geschnitten wird, oder ob es wirklich artikuliert. Da die Rollachse zur Sonne zeigt, kann ich mir nicht vorstellen, warum das so wäre ...
@ChrisR, Re, "Je höher die Frequenz, desto mehr Leistung wird benötigt, um das Signal zu erzeugen." Das mag für die spezifische Technologie zutreffen, die wir zur Erzeugung von Mikrowellensignalen verwenden, aber das Konzept „Frequenz“ ist für Röntgenstrahlen im Grunde bedeutungslos. Röntgenstrahlen würden von einer anderen Technologie erzeugt werden, und sie hätte ihre eigenen, anderen Designregeln.

Antworten (2)

Etwas anderes als eine Röntgenröhre wäre erforderlich.

  • Der Wirkungsgrad von Röntgenröhren ist sehr gering, etwa 1 % oder weniger.

  • Der Frequenzbereich der emittierten Röntgenstrahlen ist sehr breit.

  • Strahlbreite ist sehr schlecht.

  • Die Pulsmodulation ist langsam, etwa eine Millisekunde.

Es gibt sicherlich Röntgenlaser und neuerdings auch Elektronen-Undulatoren oder noch besser. Ich würde mich auch auf den Zeitbereich konzentrieren; Der Empfang von 10 Impulsen in einer Sekunde könnte ein Rauschen sein, aber wenn sie alle innerhalb von 1 Millisekunde kamen, gefolgt von 999 Millisekunden Stille, dann ist das zum Beispiel ein klares Signal.
Aber gibt es einen leichten kompakten Röntgenlaser oder eine Synchrotronstrahlungsquelle?
Meine gepostete Frage ist nicht einfach!
Ich habe einige Links unter der Frage hinzugefügt, schau mal.

Ich bin mir nicht sicher, wie die "Antenne" für ein Röntgenkommunikationssystem aussieht (wenn ich eine Vermutung wagen sollte, wahrscheinlich ein großflächiger Bildschirm + PMT-Detektor wie der von Backscatter-Systemen), aber Miniaturized High-Speed ​​der NASA Modulated X-Ray Source (MXS) könnte das sein, was sich auf der ISS befindet.

Anstatt seine Elektronen aus thermionischer Emission zu gewinnen, verwendet es eine Photokathode, die von einer schnellen LED beleuchtet wird, die die eigentliche Modulation durchführt, und einen Elektronenvervielfacher!

Die Technologie

Das MXS erzeugt Elektronen, indem es UV-Licht von einer LED auf ein Fotokathodenmaterial wie Magnesium strahlt. Die Elektronen werden dann über mehrere kV und in ein ausgewähltes Zielmaterial beschleunigt; Verzögerung erzeugt für das Ziel charakteristische Röntgenstrahlen. Das MXS verwendet einen Elektronenvervielfacher für eine hohe Effizienz der Röntgenstrahlerzeugung.

Laden Sie ein PDF-Datenblatt für diese Technologie herunter.

FEIGE. 1: Herkömmliche Röntgenquellen verwenden ein beheiztes Filament mit Ein-/Aus-Übergängen von mehreren Sekunden.

FEIGE. 2: Das MXS verwendet Photoelektronen, um die Röntgenstrahlung im Zeitbereich von Nanosekunden zu variieren.

FEIGE. 1: Herkömmliche Röntgenquellen verwenden ein beheiztes Filament mit Ein-/Aus-Übergängen von mehreren Sekunden. FEIGE. 2: Das MXS verwendet Photoelektronen, um die Röntgenstrahlung im Zeitbereich von Nanosekunden zu variieren.

"Ich bin mir nicht sicher, wie die 'Antenne' für ein Röntgenkommunikationssystem aussieht ..." Ich denke, dass es viel schöner aussehen würde ! :-)
Die medizinische Röntgenbildgebung verwendet viel kürzere Belichtungszeiten, weniger als 100 ms, < 50 ms, < 20 ms. Mehrere Sekunden würden zu einer sehr geringen Bildqualität führen.
Ich frage mich, ob dies auch eine Antwort auf Höchste Gleichspannung sein kann, die jemals absichtlich im Weltraum erzeugt wurde? In solchen Fällen werden mehrere Antworten veröffentlicht (es kann nicht erwartet werden, dass eine einzelne Person alle Spannungen im Weltraum kennt), und ich denke, dass 10 kV erwähnt werden sollten, auch wenn wir nicht 1000% sicher sein können, dass dies genau die verwendete Spannung ist auf der ISS.
Wie wird der X-ray Communications (XCOM) Sender aussehen?
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