Astronomie ohne Teleskop – Risikominderung für einen Einschlag

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Von Steve Nerlich in Universe Today – Übersetzt von Harald Horneff

 

donquijote

Die Mission Don Quijote, die 2015 gestartet werden könnte. Das Raumfahrzeug Sancho wird einen Asteroiden umkreisen und Daten sammeln, während ein weiteres Raumfahrzeug mit Namen Hidalgo mit dem Asteroiden bei dem Versuch zusammenstößt, dessen Flugbahn zu verändern. Quelle: ESA

Die “Rettet-die-Erde”-Probemission Don Quijote, von der European Space Agency (ESA) in Auftrag gegeben, plant die Möglichkeit, eine echte Leben-oder-Tod-Mission zu testen, einen Massenaussterben auslösenden Asteroiden von einem Kollisionskurs mit der Erde abzulenken.

Zurzeit im Entwurfsstadium, hat man die Don Quijote Near Earth Asteroid Impact Mitigation Mission für einen geplanten Flug konzipiert, der entweder zu 2002 AT4 oder 1989 ML führt, beides erdnahe Asteroiden, wenngleich keiner der beiden ein offensichtliches Kollisionsrisiko darstellt. Nachfolgende Studien haben aber Amor 2003 SM84 oder auch 99942 Apophis vorgeschlagen, die passendere Ziele sein könnten. Immerhin besitzt 99942 Apophis das gering (1 zu 250.000) Risiko, im Jahr 2036 auf der Erde einzuschlagen.

Was auch immer das Ziel sein wird, es ist ein doppelter Start von zwei Raumfahrzeugen geplant – ein Impaktor mit Namen Hidalgo (ein Titel, den Cervantes dem ursprünglichen Don Quixote gab) und eine Raumsonde mit Namen Sancho (der treue Begleiter des Don Quixote).

Während die Rolle des Impaktors selbsterklärlich ist, spielt die Raumsonde eine Schlüsselrolle bei der Interpretation des Einschlags – die Idee dabei ist, Werte über Aufprallimpuls und Bahnänderung zu sammeln, welche dann zukünftige Missionen zur Verfügung stehen, in denen das Schicksal der Erde wirklich auf dem Spiel stehen könnte.

Inwieweit vom Impaktor auf einen Asteroiden Impuls übertragen wird, hängt von der Masse (etwas über 500 kg) und Geschwindigkeit (etwa 10 km/s) des Impaktors ebenso ab wie von der Zusammensetzung und Dichte des Asteroiden. Die größte Impulsänderung wird man erzielen können, wenn der Einschlag Material aufwirft, das die Fluchtgeschwindigkeit erreicht. Wenn sich der Impaktor aber nur in den Asteroiden eingräbt, wird man viel weniger Impulsübertragung erreichen, da seine Masse wesentlich geringer sein wird als jeder ein Asteroid, der ein Massenaussterben bewirkt. Zum Beispiel vermutet man, daß das Objekt, welches den Chicxulub-Krater formte und die Dinosaurier auslöschte (ja, richtig – mit Ausnahme der Vögel) einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 km besaß.

Vor dem Einschlag wird die Raumsonde eine genaue Untersuchung der Gesamtmasse des anvisierten Asteroiden sowie dessen oberflächennahe Dichte und Körnigkeit durchführen, um den geplanten Einschlag zu unterstützen. Dann, nach dem Einschlag, wird der Orbiter Geschwindigkeit und Verteilung des Auswurfmaterials mit Hilfe seiner Impakt-Kamera bestimmen.

Allerdings stellt das sorgfältige Vermessen des durch den Einschlag erreichten Grads der Ablenkung eine beachtliche Herausforderung für die Mission dar. Um den Grad der Ablenkung auch wirklich feststellen zu können, werden viel bessere Daten über die Masse und Geschwindigkeit des anvisierten Asteroiden benötigt, als man sie von der Erde aus bestimmen kann. So führt der Orbiter eine Reihe von Vorbeiflügen durch, schwenkt dann in eine Umlaufbahn um den Asteroiden ein und bestimmt, wie stark der Asteroid durch die Nähe der Raumsonde beeinflußt wird.

Die genaue Ermittlung der Entfernung von Raumsonde zu Asteroid wird durch ein Laser Altimeter (Höhenmeßgerät) erreicht, während ein Radio Experiment die Position der Raumsonde (und damit die Lage des Asteroiden) relativ zur Erde genau bestimmen wird.

Hat man nun die Raumsonde als Referenzpunkt eingeführt, wird der Einfluß durch den Einschlag des Impaktors beurteilt werden können. Allerdings tritt als bedeutender Störfaktor der Yarkovsky-Effekt auf – die Auswirkung der Erwärmung eines Asteroiden durch die Sonne. Die Erwärmung verursacht die Emission thermischer Photonen und erzeugt daher einen winzigen Schub. Der Yarkovsky-Effekt drückt die Umlaufbahn eines Asteroiden nach außen, wenn er eine Eigendrehung besitzt, die in die gleiche Richtung wie sein Umlauf zeigt (prograd) – oder nach innen, wenn er eine gegen den Umlauf gerichtete (retrograde) Eigendrehung hat. Daher wird die Raumsonde auch ein thermisches Infrarot-Spektrometer benötigen, um diesen Effekt vom Einfluß des Einschlags abtrennen zu können.

 

hidalgo

Um den Effekt des Einschlags von Hidalgo zu bewerten, muß der Yarkovsky-Effekt berücksichtigt werden. Die Erwärmung einer Asteroidenoberfläche durch die Sonne erzeugt thermische Strahlung. Der Nettobetrag des Gesamtimpulses dieser Strahlung stammt von den Oberflächen, die sich gerade aus dem Licht der Sonne (d.h. „Dämmerung“) gedreht haben. Bei Asteroiden mit prograder Drehung wird dies den Asteroiden in eine höhere Umlaufbahn heben – d.h. weiter von der Sonne weg. Aber für Asteroiden mit retrograder Rotation wird die Umlaufbahn abfallen – d.h. sich der Sonne nähern.

Wegen der Bedeutung der Raumsonde als Referenzpunkt muß der Einfluß der Sonnenstrahlung auf die Raumsonde selbst natürlich ebenfalls gemessen werden. Ja wir müssen sogar berücksichtigen, daß sich dieser Einfluß ändert, wenn die glänzenden, im Neuzustand stark reflektierenden Oberflächen der Sonde ihren Glanz verlieren. Stark reflektierende Oberflächen senden fast sofort Strahlung aus, die sich auf Energiestufen (d.h. hoher Impuls) nahezu gleich der einfallenden Strahlung befindet. Oberflächen mit geringer Albedo (Rückstrahlvermögen) können allerdings nur niedrige Energie (d.h. niedrigerer Impuls) in Form thermischer Strahlung abgeben – und dies auch nur langsam.

Mit anderen Worten: eine Spiegeloberfläche ergibt ein viel besseres Sonnensegel als eine schwarze Oberfläche.

Kurz gesagt wird die Don Quijote Einschlag-Risikominderungs-Mission (impact mitigation mission) einen Impaktor mit Zielkamera benötigen – dazu einen Orbiter mit Einschlag-Beobachtungskamera, Laser Altimeter, Radioexperiment und thermischem Infrarot-Spektrometer – und man sollte daran denken, den Effekt des solaren Strahlungsdrucks auf die Raumsonde zu messen; sowohl zu Beginn der Mission, wenn die Sonde glänzend ist – als auch später, wenn sie es nicht mehr ist.

Weiterführende Literatur (im Internet zu finden unter):

arXiv:1107.4229v1

Stephen D. Wolters, Andrew J. Ball, Nigel Wells, Christopher Saunders, Neil McBride

Measurement requirements for a near-Earth asteroid impact mitigation demonstration mission (2011)

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