Wie man einen Asteroiden ablenkt

Ingenieure des MIT entwickeln eine Entscheidungskarte, um den besten Missionstyp zum Ablenken eines herannahenden Asteroiden zu bestimmen.

Am 13. April 2029 wird ein eisiges Objekt, mit 30 Kilometern pro Sekunde an der Erde vorbeiziehen und die Sphäre geostationärer Satelliten streifen. Es wird der engste Vorbeiflug eines der größten Asteroiden sein, die die Erdumlaufbahn im nächsten Jahrzehnt kreuzen. Neuere Beobachtungen haben bestätigt, dass der Asteroid sowohl 2029 als auch 2036 die Erde nicht treffen wird.

Beobachtungen des Asteroiden mit der Bezeichnung (99942) Apophis, benannt nach dem ägyptischen Gott des Chaos, deuteten einmal darauf hin, dass sein 2029er Vorbeiflug ihn durch ein Gravitationsschlüsselloch führen würde – einem Ort im Gravitationsfeld der Erde, der an der Flugbahn des Asteroiden so zerren würde, dass er bei seinem nächsten Vorbeiflug an der Erde im Jahr 2036 einen verheerenden Einschlag verursachen könnte.

Glücklicherweise haben sich diese Befürchtungen nicht bestätigt. Dennoch glauben die Wissenschaftler, dass es nie zu früh ist, Strategien zur Ablenkung eines Asteroiden zu entwickeln, damit die Menschheit vorbereitet ist, falls es jemals zu einem Crashkurs mit unserem Heimatplaneten kommen sollte.

Nun haben MIT-Forscher einen Rahmen entwickelt um zu entscheiden, welche Art von Mission am erfolgreichsten wäre, um einen ankommenden Asteroiden abzulenken. Ihre Methode berücksichtigt die Masse und die Eigendynamik eines Asteroiden, seine Nähe zu einem Gravitationsschlüsselloch und die Vorwarnzeit, die Wissenschaftler bei einer bevorstehenden Kollision hätten – alles mit einem gewissen Unsicherheitsgrad, den die Forscher auch berücksichtigen, um die erfolgreichste Mission für einen bestimmten Asteroiden zu ermitteln.

Die Forscher wandten ihre Methode auf Apophis und Bennu an, einem weiteren erdnahen Asteroiden, der das Ziel von OSIRIS-REx ist, einer operativen NASA-Mission, die plant, 2023 eine Probe von Bennus Oberflächenmaterial zur Erde zurückbringen zu können. REXIS, ein Instrument, das von Studenten am MIT entwickelt und gebaut wurde, ist ebenfalls Teil dieser Mission und dessen Aufgabe ist es, die Menge an chemischen Elementen an der Oberfläche zu charakterisieren.

In einem Artikel, der diesen Monat in der Zeitschrift Acta Astronautica erschienen ist, legen die Forscher anhand ihrer „Entscheidungskarte“ die Art der Mission dar, die wahrscheinlich den größten Erfolg bei der Ablenkung von Apophis und Bennu hätte und zwar in verschiedenen Szenarien, in denen die Asteroiden auf ein gravitatives Schlüsselloch zusteuern könnten. Sie sagen, dass diese Methode verwendet werden könnte, die optimale Missions-Konfiguration und eine Kampagne zur Ablenkung eines potenziell gefährlichen erdnahen Asteroiden zu entwerfen.

„Forscher haben vor allem Strategien der Last-Minute-Ablenkung in Betracht gezogen, wenn der Asteroid bereits das Schlüsselloch passiert hat und auf eine Kollision mit der Erde zusteuert“, sagte Sung Wook Paek, leitender Autor der Studie und ehemaliger Doktorand der Abteilung für Luftfahrt und Astronautik am MIT. „Ich bin daran interessiert, lange vor der Passage durch das Schlüsselloch den Einschlag auf der Erde zu verhindern. Es ist wie ein Präventivschlag, mit weniger Durcheinander.“

Ablenkung eines gefährlichen Asteroiden

Im Jahr 2007 kam die NASA in einem dem US-Kongress vorgelegten Bericht zu dem Schluss, dass im Falle eines Asteroiden, der auf die Erde zufliegt, die effektivste Möglichkeit zur Ablenkung des Asteroiden darin besteht, eine Atombombe ins All zu schießen. Die Wucht seiner Detonation würde den Asteroiden zwar wegschleudern, aber der Planet hätte dann mit einem nuklearen Fallout zu kämpfen. Der Einsatz von Atomwaffen zur Ablenkung von Asteroideneinschlägen bleibt ein kontroverses Thema in der planetaren Verteidigungsgemeinschaft.

Die zweitbeste Option bestand darin, einen „kinetischen Impaktor“ hoch zuschicken – eine Raumsonde, eine Rakete oder ein anderes Geschoss, das, wenn es genau in die richtige Richtung und mit ausreichender Geschwindigkeit gelenkt wird, mit dem Asteroiden kollidieren, einen Bruchteil seines Impulses übertragen und ihn vom Kurs abbringen sollte.

"Das physikalische Grundprinzip ist so etwas wie ein Billardspiel", erklärt Paek.

„Damit jedoch ein kinetischer Impaktor erfolgreich ist, müssen die Eigenschaften des Asteroiden, wie Masse, Eigendynamik, Flugbahn und Oberflächenzusammensetzung so genau wie möglich bekannt sein“, sagte de Weck, Professor für Luft- und Raumfahrt und Technische Systeme am MIT. Das bedeutet, dass die Wissenschaftler und Manager der Mission bei der Gestaltung einer Ablenkungsmission Unsicherheiten berücksichtigen müssten. Im Fall eines gefährlichen Asteroiden ist die Erfolgswahrscheinlichkeit einer Mission aber entscheidend.

Schließen eines Schlüssellochs

Paek und seine Kollegen entwickelten einen Simulation, um jenen Typ einer Ablenkungsmission zu finden, der angesichts der wenig bekannten Eigenschaften eines Asteroiden die beste Erfolgschance hätte.

Die Missionen die sie in Erwähnung zogen, umfassen grundsätzlich einen Impaktor, bei dem ein Geschoss ins All geschossen wird, um einen Asteroiden vom Kurs abzulenken. Andere Variationen beinhalteten das Senden eines Kundschafters, um zuerst den Asteroiden zu vermessen, um die Spezifikationen eines Projektils verfeinern zu können, dass dann später in den Weltraum geschickt würde. Oder es werden zwei Kundschafter gesendet, einer, um den Asteroiden zu vermessen und der andere, um den Asteroiden etwas vom Kurs zu schubsen, bevor anschließend ein größeres Projektil gestartet wird, um den Asteroiden endgültig vom Kurs auf die Erde abzulenken.

Die Forscher gaben spezifischen Variablen in die Simulation ein, wie Masse, Eigendynamik und Flugbahn des Asteroiden sowie den Bereich an Unsicherheit bei jeder dieser Variablen. Vor allem aber berücksichtigten sie die Nähe eines Asteroiden zu einem gravitativen Schlüsselloch sowie die Zeit, die den Wissenschaftlern zur Verfügung steht, bevor ein Asteroid das Schlüsselloch durchquert.

„Ein Schlüsselloch ist wie eine Tür – sobald sie offen ist, wird der Asteroid mit hoher Wahrscheinlichkeit bald darauf auf der Erde einschlagen“, sagte Paek.

Die Forscher testeten ihre Simulation an Apophis und Bennu, zwei von nur einer Handvoll Asteroiden, für welche die Standorte ihrer Gravitationsschlüssellöcher in Bezug auf die Erde bekannt sind. Sie simulierten verschiedene Entfernungen zwischen dem Asteroiden und seinem jeweiligen Schlüsselloch und berechneten für jede Entfernung eine „sichere Hafenregion“ in der ein Asteroid abgelenkt werden müsste, um sowohl einen Einschlag mit der Erde als auch das Passieren eines anderen nahe gelegenen Schlüssellochs zu vermeiden.

Dann bewerteten sie, welche der drei Hauptmissions-Arten am erfolgreichsten wäre, um den Asteroiden in einen sicheren Hafen abzulenken, je nachdem, wie viel Zeit den Wissenschaftlern zur Vorbereitung bleibt.

Wenn beispielsweise Apophis in fünf oder mehr Jahren durch ein Schlüsselloch gehen würde, bliebe genug Zeit, um zwei Kundschafter zu senden – einen, um die Dimension des Asteroiden abzumessen, und den anderen, ihn zum Test leicht aus der Spur zu bringen, bevor der Haupt-Impaktor gesendet wird. Wenn die Schlüssellochpassage innerhalb von zwei bis fünf Jahren erfolgt, bleibt möglicherweise noch Zeit, einen Kundschafter zu schicken, um den Asteroiden zu vermessen und die Parameter eines größeren Projektils einzustellen, bevor der Impaktor zur Ablenkung des Asteroiden nach oben geschickt wird. Wenn Apophis sein Schlüsselloch innerhalb eines Erdenjahres oder weniger durchquert, könnte es laut Paek zu spät sein.

„"Selbst ein Hauptimpaktor ist möglicherweise nicht in der Lage, den Asteroiden innerhalb dieses Zeitrahmens zu erreichen", sagt Paek.

Bei Bennu ist es ähnlich. Allerdings wissen Wissenschaftler etwas mehr über seine Materialzusammensetzung, was bedeutet, dass es möglicherweise nicht notwendig ist Kundschafter zu entsenden, bevor ein Projektil gestartet wird.

Mit dem neuen Simulationstool des Teams plant Paek, den Erfolg anderer Ablenkungsmissionen in der Zukunft abzuschätzen.

„Anstatt die Größe eines Projektils zu ändern, könnten wir möglicherweise die Anzahl an Starts erhöhen und mehrere kleinere Raumsonden entsenden, die eine nach der anderen mit dem Asteroiden kollidieren. Oder wir könnten Geschosse vom Mond abfeuern oder auch ausgemusterte Satelliten als kinetische Impaktoren verwenden“, sagte Paek. „Wir haben eine Entscheidungskarte erstellt, die beim Aufbau einer Mission helfen kann.“

22. Februar 2020/SP
Verein Kuffner-Sternwarte