AIDA – Doppelmission zur Asteroidenabwehr-Demonstration

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Raumfahrt aus der Froschperspektive
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Es existieren unterschiedliche Ansätze zur Abwehr eines Asteroiden, von dem festgestellt wird, dass er in einigen Jahrzehnten mit der Erde kollidieren könnte. Eine Methode ist die leichte Veränderung seiner Umpaufperiode durch Impulsübertragung, vulgo: Anschubsen.

Dazu müsste man eine Raumsonde mit hoher Geschwindigkeit auf den Asteroiden lenken, und zwar möglichst tangential zu seiner Flugrichtung um die Sonne. Damit verändert man seine Bahngeschwindigkeit. Das verändert die große Halbachse seiner Bahn. Von der großen Halbachse hängt die Umlaufperiode ab. Zwar sind die erreichbaren Änderungen nur klein, wichtig ist aber der kumulative Effekt. Wenn der Asteroid rund ein Jahr für einen Umlauf braucht und man streckt die Umlaufperiode um auch nur 15 Sekunden, dann sind daraus nach 20 Jahren schon 300 Sekunden kumulierte Abweichung geworden.

Nehmen wir an, man hat vorausberechnet, dass es zu einem gewissen Datum in 20 Jahren gefährlich werden könnte. Nun kreuzt der Asteroid auf seiner leicht veränderten Bahn nicht mehr zu dem Zeitpunkt die Erdbahn, an dem die Erde auch gerade an derselben Stelle ist, sondern wegen der Abwehrmaßnahme 300 Sekunden später. Dadurch ist die Erde, die selbst auch eine Bahngeschwindigkeit von etwa 30 km/s hat, in diesen 300 Sekunden schon 9000 km weiter gewandert. So könnte aus dem gefährlichen Impakt ein harmloser naher Vorbeiflug werden.

Ich habe vor einigen Jahren bereits detailliert über erdnahe Asteroiden, Erdbahnkreuzer und mögliche Abwehrmaßnahmen geschrieben. Das damals Gesagte gilt nach wie vor. Die Forschung geht aber weiter, und so kennt man beispielsweise heute eine Menge mehr erdbahnkreuzende Asteroiden, und vor allem ist die Anzahl der bekannten binären NEOs stark gestiegen. Das ist für das Konzept der vorgeschlagenen Demonstrationsmission AIDA von großer Bedeutung.

Das Problem mit der Abwehr durch Hochgeschwindigkeitsimpakte ist, dass man keine Erfahrung damit hat. Man muss zunächst einmal überhaupt einen vielleicht nur 150 Meter großen Asteroiden treffen können, bei einer Annäherungsgeschwindigkeit von bis zu 10 km/s. Das allein ist schon einmal hochgradig nichttrivial. Dann sollte man einigermaßen zuverlässige Modelle der Impulsübertragung haben. Asteroiden sind möglicherweise ab ca.120 Metern Durchmesser weitestgehend Aggregate, d.h., fliegende Geröllhalden, die gravitativ oder zusätzlich durch andere kohäsive Effekte wie Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten werden. Solche Aggregate enthalten wahrscheinlich auch ausgedehnte Hohlräume. Was geschieht nun, wenn eine Raumsonde auf einen solchen lockeren Haufen knallt? Wieviel Auswurfmaterial verlässt entgegen der Impaktrichtung den Asteroiden und mit welcher Geschwindigkeit? Wie groß ist somit die Verstärkung des übertragenen Impulses? Welchen Effekt hat es, wenn sie das Geröll beim Impakt neu arrangiert? Dazu sollte man schon Erfahrungswerte haben.

Vor mehr als zehn Jahren studierte die ESA die Mission “Don Quijote“, mit der das Ganze ausprobiert werden sollte. Don Quijote war eine Doppelmission – Ein Impaktor sollte auf einen Asteroiden krachen, an dem schon Monate zuvor ein Orbiter angekommen war, um die Bahn des Himmelskörpers um die Sonne genau zu vermessen. Nach dem Impakt sollte die Sonde die Bahn nochmals vermessen. Die Differenz wäre dem Impakt geschuldet.

Man stellte schnell fest, dass dieses Verfahren einige knallharte praktische Probleme barg, die vor allem mit der erzielbaren Genauigkeit der Bahnvermessung zu tun hatten. Die Wirkung des Impakts soll sich ja deutlich aus dem Rauschen der Mess- und Modellfehler abheben. Schlussendlich wurde “Don Quijote” trotz jahrelanger Vorbereitung nie umgesetzt.

Am Applied Physics Lab (APL) der John Hopkins University JHU in Laurel, Maryland, USA und dem Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) in Frankreich kam man dann auf die Idee, als Impaktziel nicht einen Einzelasteroiden  zu wählen, sondern den kleineren Partner in einem binären Pärchen, also gewissermassen einen Asteroidenmond, der seinen Zentralasteroiden umkreist. Die Umlaufzeit eines Asteroidenmondes liegt im Bereich von einigen Stunden, seine Bahngeschwindigkeit im Bereich von cm/s. Da wirken sich selbst kleine Geschwindigkeitsänderungen durch den Impakt messbar auf die Bahnperiode aus. Der Orbiter, der die Bahn des getroffenen Objekts vermessen soll, ist keine Notwendigkeit mehr, sondern nur noch nice-to-have, wenn auch sicher mit erheblichem wissenschaftlichen Zusatznutzen.

Hier ein Film des JHU-APL, der die Mission vorstellt:

Es dürfte auch für die Impaktmodellierung sehr wichtig sein, den Kraterdurchmesser und -tiefe sowie das Ausmaß der Ejektawolke direkt beobachten zu können. Ferner wird beim Impakt pristines Material aus dem Inneren des getroffenen Körpers freigelegt, Material, das vielleicht seit der Akkretion des Körpers unverändert geblieben ist.Das ist für die Wissenschaftler von höchstem Interesse.

Das Missionsdesign ist relativ unproblematisch. Man wählt einen Asteroiden, der der Erde nahekommt, aber eine hohe Relativgeschwindigkeit hat. Dazu muss die Bahn des Binärasteroiden um die Sonde ganz anders als die Erdbahn aussehen; exzentrisch und/oder mit erheblicher Inklination. Man muss dann nur noch die Raumsonde einige Monate vor der Begegnung starten und in den Pfad des heranrauschenden Asteroidengespanns manövrieren, und dabei noch etwas nachjustieren, damit auch der Sekundärkörper erwischt wird. Letzteres ist die Schwierigkeit – es handelt sich da um ein regelungstechnisches Problem. Im geschlossenen Regelkreislauf müssen Bilder einer Teleskopkamera an Bord der Sonde vom herannahenden Asteroiden in Echtzeit verarbeitet und in Kommandos an die Triebwerke umgesetzt werden.

Darstellung der US-Impaktsonde DART, Quelle: JHU/APL via Wikipedia
Darstellung der US-Impaktsonde DART, Quelle: JHU/APL via Wikipedia

Dazu reicht schon eine relativ simple, kleine Sonde, die von einer kleinen Rakete gestartet werden kann. Dieses Projekt heißt DART (Double Asteroid Redirection Test). Federführend ist das APL der Johns-Hopkins-Universität in Maryland. Anvisiertes Ziel ist der binäre Asteroid 65803 Didymos, Der Primärkörper hat einen Durchmesser von 800 Metern, der Sekundärkörper von 150 Metern. Didymos ist ein LL-Chondrit, also ein sehr ursprünglicher Körper. Die Bahnebene des Sekundärkörpers ist so ausgerichtet, dass bei einer Mission im Jahr 2022 die Annäherung nahezu in dieser Ebene erfolgt. Didymos ist fast schon ein ideales Ziel – es wäre schwierig, eine Alternative zu finden, die derartig viele Pluspunkte verbuchen kann.

Wenn die US-Seite den Impaktor “DART” baut, bleibt für die Europäer als Beitrag zu einer aktuell studierten gemeinsamen Mission “AIDA” (Asteroid Impact and Deflection Assessment) nur der Orbiter “AIM”. Das Problem ist wie gesagt, dass Asteroiden, die von einem Impaktor leicht erreicht werden können und eine hohe Impaktgeschwindigkeit garantieren, eigentlich immer schwierige Ziele für einen Orbiter sind. Ein Orbiter muss ja exakt dieselbe Bahn einnehmen wie der Asteroid. Im Fall von Didymos ist das Perihel bei etwas mehr als 1 AE, das Aphel bei fast 2.3 AE (also weit jendseits der Marsbahn) und die Bahnneigung bezüglich der Ekliptik 3.4 Grad.

Im Oktober 2022 findet der Impakt von DART statt (angenommen, die US-Seite hat kein Problem mit Genehmigung und Finanzierung). Die europäische Sonde sollte einige Monate früher ankommen, und sie muss natürlich auch noch entwickelt, gebaut, gestartet und geflogen werden. Die Europäer sind nicht unbedingt dafür bekannt, dass sie Raumfahrtprojekte konzentriert und zügig durchziehen, und 2022 ist in nur 8 Jahren. Das sollte reichen, wenn man einen existierenden kleinen Raumsondenbus  ohne große Neuentwicklungen verwenden kann, aber selbst dann reicht die Zeit nicht für einen langen Transfer mit Swingbys an der Erde, mit dem man vielleicht die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit und die Summe der Manöver unterwegs drücken könnte.

Die US-Rolle ist in diesem Projekt deutlich komfortabler. Sie haben das überschaubarere finanzielle und technische Risiko und sie haben trotzdem volle Kontrolle über die eigentliche Mission. Die Europäer sind mit “AIM” nicht auf dem kritischen Pfad des Projekts. Mit “AIM” funktioniert die Mission AIDA sicher besser, aber ohne “AIM” funktioniert sie auch. Ohne “DART” hingegen wäre “AIM” zwar immer noch wissenschaftlich interessant, aber allein das Besuchen eines binären, primitiven Asteroiden, ohne dass ein gezielter Impakt stattfindet, wäre nicht unbedingt ein überzeugender Grund.

Selbst schuld, kann ich da nur sagen. Die Europäer forschen schon seit mehr als 10 Jahren an Impakt-Demonstrationsmissionen herum und kamen nie zu Potte. Die zündende Idee, den Sekundärkörper eines Binärsystems zu rammen, hatte die ESA auch nicht. Dann haben wir halt Pech gehabt, wenn die Amerikaner uns die Wurst vom Brot nehmen.

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Nebenbei betrachtet:

Interessant ist die Form des Primärobjekts von 65803/Didymos, die ziemlich kugelförmig ist, aber einen ausgeprägten Wulst entlang des Äquators aufweist. Die Form steht ebenso wie die Binarität wahrscheinlich in direkten Zusammenhang mit der geringen Rotationsperiode von bur 2.26 h. Dieser Wert liegt auffällig nah an der theoretischen Untergrenze für gravitationell zusammengehaltene Objekte. Bei noch schnellerer Rotation (d.h., noch kleinerer Rotationsperiode) würde die Fliehkraft die Schwerkraft überwiegen. Offenbar ist es bei so grenzwertigen Rotationsgeschwindigkeiten bereits so, dass Oberflächenmaterial mobilisiert wird und zum Äquator migriert. Daher der Äquatorwulst.

Das sollte man mit einer Raumsonde sehr einfach durch Messung der thermischen Trägheit feststellen können. Kleinkörniger Staub, der Regolith, hat eine sehr geringe thermische Trägheit. Er isoliert den darunter liegenden Fels thermisch, wird durch Sonneneinstrahlung schnell warm und kühlt sich auf der Nachtseite schnell ab. Nackter Fels dagegen hat eine hohe thermische Trägheit. Über die thermische Trägheit (engl.: thermal inertia) lässt sich also die Feinkörnigkeit der Oberfläche bestimmen. Wenn man feststellt, dass die Polregionen eine hohe thermische Trägheit aufweisen, die Äquatorregion aber eine niedrige, ist das ein Beweis für die Migration von Regolith.

Woher stammt die hohe Rotationsfrequenz? Eine plausible Erklärung wäre der YORP-Effekt – die Veränderung der Rotationsperiode durch die Anisotropie der thermischen Abstrahlung bei unregelmäßig geformten Körpern. YORP wird auch als Ursache für das unlängst beobachtete Auseinanderbrechen des Asteroiden R/2013 R3 vermutet. Wenn ein Asteroid die Grenzrotation erreicht, wird er zunächst Material von seiner Äquatorregion verlieren, und zwar erst recht, wenn er dort ohnehin schon einen Wulst (der Österreicher nennt das den “Gössermuskel”) aufweist. Das verlorene Material nimmt etwas Drehimpuls mit. Die Abfluggeschwindigkeit ist jedoch gering, sodass das verlorene Material nicht endgültig verlorene gehen muss, sondern einen Ring bilden oder sich zu einem Mond zusammenklumpen kann. Letzteres vielleicht gerade dann, wenn nicht nur Staub den Abflug macht, sondern auch Brocken von einigen zehn Metern Durchmesser.

Ein Äquatorwulst scheint typisch für kleine, schnell rotierende Asteroiden zu sein. Manche davon wurden als binär erkannt, andere nicht. Beispiele:

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Michael Khan

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

8 Kommentare

  1. Auf einen Asteoriden zu schiessen, um ihn abzulenken, scheint mir eine schlechte Idee, denn das ist, als würde man auf einen Haufen Kies schiessen. Wie gering der Zusammenhalt des Materials ist, welches einen Asteroiden typischerweise bildet, zeigt gerade der Asteroid (66391) 1999 KW4, welcher trotz einer Rotationsperiode von 0.1152 Tagen (rotiert einmal in 2 1/2 Stunden) trotzdem bereits einen Äquatorwulst ausgebildet hat.

    • Nicht “trotz einer Rotationsperiode von [….] 2 1/2 Stunden” sondern gerade wegen dieser kurzen Rotationsperiode, die sich bereits dem Grenzwert nähert, hat sich der Äquatorwulst ausgebildet. Offebbar reichen auch schon Rotatonsperioden, die weiter vom Grezwert entfernt sind als bei 1999 KW4, um loses Oberfläöchenmaterial zu mobilisieren.

      Es gibt abgesehen hiervon auch noch andere Hinweise darauf, dass Asteroiden Aggregate von losem Material mit geringem inneren Zusammenhalt sind. Beispielsweise erneuert sich offenbar die Oberflöche durch Gezeitenkräfte bei nahen Vorbeiflügen an Planeten. Das ist aus dem Grad der Verwitterung des Oberflächengesteins ersichtlich. Die verwitterung wiederum ist spektroskopisch aus der Rotfärbung ablesbar. Altes, durch Beschuss mit geladenen Teilchen verwittertes Gestein zeigt eine Rotfärbung, aber bei Asteroiden, von denen bekannt war, dass sie planetare Vorbeiflüge absolviert haben müssen, war diese Rotfärbung weniger ausgeprägt als erwartet.

      Der Impulserhaltungssatz gilt unbeschadet der inneren Zusammensetzung, es sei denn – und genau das gilt es herauszufinden – die lockere innere Struktur führt dazu, dass der Asteroid selbst den Impuls gar nicht aufnimmt.

      Soweit mir aber bekannt, geht man im Gegenteil sogar davon aus, dass beim Impakt ein Krater geschlagen wird, und dass das dabei freigesetzte Material entgegen der Richtung des ankommenden Impaktors herausgeschleudert wird. Da der Impulserhaltungssatz aber Gültigkeit hat, würde das bedeuten, dass der auf den Asteroiden übertragene Impuls sogar vestärkt wird.

      Um festzustellen, wie das jetzt genau ist, sollte man ein Experiment machen, und genau darum geht es ja bei DART, wobei AIDA den Wert des Experiments steigern würde.

      • Ich könnte mir vorstellen, dass ein Geschoss einen Asteroiden durchdringt oder nur den Bereich um das Geschoss aus dem Asteroiden herausschiesst, so dass er anschliessen ein Loch hat – wenn er sich nicht vollkommen desintgetriert bei diesem Vorgang.

        • Die Vorstellung von Asteroiden als “Kieshaufen”, die in Ihrem ersten Kommentar anklang, ist wahrscheinlich nicht zutreffend. Asteroiden sind wahrscheinlich Aggregate aus Gestein unterschiedlicher Größe, von feinem Regolith bis hin zu Brocken von bis zu etwa 120 Meter Größe. Es gibt Indizien, dach denen dieser Wert in etwa die Obergrenze für die Größe der Komponenten darstellt.

          Es ist auch nicht so, dass nun gar keine Erfahrung mit Impakten auf Kleinplaneten vorliegt. Die Mission “Deep Impact” hat ja einen Hochgeschwindigkeitsimpakt einer Sonde einer einem Kometen absolviert. Da gab es auch sehr weit auseinander liegende Schätzungen, was passieren würde, von “gar nichts” bis “Den Kometen kann’s zerlegen”. Das tatsächlicheErgebnis war zwar irgendwo dazwischen. Die offenkundige Komplexität des Vorgangs hat aber doch Überraschung hervorgerufen.

          Schultz et Al, Icarus, 2013

          Allerdings gilt: Ein Komet ist ein Komet, ein Asteroid ist ein Asteroid, ein Komet ist kein Asteroid und ein Asteroid ist kein Komet.

          • Sicher ist die Impaktmethode der Asterioden”abwehr” wegen ihrer Einfachheit attraktiv. Meiner Ansicht nach wären aber bessere Asteroidenkartierungen viel wichtiger in Bezug auf die Abwehr von Gefahren durch Asteroide als Versuche sie abzulenken, denn dass so etwas nötig wird ist etwa so unwahrscheinlich wie ein baldiger Ausbruch des Vesuvs oder eines Supervulkans wie desjenigen unter dem Yellowstone-Park.
            Die genaue Beobachtung des Impakts und seiner Folgen ist wohl das, was noch am meisten Sinn an der AIDA-Mission macht, ermöglicht es doch etwas über den Aubau von Asteroiden zu lernen.

          • Müsste man bei der Abwehr von Asteroiden nicht auch deren Zusammensetzung in Betracht ziehen oder spielt das keine Rolle?

          • @Mona: Doch, wie ein Asteroid zusammengesetzt ist spielt schon eine Rolle, wenn man ihn von seiner Bahn abbringen will. Es gibt aber Ablenkunsmethoden, die immer funktionieren wie beispielsweise das Abschleppen des Asteroiden, indem eine Rakete allein durch ihre Schwerkraft am Asteroiden “zieht”. Allerdings ist das sehr zeitauwendig. Auch das Einwickeln des Asteroiden in Alufolie oder das Besprühen mit Farbe funktioniert wohl immer. Der Beschuss mit einem Projektil ist allerdings die einfachste Methode und genau diese funktioniert je nach Zusammenhalt des Asteroiden nicht immer gleich gut

  2. @Martin Holzherr

    Beide Missionselemente, der Orbiter AIM wie auch der Impaktor DART, stellen reine Grundlagenforschung dar. Zugegebenermaßen ist die Bezeichnung “Demonstratormission zur Asteroidenabwehr” etwas hoch gegriffen und deswegen missverständlich. Ich halte diese Grundlagenforschung aber keineswegs für nebensächlich. Es ist wirklich auch aus wissenschaftlicher Sicht wesentlich, mehr über den inneren Aufbau eines Asteroiden zu lernen und auch, wie er sich bei einem Hochgeschwindigkeitsimpakt verhält. Dass man das Wissen eines Tages auch konkret anwenden könnte, ist eine Dreingabe.

    Es ist allen klar, dass die Detektierung und Bahnvermessung von Asteroiden der gefährlichen Größenordnungen die Grundlage von allem ist und auf jeden Fall gemacht werden sollte. Bis jetzt kennen wir ungefähr alle NEOs ab ca. 1 km. Bei den 500m-Objekten kennen wir nicht einmal die Hälfte, und bei den Objekten um 150 Metern kennen wir nicht einmal 10%. Daran muss sich etwas ändern.

    Aber man kann das eine tun, ohne das andere zu lassen.

    Der Vergleich mit irdischen Katastrophen ist reichlich weit hergeholt. Nicht nur, weil Impakte von Objekten ab ca. 150 Metern Größe mit Sicherheit häufiger sind als Eruptionen des Supervulkans unter dem Yellowstone-Park, sonden weil Asteroideneinschläge abwendbare Katastrophen sind, Vulkanausbrüche aber (bis auf Weiteres) nicht, Wenn man grundsätzlich etwas gegen eine Katastrophe unternehmen kann, aber nicht einmal die Grundlagenforschung angeht, weil diese Grundlagenforschung ja die schreckliche, untragbare Summe von einem halben Düsenjäger samt Ausrüstung kosten würde …. dann finde ich das absurd.

    @Mona

    Bei großen Asteroiden macht die Zusammensetzung weniger aus, aber gegen die können wir ohnehin nichts unternehmen. Bei kleinen Objekten macht es schon etwas aus, ob es sich um eine Geröllhalde mit großen Hohlräumen handelt oder andersherum, um einen Monolithen oder gar einen weitgehend metallischen Körper. Auch die mittlere Dichte spielt eine große Rolle, denn die bestimmt ja, wie viel Masse man zu bewegen hat.

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