Wie kommt HERA zu Didymos?

Pork-Chop Plots für ballistische Transfers von der Erde zu 65803/Didymos von 2024 bis 2026

Von der Mission HERA haben Sie vielleicht noch nie gehört, selbst wenn Sie an Asteroidenforschung interessiert sind. Von der Mission AIM dann schon eher – die sollte Ende 2020 starten, im Frühjahr 2022 am binären Asteroiden 65803/Didymos ankommen und das System aus rund 800 Meter großem Hauptkörper und 160 m kleinem Mond etwa 10 Monate lang erkunden und dabei auch den gezielten Hochgeschwindigkeitseinschlag der US-Sonde DART aus nächster Nähe verfolgen.

Mehr zu HERA hier im Webauftritt der ESA.

Schon auf Go For Launch …

AIM sollte integraler Bestandteil der Doppelmission AIDA sein, und dies gilt auch noch für HERA, obwohl der wichtige Missionsvorteil, den Hochgeschwindigkeitsimpakt direkt beobachten zu können, verloren gegangen ist. Worum es bei AIDA geht und warum Didymos ein wissenschaftlich besonders interessanter Asteroid ist, steht in diesem Artikel vom  Mai 2014. Damals dachte man noch, AIM würde im Jahr 2020 starten.

Am 1. Dezember 2016 wärmte ich die wissenschaftlichen Argumente für eine Beobachtungsmission zum Didymos wieder auf. Das war am Vorabend der Konferenz auf ministerieller Ebene, bei der unter anderem über die Zukunft von AIM entscheiden wurde. Das gute Zureden hat aber dann auch nichts mehr genützt.

Und nun zu HERA

Nach dem Ende von AIM wurde das Missionskonzept gründlich überarbeitet und verschlankt, mit dem Ziel, die Kosten zu senken. Natürlich musste dabei auch der Name geändert werden. Aus AIM (Asteroid Investigation Mission) wurde – warum auch immer – HERA, benannt nach der griechischen Göttin und Gattin des Zeus. HERA wurde bei der nächsten ministeriellen Konferenz in Jahr 2019 vorgelegt – und kam durch. 

AIM hätte im Jahr 2020 gestartet werden sollen. Da gab es ein Startfenster für den direkten Transfer zu 65803/Didymos. Startfenster bedeutet: Die Kombination aus hyperbolischer Fluchtgeschwindigkeit und dem unterwegs und bei der Ankunft aufzubringenden Geschwindigkeitsinkrement ist da gerade besser als zu den meisten anderen Zeiten.

Die hyperbolische Fluchtgeschwindigkeit bestimmt, wie viel Nutzmasse eine gegebene Rakete mitführen kann (Voraussetzung: Die Rakete muss sich für Starts in den interplanetaren Transfer eignen).

Direkter Transfer bedeutet, dass zwischen Start von der Erde und Ankunft am Asteroiden keine Begegnung an einem Planeten stattfindet. Es gibt also auch keine Möglichkeit zu einem Swingby. Bei einem direkten Transfer zu Didymos muss die hyperbolische Geschwindigkeit bei der Erdflucht mehr als 5 km/s betragen. Das ist viel Holz und für jede Rakete eine Herausforderung.

Die hohe Fluchtgeschwindigkeit liegt daran, dass Didymos auf einer hochexzentrischen Bahn mit einem Aphelradius von 2.276 AU fliegt. Ein direkter Transfer muss die Form einer Ellipse haben, die fast dieselbe Form wie die Bahn von Didymos hat. Um ein so hohes Aphel zu erreichen, braucht man bei 1 AU aber eine Geschwindigkeit von 35.1 km/s. Dieser Wert liegt nämlich um besagte “mehr als 5 km/s” über der Bahngeschwindigkeit der Erde.

Wenn man dann erst einmal auf dieser Bahn ist und das Startdatum so gewählt ist, dass die Transfer die Asteroidenbahn streift, dann braucht man Triebwerksmanöver nur noch dazu, zwischendurch die Bahnneigung anzupassen – die Bahn von Didymos is um 3.4 Grad gegenüber der Ekliptik geneigt – und bei der Ankunft die Geschwindigkeit von Raumsonde und Asteroid anzugleichen.

Wir hatten übrigens schon noch eine Menge Alternativen gefunden, bei denen die Erdfluchtgeschwindigkeit deutlich gesenkt werden konnte. Allerdings brauchten alle diese Transfers immer mehrere Swingbys an der Erde und ein deutlich höheres Delta-v, und sie dauerten dann auch noch 6-8 Jahre. 

Die Aufgabe für den Missionsanalytiker

Wie bereits erwähnt: 2020, das ursprünglich geplante Startjahr für AIM, war besonders günstig. Die Raumsonde hätte die Erdflucht mit etwas über 5 km/s absolvieren müssen, dann aber nur noch ein Delta-v von 1250 m/s gebraucht. AIM ist nun leider Geschichte, aber eben auch nicht ganz. HERA soll im Prinzip dasselbe machen wie AIM, soll aber weitgehend auf der bereits entwickelten Hardware aufsetzen, allerdings mit einem vier Jahre späteren Start, also außerhalb der besonders günstigen Situation von 2020. Idealerweise soll HERA sogar mit mit weniger Geschwindigkeitsinkrement und damit einem geringeren Treibstoffanteil auskommen.

Ach so, und viel länger als die etwa anderthalb Jahre wie bei der AIM-Mission darf es bei HERA auch nicht dauern. Da braucht man dann schon ein mittelgroßes Wunder, oder?

Baseline 2024: Das Wunder

Pork-Chop Plots für ballistische Transfers von der Erde zu 65803/Didymos von 2024 bis 2026
Pork-Chop Plots für ballistische Transfers von der Erde zu 65803/Didymos von 2024 bis 2026

Schauen wir uns mal die Pork Chop Plots am. Günstige Transfergelegenheiten für HERA haben wir genau dann, wenn die Ankunftsgeschwindigkeit möglichst lila und die dazugehörige Abfluggeschwindigkeit maximal gelb-orange ist.

Da haben wir ja schon eine Möglichkeit für die nominale Mission (“Baseline”)  in der zweiten Jahreshäfte 2024 und mit einer Transferdauer von rund 18 Monaten. Nur das mit den Manöverkosten kommt noch nicht so ganz hin, denn die sind immer noch mehr blau als lila, als näher an 2 km/s als an 1 km/s.

Tja, und nun kommt das Wunder. Meistens kommt ja grad keins vorbei, wenn man mal eins braucht. Manchmal – ganz selten – aber schon.
Der Missionsanalytiker guckte nämlich nach, ob nicht vielleicht der Mars helfen könnte. Dessen Bahn liegt doch genau auf dem Weg.

Bahn von Hera für das Startfenster 2024 mit einem Swingby am Mars
Bahn von HERA für das Startfenster 2024 mit einem Swingby am Mars

Und siehe da: Mars kann helfen. Dass dessen Bahn günstig liegt, sagt erst mal noch gar nichts. Dann muss der Planet auch noch zur richtigen Zeit am richtigen Punkt auf seiner Bahn sein. So unglaublich das erscheinen mag – es ist genau so. Besser geht’s kaum noch. Zumindest nicht mit diesem Missionsanalytiker. 

Start im Oktober 2024 mit niedrigerer Erdfluchtgeschwindigkeit als AIM, Mars-Swingby einige Monate später, Ankunft Ende 2026, und das Ganze mit einem Delta-v von knapp 800 m/s.

Alter!

Und was sagt die Projektleitung?

“Gut gemacht. Jetzt finde uns noch eine genau so gute Backup-Mission. Ein, zwei Jahre später.”

In etwa dasselbe wie “OK, das war ein schönes Wunder. Jetzt möchten wir aber bitte ein größeres Wunder.”

Jede Mission ist nur so gut wie ihr Backup

Also gut. Das war jetzt unfair von mir. Natürlich muss es eine Backup-Mission geben, falls aus irgendwelchen Gründen das nominale Startdatum verpasst wird. Da die Raumsonde so gebaut werden muss, dass sie sowohl mit der Baseline als auch mit dem Backup kompatibel ist, wird man natürlich wollen, dass Baseline und Backup annähernd gleiche Kenndaten aufweisen: Ähnliche Anfangsmasse, damit auch ähnliche Fluchtgeschwindigkeit, ähnliche Transferdauer, ähnliches Geschwindigkeitsinkrement und damit eine ähnliche Treibstoffmenge. 

Wenn man jetzt noch mal ins Pork-Chop-Diagramm schaut, sieht man: 2025 sieht es ganz mau aus. Ende 2026 scheint es dagegen fast so zu sein wie 2024, aber erstens auch nur fast. Zudem wäre auch 2024 nicht mehr akzeptabel gewesen, wenn wir da nicht das Glück mit dem Mars-Swingby gehabt hätten. 2026 gibt es diese Möglichkeit aber nicht. 

Bahn von Hera für das Startfenster 2026 ohne Swingbys, aber mit fast zwei kompletten Umläufen um die Sonne
Bahn von HERA für das Startfenster 2026 ohne Swingbys, aber mit fast zwei kompletten Umläufen um die Sonne

Am Ende mussten wir in den sauren Apfel beißen und einen deutlich längeren Transfer (Start Oktober 2026, Ankunft Dezember 2030) mit einer nochmals deutlich höheren Erdfluchtgeschwindigkeit (6 km/s), aber einem gerade noch akzeptablen Delta-v von 1150 m/s hinnehmen. Das war schon bitter. 

Aber zumindest hatten wir jetzt auch ein Backup für 2025. Der war im Prinzip derselbe wie der Transfer von 2026, aber mit einem Start im Oktober 2025 in eine Bahn, die eine Periode von genau einem Jahr hat und der Erde im Oktober 2026 wieder begegnet. Dann genügt ein Erd-Swingby, um die Raumsonde auf den Weg zum Didymos zu schicken. Die Erdfluchtgeschwindigkeit für das Backup im Jahr 2025 ist genau so wie für 2026; die Transferdauer ist nochmals ein Jahr länger.

Bahn von Hera für das Startfenster 2025 mit einem Swingby an der Erde und fast zwei kompletten Umläufen um die Sonne
Bahn von HERA für das Startfenster 2025 mit einem Swingby an der Erde und fast zwei kompletten Umläufen um die Sonne
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.

5 Kommentare

  1. Hera ist also quasi eine AIM – – (AIM-Minus-Minus) Mission, kann doch Hera den Beschuss von Dimorphos’ durch NASA DART – wie ursprünglich geplant – nicht mehr direkt beobachten. Hera kann aber den erzeugten Krater vermessen, die Restmasse von Didimoon abschätzen (auf 10% genau) und die Störung des Hauptkörpers Didymain durch den Impact bestimmen. Als Laie fragt man sich natürlich, warum AIM nicht startbereit war und als Laie denke ich, dass sich das gut ins Bild des allgemeinen ESA-Schlendrians einfügt in der Missionen immer wieder aus beispielsweise Kostengründen verzögert werden – mit dem Resultat, dass die Verzögerung entweder alles noch teurer macht oder dann den Wert der Mission schmälert.

    Interessant noch, wie viele Faktoren das Startfenster und die genaue Bahn und Flugdauer eines Raumschiffes bestimmen und dass es neben Swingbys auch sonst noch wesentliche gravitative Einflüsse von Mars/Venus etc. gibt. Da fällt mir als Metapher ein Billiard-Board ein: in diesem Bild ist der circumsolare Raum das Billiard-Board und das Raumschiff die Billiard- Kugel. Nur ist es kein statisches, sondern ein dynamisches Billiard-Board, denn die Konstellationen ändern sich dauernd.
    Diese Betrachtungsweise könnte sich ändern, wenn es irgendwann Raketenantriebe mit einem viel grösseren „Power-Budget“ gibt und man nicht mehr an allen Ecken und Enden sparen muss.

    • Als Laie fragt man sich natürlich, warum AIM nicht startbereit war […]

      Also, ich muss schon sagen, die wahrscheinlich absichtliche Behauptung eines unrichtigen Sachverhalts, und dann auch noch so, als würde ich damit zitiert, ist kein guter Stil.

      Auf der Konferenz auf ministerieller Ebene Ende 2016, also knapp 4 Jahre vor dem vorgesehenen Startdatum, wurde beschlossen, die Mission AIM nicht weiter zu finanzieren. Damit war sie effektiv tot. Kein Geld – keine Mission.

      Ich habe im Artikel ausdrücklich auf diese Konferenz verweisen und dann einen Link zu einem Blog-Artikel von mir angefügt, in dem ich über die auf der Konferenz gefällten Entscheidungen berichte.

      Ich habe kein Verständnis dafür, wenn dies nun so verdreht wird, wie Sie das tun und unterstelle durchaus bösen Willen. Was soll das?

      […] dass sich das gut ins Bild des allgemeinen ESA-Schlendrians einfügt in der Missionen immer wieder aus beispielsweise Kostengründen verzögert werden – mit dem Resultat, dass die Verzögerung entweder alles noch teurer macht oder dann den Wert der Mission schmälert.

      Was für ein “Bild des allgemeinen Schlendrians”? Mir ist kein solches Bild bekannt. Ich sehe hier auch keine Anzeichen für Schlendrian. Wo sollen die sein?

      Es ist allerdings richtig, dass Weltraummissionen in Europa, insbesondere robotische, planetare Missionen, unterfinanziert sind und es deswegen unmöglich ist, die gesetzten Missionsziele zu erreichen und dabei auch unrealistische Zeitvorgaben einzuhalten.

      Mit Schlendrian hat das nichts zu tun – wie kommen Sie eigentlich darauf?

    • Zum technischen und wissenschaftlichen Aspekt:

      Hauptziel ist nach wie vor die Charakterisierung insbesondere von “Didymoon”, bzw. Dimorphos, wie er jetzt heißt und das bessere Verständnis der Auswirkungen des Impakts von DART.

      Es wäre sicher besser gewesen, hätte man Dimorphos sowohl vor als auch nach dem Impakt beobachten und vermessen können, wie es mit der AIM-Mission möglich gewesen wäre.

      Die Beobachtung des Impakts an sich, zu dem sich AIM in sichere Entfernung hätte zurückziehen müssen, wäre etwas sehr cooles gewesen, also wahrscheinlich eher ein PR-Event als wissenschaftlich bedeutsam, aber daran ist ja nichts auszusetzen. Den wissenschaftlichen Ertrag hätte es nicht geschmälert, und das Medieninteresse wäre riesig gewesen.

      HERA mit seinen zwei Cubesats ist aber auch technisch wegweisend. Cubesat-Technik ist die Zukunft; Europa muss da am Ball bleiben.

  2. Zitat obiger Kommentar:

    Es wäre sicher besser gewesen, hätte man Dimorphos sowohl vor als auch nach dem Impakt beobachten und vermessen können, wie es mit der AIM-Mission möglich gewesen wäre.

    Ja, denn AIM/HERA sollten ja die Auswirkungen des Impacts bestimmen – und zwar mit den gleichen Instrumenten vor und nach dem Impact. Jetzt aber wird die Wirkung des Impacts mit erdbasierten Teleskopen und mit Radar bestimmt. Für mich ist fraglich, was HERA überhaupt noch dazu beiträgt, denn HERA kann jetzt nur den Zustand des Asteroidensystems nachher bestimmen. Um eine Beziehung zum Zustand vor dem Impact herzustellen muss sie die Daten der erdbasierten Instrumente benutzen und die sind sicherlich weniger genau als es selbst erhobene Daten wären.

    In der Wikipedia liest man dazu:
    Zitat Double Asteroid Redirection Test:

    AIM would have studied the asteroid’s strength, surface physical properties, and its internal structure, as well as measure the effect on the asteroid moon’s orbit around the larger asteroid. Since the AIM orbiter was cancelled, the full characterization of the asteroids will not be obtained, and the effects of the impact by DART will be monitored from ground-based telescopes and radar.

    DART wird zudem einen italienischen Cubesat angekoppelt haben, der den Impact beobachtet. Zitat:

    The Italian Space Agency (ASI) will contribute a secondary spacecraft called LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids), a small 6-unit CubeSat that will piggyback with DART and will separate shortly before impact to acquire images of the impact and ejecta as it drifts past the asteroid.[19][26][27][28] LICIACube will communicate directly with Earth, sending back images of the ejecta after the Dimorphos (Didymos B) flyby.

    HERA könnte seine Daten also mit denen von LICIACube abgleichen und eventuell ein noch detailliertes Bild liefern.
    Aber nötig scheint mir die HERA-Mission nicht zu sein, denn die Kombination DART und LICIACube liefert schon den grössten Teil der Information.

    • Aha. Erst soll die böse ESA unser gutes Geld mit ihrem Schlendrian verprasst haben. Jetzt soll sie es auch noch mit wissenschaftlich sinnlosen Missionen verprassen. Na sowas.

      DART (und damit auch der begleitende Cubesat) wird mit mehr als 6 km/s (in Worten: sechs Kilometer pro Sekunde) relativ zum Didymos-System unterwegs sein.

      Ja, die werden ein paar Bilder machen können. Allerdings ist die Formulierung etwas irreführend. LICIA Cube “driftet” nicht, sondern rast mit mehr als 36,000 km/h am Ziel vorbei. Es werden da ein paar pretty pictures geschossen werden. Aber deren wissenschaftlicher Wert wird allein schon durch die Umstände limitiert sein.

      Der PR-Wert ist sicher nicht unerheblich – zumal LICIA Cube da ja nun ein Alleinstellungsmerkmal aufweist. Mit dem Bildmaterial, dass AIM hätte machen können, aus der optimalen Position in fester Entfernung, über Stunden hinweg, mit Null Relativgeschwindigkeit, kann das aber nicht annähernd mithalteen.

      Nun habe ich auch schon gesagt, dass selbst das Bildmaterial, das AIM vom Impakt geliefert hätte, wohl keinen besonderen wissenschaftlichn Wert aufgewiesen hätte, aber ein großartiges PR-Event gewesen wäre … und das ist ja auch eine gute Sache.

      Was sagt das aber über den wissenschaftlichen Ertrag von LICIA Cube aus?

      Was dagegen DART und LICIA Cube nicht liefern (und auch gar nicht liefern können), ist die detaillierte Untersuchung des durch DART erzeugten Einschlagskraters und auch des ausgeworfenen, noch frischen Materials von unterhalb der Oberfläche, und die Untersuchung der Substruktur von Dimorphos mit langwelligem Radar, was erstmals die innere Struktur eines Asteroiden aufzeigen würde und Hinweise darauf liefeern, wie sich diese infolge des Hochgeschwindigkeitsimpakts verändert hat.

      Des weiteren könnte man die Zusammensetzung des Materials von Dimorphos mit dem von Didymos abgleichen, insbesondere an dessen Äquatorregion, um zu verstehen, wie der Austausch von Material von einem schnell rotierenden Asteroiden zu seinem Mond erfolgt.

      Das ist durchaus auch in Bezug auf den Schutz der Erde nicht ohne Belang, denn neben der Veränderung der Bahn durch gezielte Hochgeschwindigkeitsimpakte kann das gezielte Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit über den kritischen Wert hinaus eine Methode der Wahl sein.

      Aber selbst ohne diesen Aspekt ist die Langzeituntersuchung eines solchen unglaublich interessanten Systems wie 65803/Didymos wissenschaftlich sehr wertvoll.

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