DART: Nachlese
Die NASA-Raumsonde DART ist wie geplant in der Nacht vom Montag auf Dienstag mit einer Relativgeschwindigkeit von mehr als 6 km/s auf den Asteroidenmond Dimorphos geprallt.
Die spektakulären letzten Bilder der Navigationskamera DRACO haben alle gesehen. Die ersten Aufnahmen durch den italienischen Mikrosatelliten LICIACube sind auch bekannt. LICIACube wurde von DART am 11. September ausgesetzt und änderte seine Bahn so, dass er das Didymos-System erst 3 Minuten nach dem Impakt von DART passierte und natürlich auch eine Kollision vermied.
Ich finde allerdings, die Bilder von LICIACube zeigen, dass man optische Systeme nicht beliebig miniaturisieren kann, wenn man Erwartungen an die Bildqualität stellt. Die ESA-Sonde HERA wird das System 65803 Didymos mit besserer Qualität abbilden, allerdings erst am Dezember 2026.
Die Aufnahmen des ATLAS Project
Wirklich bemerkenswert finde ich die aus Einzelaufnahmen des ATLAS-Teleskops auf dem Haleakala auf Hawaii in Sutherland, Südafrika zusammengestellte Sequenz. Diese deckt einen Zeitraum von etwa zwei Stunden ab, mit einem Intervall von rund 40 Sekunden zwischen den Einzelbildern. Das Teleskop wurde nachgeführt, um die Erdrotation auszugleichen. Deswegen bleibt der Sternenhintergrund unverändert. Man sieht, wie Didymos von rechts nach links das Sichtfeld durchquert. Dies ist auch zu erwarten, denn die Bahn des Asteroiden hat eine weitaus höhere Energie als die der Erde. Deswegen überholt der Asteroid die Erde mit etwa 6 km/s Relativgeschwindigkeit.
Auch die Bahn von DART hat eine weitaus geringere Energie als die von Didymos. Streng genommen ist es deswegen nicht DART, der auf der Asteroiden kracht, sondern es ist umgekehrt. Wir haben hier einen Auffahrunfall. Der Asteroid ist schneller unterwegs und holt die vor ihm herfliegende Raumsonde ein. Die automatische Steuerung in den letzten Stunden der Mission stellte sicher, dass DART genau im Pfad des Asteroidenmonds bleibt und schließlich von ihm gerammt wird.
Bemerkenswert ist die Wolke von Auswurfmaterial, die sich entgegen der scheinbaren Ankunftsrichtung von DART fortbewegt und sich dabei ausbreitet. Der übertragene Impuls wird dadurch noch verstärkt. Um wie viel wurde die Umlaufperiode des Asteroidenmonds Dimorphos verändert? Das werden wir erst genau wissen, wenn genügend Umläufe von Dimorphos beobachtet sein werden, um die Periode exakt zu berechnen. Das kann noch einige Monate dauern, denn ein Umlauf dauert rund 12 Stunden.
Wie funktioniert Asteroidenabwehr?
Die Änderung der Bahn von Dimorphos dürfte aber eher gering sein – keinesfalls so extrem, wie beispielsweise in der computeranimierten Grafik in der Nachrichtensendung “Heute” vom Abend des 27.9.2022 im ZDF gezeigt:
Auch bei der Darstellung der Wirkung einer Asteroidenablenkung haben die Grafiker des ZDF deutlich übertrieben. Es ist mit der bis auf weiteres absehbaren Technik vollkommen ausgeschlossen, einen Asteroiden noch so kurz vor dem Einschlag auf die Erde abzulenken wie hier gezeigt.
Ich habe im Verlauf des gestrigen Tages mit etlichen Journalisten gesprochen. Dabei fiel mir auf, dass so gut wie niemand die Wirkung der “Ablenkung” eines Asteroiden durch einen Hochgeschwindigkeitsimpakt mit einer Raumsonde verstanden hat. Es geht nicht darum, die Bahn des Asteroiden komplett zu verbiegen. Das wird weit jenseits unserer technischen Möglichkeiten bleiben.
Es geht bestenfalls darum, durch eine relativ kleine Impulsübertragung bereits viele Jahre vor dem vorausberechneten Zeitpunkt des Einschlags auf der Erde seine Umlaufperiode um die Sonne im einige Minuten zu verändern. Sagen wir 1 Minute. Nehmen wir an, der Asteroid hat eine Umlaufperiode von 13 Monaten. Da ist 1 Minute nur eine sehr kleine Änderung.
Nun kreuzt der Asteroid auf jedem Umlauf einmal die Bahn der Erde. Ohne die Ablenkmaßnahme käme er jeweils nach 13, 26, 39, 52, 65 … Monaten zurück und würde die Erdbahn kreuzen. Die Erde selbst wäre dabei immer woanders. Aber nach 13 Erdjahren bzw. 12 Bahnumläufen des Asteroiden wäre die Erde genau dort, wo der Asteroid die Erdbahn kreuzt. Dann würde es krachen.
Mit der Umlenkungsmaßnahme kreuzt der Asteroid aber zum ersten Mal nach 13 Jahren minus 1 Minuten, dann nach 26 Jahren minus 2 Minuten usw.. Nach 12 Umläufen kommt er schon 12 Minuten früher an, als es ohne die Ablenkmaßnahme der Fall gewesen wäre. Am Datum des vorausberechneten Einschlags ist die Erde damit auf ihrer Bahn noch 12 Minuten vom Kreuzungspunkt entfernt, wenn der Asteroid durchrauscht. Da die Erde eine Bahngeschwindigkeit von 30 km/s hat, legt sie in 12 Minuten 21600 km zurück. Das ist deutlich mehr als die Größe der Erde. Damit wäre die bevorstehende Katastrophe abgewendet; aus dem Einschlag wäre ein Vorbeiflug in tausenden Kilometern Abstand geworden.
Wie wird man einen Erdbahnkreuzer wirklich los?
So stellt man sich die Sache vor. Allerdings sollte man nicht vergessen, dass dieser Asteroid nach wie vor ein Erdbahnkreuzer ist und damit eine potenzielle Gefahr darstellt. Durch das Ablenkmanöver hätte man zwar den unmittelbar bevorstehenden Einschlag auf der Erde abgewendet, aber spätere nahe Begegnungen mit Erde könnten durch die Bahnveränderung beim nahen Erdvorbeiflug sogar wahrscheinlicher geworden sein.
Man sollte also lieber ins Auge fassen, wirklich gefährliche Körper gezielt in kleine Bestandteile zu zerlegen. Fast alle Asteroiden sind fliegende Geröllhalden, die aus bis etwas über 100 Meter großen Einzelteilen, bis hinunter zu kleinen Steinchen und Staub bestehen. Sie werden durch die gegenseitige Gravitation der Bestandteile zusammengehalten, aber diese Kraft ist schwach. Es ist nicht viel Energie nötig, um einzelne Elemente herauszulösen und mit ausreichend hoher Geschwindigkeit wegzukatapultieren. Die Fluchtgeschwindigkeit selbst von einem 1000 m großen Objekt liegt bei unter 60 cm/s (~2 km/h), bei einem kleineren Objekt ist sie nochmals deutlich geringer.
Technisch anspruchsvoll wäre allenfalls die Zerlegung der größeren Brocken, aber auch das sollte ein lösbares Problem sein, wenn man größere Gerätschaften auf dem Asteroiden platzieren und befestigen kann. Das sollten wir doch wohl hinkriegen.
Üblicherweise kommt jetzt der Einwand, dass man das Problem dadurch nur verschlimmert, weil man es dann mit einer großen Anzahl von Einschlägen statt nur einem einzigen zu tun bekommt. Das ist aber schlicht falsch. Bei unter 100 m Größe erreichen die Objekte wahrscheinlich nicht mehr den Boden. Bei nur 20 m Größe zerplatzen sie schon in großer Höhe, wenn sie in die Atmosphäre eintreten. Ein mehrere hundert Meter großes Objekt hingegen hinterlässt dagegen einen Krater von mehreren Kilometern Durchmesser; die Druckwelle, die Hitze und das Auswurfmaterial wirken sich noch in weiterem Umkreis aus. Sowas sollte man wirklich nicht zulassen.
Das ATLAS Projekt betreibt zwar zwei Teleskope auf Hawaii, aber den Impakt von DART haben diese nicht beobachten können, wie diese Darstellung der ESA zeigt. Jedoch betreibt ATLAS ein weiteres Teleskop in Südafrika, von dem die Aufnahmen stammen.
Obwohl – interessantes Timing des Impakts – genau über der Hemisphäre der Erde mit den wenigsten Großteleskopen?! Eine Frage an den Bahnanalytiker 😉
Au weia. Ich hätte eigentlich von selbst darauf kommen können (nein, müssen). Wenn es in Deutschland 1 Uhr nachts ist, kann es in Hawaii nicht auch gleichzeitig Nacht sein. Vielen Dank für den Hinweis.
Die Auswahl des Impaktzeitpunkts hängt natürlich von vielen Dingen ab. Dimorphos kann optimal dann getroffen werden, wenn seine Position auf seiner Kreisbahn um Didymos so ist, dass er entweder direkt auf DART zu (wie es zum Zeitpunkt der Kollision war) oder direkt von DART wegfliegt. Wenn beide Möglichkeiten nutzbar sind, dann hat man alle 6 Stunden ein Kollisionsfenster. Wenn die Geometrie so sein soll wie schlussendlich gewählt, nur alle 12 Stunden.
Auch der Abstand zwischen Didymos und der Erde spielt eine Rolle, und die Sichtbarkeitsverhältnisse und verfügbarkeit der DSN-Bodenstationen in Goldstone, Canberra und Madrid. In Amerika achtet man zudem auch sehr genau auf die PR-technische Verwertbarkeit: Der Höhepunkt der Mission um 19:14 Ostküstenzeit ist schon optimal, gerade kurz vor prime time.
… man hat auch schon “neue Physik” zum Grübeln:
die Staubwolke des Impakts wurde nicht als “Trichter” ausgeworfen, sondern in deutlichen Streams
Was hält diese “Linien” zusammen? Zusammenstöße, Mikrogravitation, Elektrostatik …
War nicht dasselbe Phänomen schon vor 17 Jahren beim Einschlag von Deep Impact auf dem Kometen Tempel 1 beobachtet worden? (siehe hier)
Zitat aus obigem Beitrag:
Ja, ich erinnere mich an mindestens 2 Science Fiction Filme, wo genau dieser Einwand fiel. Üblicherweise wird dies dann auch vorgebracht um den Einsatz von Atombomben zur Asteroidenabwehr abzulehnen. Dabei sind Atombomben wohl die einzige Möglichkeit grosse Asteroiden mit geringer Vorwarnzeit abzuwehren.
Im Wikipedia-Eintrag Asteroid impact avoidance liest man dazu:
Mit HAIV ist hier folgendes gemeint (Zitat Wikipedia):
Ich denke, wir sollten einfach nicht zulassen, dass es überhaupt zu einer Situation kommt, in der ein Asteroid erst kurz vor dem Einschlag auf der Erde unschädlich gemacht werden muss. Bei erdbahnkreuzenden Asteroiden von gefährlicher Größe gibt es eigentlich keinen technischen Grund mehr, warum es in absehbarer Zeit noch zu einem solchen Szenario kommen sollte.
Das langsame, kontrollierte Zerpflücken hat den Vorteil, dass man eine sehr gute Kontrolle darüber hat, welche Größe die verbleibenden Bruchstücke haben. Man sollte das im Kontext der ohnehin zu erwartenden technologien zum Astroidenbergbar sehen.
Das ist bei irgendwelchen Ideen mit Nuklearwaffen nicht der Fall. Es ist übrigens auch keineswegs einfach, die Zündung einer solchen Waffe in genau dem richtigen Augenblick zu garantieren – auch nur etwas zu früh und der Effekt verpufft, zu spät und das Geschoss ist auf den Asteroiden geprallt und zerstört, bevor es explodieren kann.
Das oben gesagte gilt für Asteroiden – bei Kometen kann es sein, dass die Vorwarnzeit deutlich kürzer ist. Wegen des hohen Anteils an volatilem Material ist dort auch die Wirksamkeit einer thermonuklearen Waffe höher.
Zitat: “Es ist übrigens auch keineswegs einfach, die Zündung einer solchen Waffe in genau dem richtigen Augenblick zu garantieren – auch nur etwas zu früh und der Effekt verpufft, zu spät und das Geschoss ist auf den Asteroiden geprallt und zerstört, bevor es explodieren kann.“
Ich habe den Wikipedia-Eintrag zur 2-stufigen Asteroidenabwehr anders verstanden, nämlich so:
1) Erzeugen eines Einschlagkraters mittels Impakt wie bei DART
2) Platzieren einer Atombombe im Krater mittels langsamer Annäherung, Platzierung und anschliessend Zündung der Atombombe.
Das heisst : Die Atombombe wird nicht im Flug gezündet, sondern nachdem sie an genau der richtigen Stelle im Einschlagskrater platziert ist.
Das einzige Problem hier wäre: das Missionsfahrzeug mit der Bombe muss auf die gleiche Geschwindigkeit und Bahn wie der Asteroid gebracht werden.
Diese Zusatzanforderung ist eine erhebliche Erschwernis des Transferdesigns, und im Fall von hochexzentrischen Bahnen, insbesondere denen von Kometen so gut wie unmöglich. Bei Asteroiden ist das machbar (man muss es auch machen, wenn man Gerätschaften zum kontrollierten Zerlegen dort abladen will), braucht aber unter Umständen viel Zeit. Dann ist es nur noch eine Frage des Geschmacks, ob man die Zerlegung mittels Maschinen, oder aber unkontrolliert mit einem thermonuklearen Sprengsatz bewerkstelligt. Man müsste allerdings sicherstellen, dass die Zerlegung wirklich in hinreichend kleine Teile erfolgt. Mit Maschinen ist das nicht so schwierig, da sieht man ja, was man macht. Mit dem großen Knall stelle ich mir das schon schwieriger vor.
Es ist übrigens ein wichtiges Argument für die Abwehr mittels Hochgeschwindigkeitsimpakten, dass man solche bei praktisch allen Erdbahnkreuzern hinbekommt. Alles, was man machen muss, ist in der Nähe der Bahn der Erde zu bleiben. Da die gefährlichen Asteroiden die Erdbahn kreuzen (sonst wären sie ja keine gefährlichen Asteroiden), kriegt man eine Kollision mit ihnen früher oder später hin.
@Michal Khan (Zitat):
Dass das Rendevous Asteroid Raumgefährt aufwendig ist hab ich vermutet. Es braucht auch Zeit. Doch die Zerlegung mit Maschinen – eine Art Mining – wird wohl noch viel mehr Zeit benötigen, unter anderem auch darum, weil eine Art Remote-Steuerung nötig wäre, da den Geräten heute die nötige Intelligenz fehlt. Eine Sprengung mit einer Atombombe könnte dagegen sofort nach Platzierung der Bombe erfolgen. Und das wäre viel schneller.
Ich denke, die Filamente um den getroffenen Dimorphos sind die Staubfahnen von Mini-Vulkanen. Sicherlich ist beim Einschlag einiges an Materie verdampft, sowohl eingelagertes Eis oder andere leicht flüchtige Verbindungen aber auch die Treibstoffe der Sonde. Diese Gase haben sich ihren Weg durch Schwächebereiche des Asteroiden gesucht. Während der Eruption hat sich das Material weiter zerlegt, so dass es unregelmäßig “herausgespratzt” ist, wie bei einem Vulkan auf der Erde. Da fallen sicherlich einige Themen für Vulkanologen ab, die daran Ausbrüche ohne die störende Atmosphäre bzw. Gravitation untersuchen können.
Bei einem aktuellen Bild der ASI angefertigt von der Farb-Weitwinkelkamera sieht man diese Ausbläser ganz gut:
https://www.asi.it/wp-content/uploads/2022/09/6-1.png
Ich muss gleich voranschicken, dass ich keine Ahnung habe, was das beobachtete Phänomen hervorgerufen hat.
Ich habe nur eine Anmerkung zu Ihrer Theorie, die das Vorhandensein volatilen Materials postuliert:
1.) Die Raumsonde DART hatte beim Start 50 Kilogramm Hydrazin an Bord. Bei der Ankunft dürfte davon schon Einiges aufgebraucht gewesen sein, denn das Hydrazin wurde für die Manöver zur Bahn- und Lageregelung verwendet. Die Sonde hatte keinen hypergolen Treibstoff an Bord, also keinen Oxidator.
2.) Die Spektralklasse von 65803 Didymos ist S (silikatisch), allerdings scheint diese Einordnung nicht ganz klar zu sein. Der Impakt erfolgte aber auf Dimorphos. Dimorphos ist wahrscheinlich aus Material enstanden, das der Hauptkörper verloren hat. Dieser rotiert mit einer Periode von nahe 2.2 Stunden – der Grenz-Rotationsgeschwindigkeit, bei der die Fliehkraft den gravitationellen Zusammenhalt aufwiegt.
Das führt dazu, dass Oberflächenmaterial zum Äquator wandert und dort einen charakteristischen Wulst bildet. Vom Äquator können sich Bestandteile lösen und dabei Drehimpuls “mitnehmen”, sodass sich die Rotationsgeschwindigkeit von Didymos zeitweise knapp unter die kritische Grenze bewegt. Das komplette Material von Dimorphos muss also über längere Zeit hinweg (erst an der Oberfläche von Didymos, dann im Orbit um Didymos herum) der Sonneneinstrahlung exponiert gewesen sein.
Selbst wenn zuvor volatiles Material vorhanden war (muss bei einem silikatischen Objekt nicht der Fall sein), ist es dann plausibel, dass bei Dimorphos noch irgendetwas davon erhalten geblieben ist? Ich muss sagen, das erscheint mir auf Anhieb erst einmal unwahrscheinlich.
zu 1.) Ich hatte den Plural Treibstoffe benutzt, da die Sonde auch noch Xenon mitführte.
zu 2.) Dem Argument, dass Dimorphos als Sekundärbildung aus dem Hauptkörper nicht über wesentliche volatile Einlagerungen verfügen kann, kann ich nur zustimmen. Damit dürfte die Interpretation der Filamente als eine Art Vulkanismus-Auswurf hinfällig sein.
Meine Theorie zur Entstehung der beobachtenen Filamente in der Auswurfwolke ist, dass dies einfach ein Effekt der Oberflächenstruktur ist.
Wir haben es nicht mit einem homogenen, glatten Körper zu tun, sondern mit einem Haufen Geröll aller möglichen Größen, vom feinen Staub bis hinauf zu hausgroßen Felsen. Je kleiner das Material am Einschlagsort, desto schneller und gründlicher verdampft es in der Impakthitze. Das gilt auch für siilikatisches Material.
Weggeschleudertes Material spritzt in alle Richtungen weg und reißt dabei auch Staub mit sich, aber wenn irgendwo ein größerer Brocken im Weg liegt, kommt nicht so viel durch wie an anderen Stellen, wo der Weg frei ist. Das Ergebnis wären die beobachteten Filamente, in denen Material konzentriert ist.
hmm, kann die “Strukturbildung” nicht auch von der bloßen Form von DART beeinflußt sein?
Bei Übungsschüssen in “Sandhaufen” nimmt man ja “ordentliche” Projektile.
Die Sonde selbst war wohl eher eine Schrotkugel, wir haben Verzögerungen.
Erfolgserlebnis besser als erwartet, Umlaufzeit von 11:55h um 32 min auf 11:23h verringert.
Ja, das ist schon ein Hinweis darauf, dass die Dynamik dieser fliegenden Geröllhalden noch nicht sehr gut verstanden ist. Das beim Impakt ausgeworfenen Material verstärkt die Impulsübertragung. Anscheinend wurde dieser Effekt unterschätzt.
Vielleicht hat man aber auch die Masse des Körpers überschätzt – er könnte im Inneren mehr Hohlräume haben als erwartet.
Oder beides.
Philip Lubin (bekannt für sein Breakthrough Starshot -Projekt: mit Gigawatt-Lasern Miniaturraumschiffe zu Alpha-Centauri pushen) will Asteroiden mit einem ganzen Array von Projektilen in kleinste Stückchen zerlegen. Dazu gibt es das NIAC-Projekt Pi – Terminal Defense for Humanity wo man liest:
Nun: Für Lubin ist das wohl nur eine kleine Sache, die er quasi nebenbei erledigt. Nichts im Vergleich zum Breakthrough Starshot -Projekt.
Den Effekt einer Zerlegung eines Asteroiden in kleine Bruckstücke, von denen immer noch ein erheblicher Anteil die Erde trifft, lässt sich abschätzen.
Nehmen wir einen 350 Meter großen Asteroiden. Der hat ein Volumen von 1.26E7 (12.6 Millionen) Kubikmetern.
Mit einer mittleren Dichte von 2000 kg/m^3 hätte er eine Masse von 2.53E10 kg. Sagen wir mal, die Zerlegung zerstreut die Bruchstücke so, dass immer noch die Hälfte davon in die Atmosphäre eintritt, also 1.26E10 kg.
Nehmen wir eine atmosphärische Eintrittsgeschwindigkeit von 15 km/s. Die kinetische Energie, die dabei umgesetzt wird, liegt bei 1.4206E18 J. Das entspricht, in Atombomben umgerechnet, einer Sprengkraft von 340 Megatonnen. Wohlgemerkt, die Erde bekommt pro Tag allein durch Sonneneinstrahlung eine Energie von 1.5E22 J zugeführt, also vier Größenordnungen darüber.
Die Erde hat einen Radius von 6378 km. In die Ebene senkrecht zur Anflugrichtung projiziert ergibt sich eine Scheibe mit einer Fläche von 2.56E8 Quadratkilometern. Unterteilen wir jetzt mal in Gedanken diese Fläche in Elemente von 100 x 100 Kilometern. Davon gäbe es dann 25600.
Jede dieser Teilflächen von 100 x 100 Quadratkilometern würde dann etwa die Sprengkraft einer Atombombe von 13 Kilotonnen (etwa ein Hiroshima-Äquivalent) abbekommen, wobei sich die Explosion noch in der Hochatmosphäre abspielt, wenn die Bruchstücke klein genug sind. Und genau das ist das zentrale Problem. Die Atmosphäre kann uns gut vor kleinen Asteroiden schützen, aber das Problem liegt darin, sicherzustellen, dass keine großen Brocken mehr dabei sind. Bei etwa 100 Metern Durchmesser kommen Bruckstücke zur Oberfläche durch und selbst 30 Meter große Stücke explodieren schon in geringeren Höhen, sodass großer Schaden angerichtet werden kann.
1.000 t sollen “abgesprengt” worden sein, heißt Impulsverstärkung war ß = 3,6.
https://www.bbc.com/news/science-environment-63995869
Schöne Weihnachten und Gesunden Rutsch – Dip
Danke! Wobei der Artikel weiter sagt, dass dieser Wert noch mit einer erheblichen Unsicherheit nach oben behaftet sein kann: