HERA: Weitere Ziele

Weitere Ziele für die HERA-Mission: Verbleibende Liste nach Anwendung aller Auswahlkriterien inklusive Re-Optimierung der Transferbahn

Im Oktober 2024 startet die ESA-Mission HERA zum Asteroiden 65803/Didymos. Dieser Asteroid ist und bleibt das Hauptziel der Mission. Dennoch werde ich schon seit Jahren mit der Frage gelöchert, ob auf dem Weg zu Didymos noch weitere Ziele besucht werden können, natürlich nur in Form eines mehr oder weniger schnellen Vorbeiflugs. 

Gibt es überhaupt weitere Ziele?

Bevor man untersuchen kann, ob weitere Ziele von wissenschaftlichem Interesse mit vertretbarem Aufwand und unter Einhaltung der Vorgaben für die Mission HERA besucht werden können, muss man feststellen, ob die geplante Transferbahn überhaupt anderen Asteroiden nahe kommt. 

Diese Prüfung ist nicht besonders schwierig, wenn die numerisch propagierte Transferbahn für HERA für mehrere unterschiedliche Startdaten vorliegt, mindestens für den ersten und letzten Tag des Startfensters. Die Datei mit der Trajektorie wird in kleinen Zeitschritten durchlaufen, wobei man sich auf die Phasen des Transfers beschränkt, in denen nicht gerade etwas anderes, missionskritisches passiert.

Den Zeitraum vom Start bis einige Monate nach dem Marsvorbeiflug um Mai 2025 kann man dabei getrost außen vor lassen, ebenso die Zeit ab Herbst 2026, wenn die Vorbereitungen für den Bahneinschuss bei 65803/Didymos anlaufen. Die Suche berücksichtigt nur Asteroiden, denen die Trajektorie auch ohne weitere Korrektur auf weniger als 3 Millionen km nahe kommt.

Dieses Filterkriterium habe ich willkürlich gewählt. Je größer der Minimalabstand, desto mehr Treibstoff wird die Bahnkorrektur zur Erreichung des Asteroiden kosten. Wenn ich den Wert zu groß wähle, rutschen eine Menge Asteroiden rein, bei denen sich hinterher herausstellt, dass die erforderlichen Bahnkorrekturen von HERA zu viel kosten würden. Wähle ich aber den Wert zu klein, riskiere ich den Verlust von erreichbaren Zielen. Wie sich zeigte, war 3 Millionen km eine gute Schätzung. 

Eigentlich hatte ich ja gehofft, dass schon bei dieser Filterung gar kein Kandidat gefunden wird. Immerhin kratzt die Bahn von HERA nur am unteren Bereich des Hauptgürtels. Aber denkste: In der ersten Liste waren immer noch mehr als 100 Objekte! Höchste Zeit also für eine weitere Filterung. 

Filterung nach Magnitude

Eigentlich hatte ich bereits die Größe der Objekte einbezogen. Die Grobfilterung bezog nicht nur die Minimaldistanz, sondern auch auch die Magnitude ein. Die absolute Magnitude eines Asteroiden gibt die Helligkeit an, wie sie im Abstand von einer astronomischen Einheit auftreten würde. Ich hatte eine Grenzmagnitude von +25mag angesetzt. Der dazugehörige Durchmesser hängt von der Reflektivität des Objekts ab. Ein Körper, der kaum Licht reflektiert, muss schon 60 Meter groß sein, um diese Magnitude zu erreichen. Wenn er mehr Licht reflektiert, könnte er auch deutlich kleiner sein. Wenn HERA aber seine Bahn ändern soll, um eines der weiteren Ziele zu besuchen, sollte das Objekt zumindest nicht gar so klein sein. Der Umweg soll sich schließlich lohnen. Wir entschlossen uns  also, +18mag als Grenzmagnitude anzusetzen, was einem Durchmesser von rund 1 km entspricht. Größere Objekte sollten bevorzugt werden, falls möglich. 

Filterung nach Vorbeifluggeschwindigkeit

As der ersten Filterung erhielt ich nicht nur den Mindestabstand, sondern auch die Relativgeschwindigkeit bei größter Annäherung. Diese würde sich zwar noch etwas ändern, wenn man die Bahn von HERA anpasst, um einen näheren Vorbeiflug zu gewährleisten. Da wir aber die Bahn von HERA nicht nennenswert verändern können, kann sich auch bei der Relativgeschwindigkeit nicht mehr sehr viel tun. Somit reicht der aus der ersten Filterung erhaltene Wert als Kriterium.

Als Grenzwert wurde 4.5 km/s angesetzt. Die Raumsonde kann nicht beliebig schnell rotiert werden. Will man das Objekt im Blickfeld der Kameras behalten, darf die maximale Schwenkgeschwindigkeit nicht die Kapazität der Schwungräder und Triebwerke überfordern. 

Die maximale Schwenkrate tritt im Moment der größten Annäherung auf. Je geringer die Relativgeschwindigkeit, desto näher kann man ran. Daher der Grenzwert, wobei natürlich ein niedrigerer Wert dem betreffenden Objekt zum Vorteil gereicht.

Filterung nach Phasenwinkel

Die Bahn von HERA wird sehr genau bekannt sein, weil man sie kontinuierlich bestimmt, während die Sonde auf ihrem Weg zum Asteroiden 65803/Didymos ist.

Für weitere Ziele gilt das nicht – um deren Bahnen genauer zu bestimmen, muss es Beobachtungskampagnen mit Teleskopen geben. Selbst dann wird HERA bei der Annäherung immer noch mit der Bordkamera Bilder der Himmelsregion schießen, in der dich das Zielobjekt befindet. Diese Bilder werden am ESOC ausgewertet und für die Manöverplanung genutzt. 

Das erlegt aber dem Phasenwinkel während des Anflugs Beschränkungen auf. Der Phasenwinkel gibt an, wie viel von der sonnenbeschienenen Seite des Objekts man sehen kann:

  • 0 Grad bedeutet, dass HERA die Sonne direkt im Rücken hat, wenn die Sonde zum Asteroiden schaut. Zwar optimal im Anflug, aber wenn man nach dem Vorbeiflug noch Bilder vom Asteroiden machen will, müsste die Kamera direkt in die Sonne schauen und würde gar nichts mehr  aufnehmen können oder sogar beschädigt werden. 
  • 180 Grad bedeutet, dass HERAs Kamera schon im Anflug von der Sonne geblendet wird und deswegen keine optische Navigation möglich ist. 

Beide Fälle sind also unerwünscht. Filterkriterium ist ein maximaler Phasenwinkel von 140 Grad. Kleinere Phasenwinkel sind vorteilhafter: Zum einen erleichtern sie die Navigation beim Anflug, zum anderen kann man nach dem Vorbeiflug anhand von Streulicht in der Umgebung des Asteroiden feststellen ob er Staub verliert.

Das Killerkriterium: Delta-v!

Anwendung der obigen Kriterien kochte die Liste der möglichen weiteren Ziele für HERA schon einmal kräftig ein, erfreulicherweise sogar ohne weiteren Aufwand (für mich). Dann aber musste ich ‘ran: letztes, allerdings aber auch wichtigstes Kriterium ist die Summe der Manöver. Selbst wenn das weitere Ziel höchstes wissenschaftliches Interesse genießt und alle anderen Kriterien erfüllt sind, es aber mit dem verbleibenden Treibstoff nicht zu erreichen ist oder den Erfolg der Hauptmission gefährdet, dann fällt dieses Objekt unweigerlich hinten runter. 

Auf keinen Fall darf die Ankunft bei 65803/Didymos verzögert werden. Das ist nicht verhandelbar. Ferner darf das gesamte Delta-v, das zusätzlich aufgewendet werden muss, 90 m/s nicht übersteigen. 90 m/s ist eigentlich noch zu hoch und kommt nur in Betracht, wenn es gar keine weiteren Ziele gibt, die preiswerter erreicht werden können. Eigentlich möchte man nicht mehr als 50 m/s zusätzlich ausgeben. Idealerweise sogar weniger. 

Um das erforderliche Delta-v zu berechnen, musste ich eine Neuberechnung des Transfers von HERA vornehmen, inklusive der Begegnung mit jedem einzelnen der verbleibenden weiteren Ziele und unter Einbeziehung zusätzlicher Bahnmanöver. Das erklärt, warum ich eine möglichst kurze Liste haben wollte. 

Und die verbleibende Shortlist …

… nach Anwendung aller Kriterien ist wirklich sehr kurz, und so soll es auch sein, denn sonst würde es wahrscheinlich endlos dauern, bis die weitere Auswertung abgeschlossen und eine Entscheidung gefällt ist. So viel Zeit haben wir aber nicht mehr, denn es gibt noch viel zu tun. 

Weitere Ziele für die HERA-Mission: Verbleibende Liste nach Anwendung aller Auswahlkriterien inklusive Re-Optimierung der Transferbahn
Weitere Ziele für die HERA-Mission: Verbleibende Liste nach Anwendung aller Auswahlkriterien inklusive Re-Optimierung der Transferbahn, Quelle: Michael Khan, ESA

Es verbleiben vier “grüne Ziele”. Eigentlich nur drei, denn 477419/2009 WW1 ist mit seinen +17.8mag (etwas unter 1 km Durchmesser) immer noch reichlich klein. Auch die anderen drei sind aus der Sicht des Missionsanalytikers nicht wirklich Traumkandidaten.

  • 29886/Randytung  ist in punkto Vorbeifluggeschwindigkeit, Phasenwinkel und Delta-v schon am Rand meines Komfortbereichs, aber zumindest mit etwa 3-4 km Durchmesser eines der größten gefundenen Objekte. Es scheint Hinweise zu geben, dass dieser Asteroid ein Langsamrotierer ist, aber ich habe dazu wenig schriftlich Niedergelegtes gefunden. Auch seine taxonomische Klasse ist mir nicht bekannt.
  • 122764/2000 SX69 liegt bei der Vorbeifluggeschwindigkeit eindeutig zu hoch, ist aber beim Phasenwinkel besser, dafür aber mit 1.5-2 km schon reichlich klein. Mit einer Rotationsperiode um 5 Stunden scheint er noch deutlich entfernt von der kritischen Periode zu sein.
  • 169549/2002 EG105 ist nochmals ein Stück kleiner, der Phasenwinkel ist größer als mir lieb wäre und die Vorbeifluggeschwindigkeit ist immer noch grenzwertig. Er kostet aber zumindest nicht viel Delta-v.

Meine Begeisterung hält sich also ganz eindeutig in Grenzen. Eigentlich hatte ich Hoffnungen auf 42532/1995 OR gesetzt, der fast so groß ist wie Randytung, dafür aber mit geringerer Vorbeifluggeschwingkeit und niedrigerem Phasenwinkel punktet. Leider wächst bei dem Objekt das erforderliche Delta-v für andere Tage im Startfenster kräftig an, sodass er wahrscheinlich nicht mehr im Budget liegt. 

Beispielfall: Modifizierter HERA-Transfer mit Vorbeiflug an Asteroid 29886/Randytung
Beispielfall: Modifizierter HERA-Transfer mit Vorbeiflug an Asteroid 29886/Randytung, Quelle: Michael Khan, ESA

Und wie geht’s weiter?

Der Ball ist jetzt wieder im Feld der Wissenschaftler. Wir wissen eigentlich über alle Kandidaten zuwenig, um eine endgültige Entscheidung zu treffen. Ich habe noch nicht einmal aktuelle Bahndaten für die Asteroiden, sondern bin auf die gemittelten Bahnelemente aus der Datenbank des Minor Planet Centre angewiesen. 

Auch die Eigenschaften der Asteroiden liegen weitgehend im Dunkeln. Ohne Kenntnis der taxonomischen Klasse und Albedo kann man keine qualifizierte Aussage zum wissenschaftlichen Interesse an einem Objekt treffen. Ist der Asteroid ein stinknormales silikatisches Objekt oder gibt es ein besonderes Interesse – ist er kohlenstoffreich, hat er einen hohen Metallanteil, rotiert er schnell, handelt es sich gar um ein binäres Objekt? Sachdienliche Hinweise kann man nur mit dedizierten Beobachtungskampagnen finden. 

Viel Zeit bleibt nicht mehr, zumal es begrenzte Zeitfenster gibt, zu denen man einen Asteroiden beobachten kann. Seine Entfernung von der Erde sollte während dieser Zeiten möglichst gering und seine Elongation von der Sonne möglichst groß sein. Zur Auswahl geeigneter Beobachtungszeiten siehe die Diagramme im Anhang. 

Was wäre die Alternative?

Wird man weitere Ziele für die Mission HERA auswählen? Das ist keineswegs ausgemachte Sache. Jetzt sollte es erst einmal eine Sammlung von Daten und dann eine nüchterne Abwägung des Für und Wider geben.  Mit dem delta-v, das man einspart, wenn man sich den kleinen Umweg zu einem weiteren Ziel spart, hat man eine nicht unerhebliche Menge Treibstoffs zur Verfügung.

Das nominale Ende der Mission ist Ende September 2027 mit Beginn der oberen Konjunktion, die den Kontakt zwischen Erde und Raumsonde für bis zu mehreren Wochen unterbrechen könnte. Auf die Konjunktion folgt der Apheldurchgang des Asteroiden, und darauf die Phase des maximalen Erdabstands. Das heißt, es wird erst mit der Energiezufuhr knapp und dann auch noch mit der Datenverbindung zur Erde, bis sich Anfang 2028 die Situation zusehends entspannt.

Falls HERA am Ende der nominalen Mission noch voll funktionstüchtig ist, könnte man auch eine kurze Hibernation einplanen und danach die Untersuchung des Hauptziels Didymos wieder aufnehmen. Das geht allerdings nur dann, wenn man den dafür erforderlichen Sprit nicht schon vorher verballert hat. 

Anhang

Hier finden Sie Diagramme des Erd- und Sonnenabstands der drei Asteroiden aus der aktuellen Shortlist für weitere Ziele der HERA-Mission. 

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.

7 Kommentare

  1. Zitat:

    Falls HERA am Ende der nominalen Mission noch voll funktionstüchtig ist, könnte man auch eine kurze Hibernation einplanen und danach die Untersuchung des Hauptziels Didymos wieder aufnehmen.

    Am Ende der Mission ist man doch für alles frei – nicht nur für eine erneute Untersuchung des Didymos, sondern auch für weitere Begegnungen und Untersuchungen. Soviel ich mich erinnern kann, besuchte die Pluto-Sonde New Horizons nach dem Erreichen von Pluto noch mehrere weitere Objekte des Kuiper-Belts. Das war dann praktisch die Zugabe – und die erhielt man erst noch mehr oder weniger gratis.

    Mir scheint es jedenfalls naheliegend erst nach dem Hauptziel eventuell weitere Ziele anzustreben, denn so riskiert man gar nichts und verbraucht auch keinen Treibstoff, den man später eventuell vermisst.

    • Das “Hauptziel” für eine Missionsverlängerung sollte folgendes Objekt sein: 65803 / Didymos. Zwischen Ankunft am Asteroiden und vorläufigem, erzwungenem Missionsende wegen der oberen Konjunktion kombiniert mit Aphel und maximalem Erdabstand liegt gerade mal ein gutes halbes Jahr für konzentrierte Wissenschaft. Dabei wird eine ganze Menge hinten ‘runter fallen müssen; es gäbe also noch massenhaft zu tun, nach der Unterbrechung.

      Monate weiterer Wissenschaft, das wiegt doch keineswegs einen schnellen Vorbeiflug an einem anderen Objekt auf. Das ist eben der fundamentale Unterschied zu New Horizons: Da lautete die Alternative: “Arrokoth oder Abschalten”, das heißt, es bestand keine Konkurrenz zwischen einem weiteren Besuch und anderer Wissenschaft. Das ist bei HERA ganz anders.

      Abgesehen davon halte ich es für beliebig unwahrscheinlich, dass in absehbarer Zeit nach der Mission an Didymos überhaupt noch ein anderer Körper erreicht werden kann, angesichts der geringen verbleibenden Delta-v-Kapazität. Auf dem Transfer ist das anders, da kann man den Mars-Swingby noch etwas anpassen, was eine ganze Menge einbringt, und man investiert keine Zeit. Wollte man aber von Didymos erst einmal weg, und dann zu einem anderen Asteroiden, würde das eventuell Jahre dauern. Erstens ist dafür die Sonde nicht ausgelegt und zweitens stellt sich dann wieder die Frage: Warum nicht lieber dableiben und am Binärsystem 65803 / Didymos weiter forschen?

      • Albern!? Liegt wohl an der Größe der Annäherung an Deimos während des Vorbeiflugs. Mars Express ist nicht in der Lage Bilder von Deimos mit hoher Auflösung zu liefern. Mir ist jedoch klar, dass die Wahrscheinlichkeit eines nahen Vorbeiflugs von Hera an Deimos wohl sehr gering ist.

        • Gut. Ich nehme das Wort albern zurück und ersetze es durch “unangemessen”.

          Man muss halt bedenken, wofür HERA gebaut ist – und wofür nicht. HERA soll einen Asteroiden aus nächster Nähe beobachten, und zwar bei einer sich nur langsam ändernden Beobachtungsgeometrie. Die schnelle und präzise Nachführung in Echtzeit ist nicht HERAs Ding – das Lageregelungssystem ist dafür nicht ausgelegt. Das wäre schwer und teuer geworden, und schwere und teure Dinge, die man für das Erreichen des primären Missionsziels nicht braucht, baut man auch nicht ein. Allzu nah dran wäre also gar nicht hilfreich.

          Sicher wird man im Anflug auf Mars oder nach dem Vorbeiflug ein paar pretty pictures schießen.

          Naja, vielleicht gelingt es ja tatsächlich während des Vorbeiflugs selbst – wenn der Abstand nicht gar zu gering ist. Wenn das Startdatum näher rückt, oder vielleicht sogar nach dem Start, kann man sich das alles noch einmal anschauen.

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