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Vorarbeit zur Weltrettung: Diese technischen Hürden liegen vor der Dart-Mission

David W. Brown

Wissenschaftler installieren elektrische Systeme an der Dart-Sonde, die einen Asteroiden aus seiner Bahn lenken soll.

(Bild: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman)

Kann ein Aufprall mit 24.000 km/h einen Asteroiden aus der Bahn werfen und verhindern, dass er die Erde trifft? Die gestartete Dart-Mission soll's herausfinden.

In einem Reinraum in Gebäude 23 des Laboratoriums für angewandte Physik der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland, hängt die Dart-Sonde wie ein zerbrochenes kubistisches Ei. Gerade wird der Star Tracker für die Positionsbestimmung im All am Kern montiert. Das Avioniksystem, der Zentralcomputer von Dart, hängt gut sichtbar an quadratischen Paneelen. Sie bilden die Seiten, sobald das Raumfahrzeug zusammengeklappt ist. Gyroskope und Antennen sind freigelegt.

In einem Raum nebenan wartet das experimentelle Antriebssystem namens Next-C. Große Bündel dicker, mit silberner Isolierung umwickelter Kabel hängen wie Ranken von der Raumsonde herunter und laufen am Boden entlang zum Kontrollraum. Dort sind sie mit einer gewaltigen Batterie von Testcomputern verbunden, die vier Ingenieure bedienen. Das Ziel all der Arbeit: Die Erde vor gefährlichen Asteroiden retten, sollten diese sich eines Tages auf unseren Planeten zubewegen.

Seitdem die sowjetische Sonde Luna 1 am 2. Januar 1959 als erstes Raumschiff die Erdumlaufbahn verlassen hat, hat die Menschheit etwa 250 Sonden in das Sonnensystem geschickt. Doch Dart (Double Asteroid Redirection Test) ist die erste Sonde, die das Sonnensystem nicht nur untersuchen, sondern es manipulieren will. Dart wurde entwickelt, um auf einen Asteroiden namens Dimorphos zu stürzen. Der Aufprall soll die Geschwindigkeit von Dimorphos um etwa einen Millimeter pro Sekunde verändern und demonstrieren, dass es möglich ist, einen solchen Asteroiden, der in unsere Richtung fliegt, aus seiner Bahn zu lenken.

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Das Minor Planet Center, das im Auftrag der Internationalen Astronomischen Union Daten über Asteroiden, Zwergplaneten und Kometen sammelt und veröffentlicht, verzeichnet insgesamt etwa 800.000 Asteroiden, von denen fast 24.000 in einer erdnahen Umlaufbahn fliegen. Die überwiegende Mehrheit von ihnen wurde seit 1998 entdeckt, als der US-Kongress der Nasa zehn Jahre Zeit gab, jedes erdnahe Objekt mit einem Durchmesser von mehr als einem Kilometer zu identifizieren. Dank statistischer Analysen gehen die Astronomen davon aus, dass sie etwa 95 Prozent der großen erdnahen Asteroiden gefunden haben – das sind die, die unsere Zivilisation zerstören würden, würden sie unseren Planeten treffen.

Auf ihrer Reise wird die Sonde einen neuartigen Ionenantrieb testen.

(Bild: NASA/JOHN HOPKINS APL)

Es sind riesige Felsen mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern, und keiner der bekannten bedroht die Menschheit in nächster Zeit. Wenn sie jedoch einschlagen, hat das katastrophale Folgen: Der Chicxulub-Einschlag, der mutmaßlich zum Aussterben der Dinosaurier führte, soll von einem Objekt von etwa 16 Kilometern Durchmesser verursacht worden sein. Aber auch kleinere Asteroiden sind für die Erde gefährlich – und diese kleineren Felsbrocken sind deutlich schwieriger zu entdecken: 2013 explodierte über Tscheljabinsk in Russland ein Meteor mit der Wucht einer mittelgroßen Atombombe. Das Tscheljabinsk-Objekt hatte einen Durchmesser von etwa 20 Metern. Als er einschlug, zerbrachen die Fenster auf einer Fläche von über 500 Quadratkilometern in einem dicht besiedelten Gebiet – mitten im Winter. 1.700 Menschen wurden verletzt, meist durch Glasscherben. In diese Kategorie gehört auch Dimorphos – der allerdings nicht auf Kollisionskurs mit der Erde fliegt.

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„Vor vierzig Jahren wussten wir nicht, ob wir am kommenden Dienstag in einer Woche von einem riesigen Killer-Asteroiden ausgelöscht werden könnten. Diese besondere Gefahr der Unwissenheit ist nun gebannt“, sagt Tom Statler, Wissenschaftler des Dart-Missionsprogramms im Nasa-Hauptquartier. Aber Objekte, die weniger als 150 Meter messen, also etwa so groß wie Dimorphos sind, sind für die derzeitigen Observatorien – sowohl terrestrische als auch satellitengestützte – schwer auszumachen. Sie würden mit der Gewalt der größten Atombombe der Geschichte einschlagen. Im Moment, so Statler, sei vielleicht ein Viertel der Gesamtzahl der potenziell gefährlichen kleinen Objekte identifiziert. „Wenn wir nicht wissen, wo sie sich befinden“, sagt er, „dann sind wir nicht in der Lage vorherzusagen, wann ein Einschlag stattfinden könnte und wann wir eventuell eine Ablenkung vornehmen müssen.“

Noch in diesem Jahrzehnt soll daher eine Mission zur Überwachung von erdnahen Objekten gestartet werden – ein orbitales Infrarot-Teleskop, das vom Koordinationsbüro für planetarische Verteidigung mit einer halben Milliarde Dollar finanziert wird. Da es im infraroten Wellenlängenbereich beobachtet, kann es Objekte erkennen, die aus Richtung der Sonne kommen und daher für Teleskope am Boden nicht sichtbar sind. Zusätzlich wird das Vera-Rubin-Observatorium, ein neues Teleskop, das in Chile gebaut wird, nach gefährlichen Objekten suchen. Es verfügt über eine 3200-Megapixel-Kamera – die größte jemals in der Astronomie verwendete. „Wir hoffen, dass wir in weiteren 20 Jahren wissen, welche wir im Auge behalten müssen“, sagt Statler.

Und wenn die gefährlichen Objekte identifiziert sind, soll eine Technologie wie Dart zum Zuge kommen, um die Gesteinsbrocken von ihrem Kollisionskurs mit der Erde abzubringen. Versucht man allerdings, einen Asteroiden, der sich mit 30 Kilometern pro Sekunde bewegt, durch die Kollision mit einer Sonde abzulenken, wird die Geschwindigkeitsänderung wahrscheinlich nur einige Millimeter pro Sekunde betragen. Das ist mit Teleskopen auf der Erden kaum zu messen – und damit ist auch nicht nachvollziehbar, ob der Zusammenstoß stark genug war, um die Gefahr für die Erde zu bannen. Die Lösung dieses Messproblems fand Andy Cheng von der Johns Hopkins University, jetzt der leitende Wissenschaftler der Dart-Mission, 2011 in der Besonderheit von Dimorphos: Er ist der kleine Begleiter von Didymos, einem Asteroiden mit einem Durchmesser von etwa 800 Metern. Die beiden Asteroiden sind knapp einen Kilometer voneinander entfernt; Dimorphos umkreist den größeren Asteroiden mit einer Geschwindigkeit, die etwas langsamer ist als die Geschwindigkeit eines Fußgängers.

Niemand weiß genau, wie dieses Gespann aussieht, weil es zu klein und weit entfernt ist für detaillierte Teleskopbeobachtungen auf der Erde, aber von der Erde aus gesehen ist Dimorphos manchmal vor und manchmal hinter Didymos, wobei der größere Asteroid bei jeder Umdrehung teilweise verdeckt wird. „Die Umlaufbahn von Dimorphos um Didymos ist wie eine tickende Uhr“, sagt Statler. „Alle zwölf Stunden dreht sie sich im Kreis. Was wir mit Dart machen, ist, auf diese Uhr einzuschlagen.“ Die Astronomen müssen lediglich ablesen, wie schnell die Uhr vor dem Aufprall tickt, und sie danach erneut vermessen. Sie gehen davon aus, dass sich die Umlaufdauer um etwa zehn Minuten oder etwas mehr als ein Prozent ändern wird.

Die Messung der Änderung dürfte genügen, um den Wert abzuschätzen, der den Forschern am meisten am Herzen liegt: die sogenannte Impulsübertragungseffizienz, typischerweise mit dem griechischen Buchstaben β bezeichnet. Sie ist ein Maß dafür, wie viel vom Impuls der Sonde auf den Asteroiden übertragen wird. Je größer β ist, desto effektiver wird Dart den Kurs von Dimorphos verändert haben. Die Ermittlung von β ist wichtig, weil wir zum Schutz vor Asteroideneinschlägen in der Lage sein müssen vorherzusagen, wie viel dieser sich bewegen wird, wenn ein Raumschiff auf ihn trifft.

Bislang kann dieser Wert nur grob geschätzt werden. Asteroiden sind von unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung. Über ihre innere Struktur ist nicht viel bekannt. Niemand weiß mit Sicherheit, ob Dart einen großen oder einen kleinen Krater bilden wird. „Wir gehen davon aus, dass diese Faktoren von der Topografie abhängen“, sagt Andy Rivkin, der zusammen mit Cheng das Dart-Wissenschaftsteam leitet.

Mit anderen Worten: Wird das Raumschiff einen Hang oder einen flachen Boden treffen? Wird es Felsbrocken geben? Hartes oder weiches Gestein? Kies? Staub? Und wie viel Auswurf wird Dart als Folge davon erzeugen? In welche Richtung wird dieser Auswurf sich bewegen und wie schnell? Ein Auswurf, der in eine Richtung abfliegt, gibt dem Asteroiden einen Kick in die entgegengesetzte Richtung, sodass die Antwort auf diese Frage den Wert von stark beeinflusst.

Das Team plant, die von Dart gesammelten Daten mit Computersimulationen ähnlicher – natürlicher – Einschläge zu vergleichen. Dies wird es ihnen ermöglichen, ihre Modelle zu verbessern, sodass sie besser berechnen können, welche Art von Geschoss nötig wäre, um einen künftigen Asteroiden mit Kurs auf die Erde abzulenken.

Zurück an die Johns Hopkins und den Dart-Bausatz: Rosanna Smith, die Leiterin der Dart-Antriebstests, sitzt im Kontrollraum und überwacht die Tests der Hydrazin-Triebwerke. Jede Komponente war bereits viele Male einzeln getestet worden. Nun wurden sie erneut geprüft – als Teile des Ganzen.

Ein Raumfahrzeug zu bauen bedeutet vor allem, das Raumfahrzeug zu testen. In den Weltraum zu gelangen ist teuer; einen weit entfernten Asteroiden ins Visier zu nehmen ist noch teurer. Und alles muss beim ersten Mal funktionieren.

Kosmisches Billard: Der Aufprall von Dart soll die Umlaufbahn von Dimorphos um Didymos ändern.

(Bild: NASA/JOHN HOPKINS APL)

Dart ist an die Computer des Prüfstandes angeschlossen, die dafür sorgen, dass sich die Komponenten so verhalten, als befände sich die Sonde im Weltraum. Die Triebwerke zünden nicht, aber die Avionik des Raumfahrzeugs reagiert, als ob sie gezündet hätten. Bei Anomalien, erklärt Smith, halten die Ingenieure alles an, um die Sonde zu beurteilen. Hier könnten sie sich umziehen und den Reinraum betreten, ein Oszilloskop am Raumschiff anbringen und nachsehen, was vor sich geht – im Orbit geht das nicht mehr.

Wie in der Raumfahrt üblich, reisen mit Dart auch Technologien, die später für andere Raumfahrzeuge verwendet werden könnten. So wird beispielsweise der neue Ionenantrieb Next-C demonstriert. Dieser ist für die Mission von Dart nicht notwendig, die sich in erster Linie auf konventionelle chemische Raketen stützen wird. Aber Ionentriebwerke, die Elektrizität zur Impulserzeugung nutzen, sind viel effizienter als ihre chemischen Pendants. Mit ein paar Hundert Kilogramm Treibstoff können sie erreichen, wofür man Zehntausende Kilos chemischer Treibstoffe wie Hydrazin benötigen würde. Nur zwei Raumschiffe – Deep Space 1 und Dawn – haben bislang Ionentriebwerke im tiefen Weltraum eingesetzt, und Next-C ist etwa dreimal so stark wie die auf diesen Missionen verwendeten. Um den Strom für Next-C zu erzeugen, wird Dart auch eine neue ausrollbare Solaranlage erhalten, die leichter ist als herkömmliche faltbare Solarpaneele. Weiterentwickelte Antriebssysteme würden es zukünftigen Raumschiffen ermöglichen, eintreffende Asteroiden mit höheren Geschwindigkeiten zu treffen.

Die Reise von der Erde zu Didymos wird 14 Monate dauern. Dart startet im November 2021 mit einer Falcon-9-Rakete [6] von der Vandenberg Air Force Base an der Küste Kaliforniens, rund 220 Kilometer nordwestlich von Los Angeles, abheben. Die Raumsonde wird in Richtung Süden starten und die Sonne einmal umkreisen, bevor sie einige Wochen nach ihrer nächsten Annäherung an die Erde auf das Asteroiden-Gespann trifft. Didymos und Dimorphos werden dann knappe elf Millionen Kilometer von der Erde entfernt sein, etwa 30-mal weiter als der Mond. Die Flugbahn haben die Ingenieure so ausgelegt, dass die für den Start von Dart erforderliche Energie minimiert ist und der Aufprall für einen Nahanflug zeitlich so liegt, dass Teleskope auf der Erde die Kollision bestmöglich beobachten können.

So der Plan, doch zuerst muss Dart Didymos finden. Dreißig Tage vor dem geplanten Aufprall wird das Raumschiff beginnen, optische Navigationsbilder zu sammeln, während es sich den Zwillingsasteroiden mit fast 24.000 Kilometern pro Stunde nähert. Die Astronomen kennen die Bahnen der Asteroiden nicht mit der Präzision, die für einen vorprogrammierten Einschlag erforderlich wäre. Der Missionsplan sieht vor, dass Dart nicht mehr als 15 Meter vom geplanten Zielpunkt entfernt einschlagen soll, aber zu diesem Zeitpunkt wird die Ungewissheit über die Umlaufbahn des großen Didymos noch Tausende von Metern betragen, und für den viel kleineren Dimorphos wird sie noch größer sein.

Vier Stunden später „schalten wir Smart Nav ein, es identifiziert Didymos und beginnt mit der Suche nach Dimorphos, das wir zu treffen versuchen“, sagt Elena Adams, Chefingenieurin der Dart-Mission. Strahlung im Weltraum und Rauschen im Detektor erschweren die Navigation, aber eine Stunde vor dem Einschlag sollte die Software Dimorphos lokalisieren. „Nachdem sie herausgefunden hat, dass sie sich am richtigen Ort befindet und dass es sinnvoll ist, wechselt sie von der Ausrichtung auf den Hauptasteroiden zur Ausrichtung auf seinen Mond.“

Das komplizierte Verfahren wäre auch dann nötig, wenn die Astronomen die Position von Dimorphos mit absoluter Genauigkeit wüssten. Denn kein Triebwerk ist jemals perfekt ausgerichtet, und keine Triebwerksleistung wird jemals perfekt modelliert. Für jedes Manöver benötigt ein Raumfahrzeug Korrekturmanöver, um Abweichungen auszugleichen. Smart Nav erledigt dies autonom. Darüber hinaus muss Dart seine Triebwerke einsetzen, um in die richtige Richtung zu steuern. Alle Abweichungen werden von Smart Nav in den letzten Stunden vor dem Aufprall kontinuierlich korrigiert.

Erst zwei Minuten vor dem Aufprall stoppt Smart Nav die Ausführung von Manövern, und das Raumschiff gleitet in den Asteroiden hinein. „Wir erreichen die erforderliche Auflösung der Einschlagstelle etwa 20 Sekunden vor dem Aufschlag und senden das letzte Bild innerhalb der letzten sieben Sekunden nach dem Aufschlag zur Erde“, sagt Adams. „Und dann - bumm!“ Wenn alles nach Plan verläuft, wird Dart am 30. September 2022 aufhören zu existieren.

Damit die Wissenschaftler auch nach dem Einschlag Daten erhalten, wird sich zehn Tage vorher ein kleiner Würfel namens LiciaCube von Dart trennen. Er wird seine eigenen kleinen Solarpaneele einsetzen und zur Beobachtung zurückbleiben. Er wird vermutlich erspähen, wie das Raumschiff in sehr kleine Stücke zersplittert, von denen einige zu Pulver verwandelt werden. Die meisten seiner Überreste werden bei der Bildung des Kraters als Auswurf wieder ausgestoßen werden. Es ist möglich, dass große Strukturteile überleben, obwohl sie bis zu drei Meter tief in den Asteroiden eingegraben werden. LiciaCube wird die Auswurfwolke beobachten, wenn sie herauskommt, und auch die Rückseite von Dimorphos fotografieren, wenn er vorbeifliegt. Aber LiciaCube wird keine Möglichkeit haben, seinen Flug zu verlangsamen – und an Dimorphos vorbei in die Tiefen des Weltraums rasen.

Bis 2027 hat der Asteroid dann erst einmal seine Ruhe. 2024 will die Europäische Weltraumorganisation ihre Mission namens Hera starten. Die Sonde soll Anfang 2027 Dimorphos erneut besuchen, um ihn genauer zu vermessen, seine Zusammensetzung zu untersuchen und noch genauer zu bestimmen. Hera wird zwei eigene Beobachtungswürfel mit sich führen und das Didymos-Dimorphos-System drei bis sechs Monate lang bereisen. Diese Würfel werden mehr Daten über den historischen Einschlag sammeln, bei dem sich die jahrelange Arbeit von Hunderten von Menschen in einem kleinen Schubs aufgelöst hat – und der eine neue Ära der Raumfahrt einläuten wird.

(bsc [7])


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[3] https://www.heise.de/hintergrund/NASA-Sonde-Dart-Wenn-ein-Asteroid-auf-die-Erde-zurast-Nicht-panisch-werden-6272390.html
[4] https://www.heise.de/news/Dart-Mission-vor-dem-Start-NASA-laesst-Test-Sonde-in-Asteroiden-fliegen-6272198.html
[5] https://www.heise.de/tr/
[6] https://www.heise.de/news/Auf-dem-Weg-zur-Kollision-mit-einem-Asteroiden-Dart-Mission-gestartet-6275259.html
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