Apophis – Problembär oder harmloser Besucher? (Teil 2)

5. Dezember 2007 von Michael Khan in Kleinplaneten

Wie in Apophis I dargelegt: Apophis ist ein erdbahnkreuzender Asteroid, und die können zu Problembären werden, die richtig brummen. Raumfahrtingenieure sehen so etwas als Herausforderung, über Maßnahmen nachzudenken. Erst einmal wollen wir feststellen, woran wir mit Apophis sind und wie teuer er seine Haut verkauft. Dazu mehr hier in Teil 2. Fatalismus liegt Raumfahrtingenieuren ganz fern, deswegen wird im Apophis III auch diskutiert werden, wie man den Bären erlegen könnte, bevor er uns erlegt.

25143/Itokawa von Sonde Hayabusa, Copyright JAXA/ISASZunächst mal eine Warnung an die geneigten Leser. Bei einigen Erläuterungen sind technische Details leider unvermeidlich. Für alle, die auf Zahlen und Diagramme allergisch reagieren, hier das Wesentliche in Kürze: Es gibt drei wichtige Dinge, die man herausfinden muss: 1.) Wie ist genau die Bahn von Apophis? 2.) Wie wird sich die Bahn entwickeln? 3.) Wie ist Apophis aufgebaut? Alle drei Dinge kann man in einem Aufwasch herausfinden, und zwar, indem man eine kleine Raumsonde hinschickt, die ihn eine Zeitlang aus nächster Nähe umkreist und beobachtet. Allerdings sollte man sich ranhalten, denn es gibt nur wenige Zeitfenster, in denen solche Beobachtungen möglich sind.

So, die Zahlenallergiker können jetzt wegklicken oder nach unten zu meinem Kommentar scrollen.

An alle anderen: Schön, dass Sie noch da sind. Schauen wir uns zunächst einmal die Bahn des Asteroiden an (große Versionen der Diagramme durch Draufklicken). Apophis ist (noch) vom Aten-Typ, sein Aphel reicht knapp über die Erdbahn heraus, aber sein Perihel geht fast bis zur Venus herunter. Am 13. April 2029 (übrigens ein Freitag), wird sich das ändern. Interplanetare Raumsonden unternehmen oft Swingbys: Sie führen durch einen nahen Vorbeiflug an einem Planeten ihrer Bahn Energie zu, wie unlängst Rosetta.

Hier klicken: Apophis-Bahn vor und nach April 2029, Quelle ESA/Michael Khan Apophis macht an besagtem Freitag dem dreizehnten genau dasselbe, der Schwung, den er gewinnt, erweitert seine Bahn kräftig und befördert ihn zum Apollo-Typ. Genau hier liegt unser Problem. Stellen wir uns eine riesige Zielscheibe im Raum vor, mit der Erde in der Mitte. Die Zielscheibe ist senkrecht zur Ankunftsrichtung des anfliegenden Apophis ausgerichtet. Die Schwerkraft der Erde lenkt Apophis um - zielt er zu dicht zur Mitte, dann trifft er die Erde. Für jeden anderen Zielpunkt in der Zielscheibe ergibt sich eine andere Bahn. Nun gibt es einen kleinen Bereich in dieser Zielscheibe, etwa 600 Meter groß - zielt Apophis dort hinein, dann wird seine Bahn gerade so verändert, dass er in genau sieben Jahren genau sechs Umkreisungen der Sonne schafft. Man spricht von einer 6:7-Resonanz. Er würde dann also am 29. April 2036 wieder an derselben Stelle sein, und die Erde auch ... da könnte es krachen. Es existiert auch ein solches Schlüsselloch für eine 7:8-Resonanz, bei der würde es genau ein Jahr später rummsen.

Wir müssen also herausfinden: Fliegt Apophis durch eins der Schlüssellöcher?

Dies kann man ohne großen Aufwand mit heutiger Technik herausfinden: Man sollte eine kleine Raumsonde zu Apophis schicken und sie in einer engen Bahn um den Asteroiden platzieren. Dies ist mehr als eine bloße Idee, es wurde bereits detailliert untersucht.

Orbiter trifft am Asteroiden ein, Quelle: ESAIst die Raumsonde in dieser Bahn, die nur einige Hundert Meter Höhe hätte (Apophis hat etwa 300 Meter Durchmesser), dann braucht sie nichts weiter zu tun, als den Asteroiden zu beobachten und über Funk mit der Erde zu "reden". Aus der gemessenen Dopplerverschiebung des Funksignals könnten wir hochgenau die Bahn der Sonde bestimmen und daraus die Bahn von Apophis um die Sonne rückrechnen. Auch lassen sich Modelle der Änderungen der Asteroidenbahn kalibrieren. Hier ist in erster Linie der Yarkovsky-Effekt zu nennen, der stark von Form und Oberflächenbeschaffenheit abhängt. Wenn der Beobachtungszeitraum lang genug ist, lässt sich dazu auch noch die Form und Massenverteilung des Asteroiden bestimmen.

Orbiter setzt Nanoroboter ab, Quelle ESAHinzu kommt, dass die Raumsonde auf einer so nahen Bahn natürlich einen Logenplatz für Beobachtung und Vermessung des Asteroiden hätte. Wir könnten hochgenaue Karten der Oberfläche machen, mit Spektroskopen die chemische Zusammensetzung jedes einzelnen Quadratmeters bestimmen und mit einem langwelligen Radar sogar den inneren Aufbau bestimmen: Ist das Ding wirklich eine fliegende Geröllhalde? Wie instabil ist er? Gibt es Hohlräume und wie kommt man an sie heran? Sollte die Beobachtung aus einigen Hundert Metern Höhe noch zu weit sein, könnte man über Nanoroboter nachdenken, die man auf der Oberfläche absetzt.

Typischerweise wäre ein Orbit um so einen kleinen Asteroiden herum instabil. Die Störungen durch die meist krumme Form des Körpers, durch die in Relation zur Gravitation des Asteroiden erhebliche Anziehungskraft der Sonne und selbst durch den Solardruck, d.h. den durch das Sonnenlicht selbst verursachten Druck, reichen in der Regel aus, um eine Raumsonde abstürzen zu lassen.

Nanoroboter auf Asteroidenoberflaeche, Quelle ESANatürlich könnte man diese Störungen ausgleichen, indem man Triebwerke zündet Aber das würde die Messungen stören, und zum Glück hat man eine Alternative: Es lässt sich durch Computersimulation zeigen, dass "Terminatorbahnen", also solche, bei denen die Bahnebene senkrecht zur Sonnenrichtung steht, nicht nur stabil, sondern selbst-stabilisierend sind! Solardruckkräfte wirken dort so, dass sie die Bahnebene der Raumsonde immer wieder in die stabile Position "zurechtrücken", während der Asteroid seiner Bahn um die Sonne folgt. Die Bahnhöhe der Sonde über dem Mittelpunkt des Kometen bleibt damit annähernd konstant.

Dies ist eine sehr wichtige Entdeckung, sie bedeutet, dass die Raumsonde praktisch unbegrenzt in ihrer Bahn "geparkt" werden kann. Sie ist immer über der Tag-Nacht-Grenze, die Astronomen als "Terminator" bezeichnen (der Namen kommt nicht daher, dass wir den Asteroiden erledigen wollen). Daher ist sie nie im Schatten des Asteroiden, wird nie zu warm und nie zu kalt, hat praktisch konstant Funkkontakt mit der Erde und ist auch sonst extrem pflegeleicht. Alles in allem eine extrem simple Mission, die Langzeitbeobachtung über Jahre zulassen könnte.

Manchmal wird in der Literatur von Funkbaken gesprochen, die auf der Oberfläche stehen. Diese Idee halte ich für wenig sinnvoll. Man hat kaum einen Vorteil gegenüber dem Satelliten, gleichzeitig aber enorme technische Probleme. Die Tagseite wird sehr heiß, die Nachtseite sehr kalt, die Temperaturunterschiede könnten 300 K erreichen. Das müsste eine Landesonde verkraften. Der Funkkontakt zur Erde wäre nur 50% der Zeit gegeben, wenn man Pech hat und der Blick zur Erde von Kratern oder Felsen auf der Oberfläche verdeckt wird, sogar noch weniger. Wozu sich solchen Ärger aufhalsen?

Hier klicken: Abstaende Apophis zu Erde und Sonne als Funktion der Zeit, Quelle: ESA/Michael KhanAlso zurück zum Orbiter. Wann sollte man loslegen? Apophis kommt uns 2012/13 sehr nahe, dann wieder 2021/22. Wesentlich ist aber, dass er den Rest der Zeit fast durchgehend sehr weit weg ist, und - was schwerer wiegt - von uns aus gesehen hinter der Sonne. Die Funksignale von der Raumsonde würden also durch die Sonne gestört, und wir hätten erhebliche Ungenauigkeiten in der Bahnbestimmung; über weite Zeiträume wäre sie gar komplett unmöglich. Schauen wir uns den Winkel zwischen Sonne, Erde und Asteroiden an, der ist praktisch von 2015-2019 so klein, dass man den Zeitraum in punkto Beobachtungschancen abhaken kann.

Hier klicken: Winkel Sonne-Apophis-Erde und Sonne-Erde-Apophis, Quelle ESA/Michael KhanAlso sollten wir zusehen, dass die Raumsonde schon 2012 da ist. Da die Mission technisch gesehen nichts Besonderes ist, würde es ausreichen, einen kleinen Satelliten aus vorhandenen Bauteilen zusammenzusetzen, ohne große Neuentwicklungen. Das geht schnell und die Kosten bleiben überschaubar. Das Missionskonzept steht, man sollte allerdings bald loslegen.

Angenommen, wir kommen 2012 an. Nach einigen Monaten, spätestens einem Jahr, haben wir die Ungenauigkeiten in unserer Kenntnis der Bahn von Apophis und ihrer Änderungen bis 2029 um Größenordnungen verbessert - viel genauer, als Beobachtungen mit optischen und Radio-Teleskopen je sein können. Wir würden dann wissen, ob Apophis 2029 den "Schlüssellöchern" nahe kommt oder nicht.

Falls nein, können wir uns alle zurücklehnen und auf das Erreichen des Rentenalters konzentrieren, und vor allem den Apophis-Vorbeiflug im Jahre 2029 genießen. Und falls ja, können (und sollten) wir uns überlegen, was zu tun ist, damit es 2036 oder 2037 nicht dazu kommt, dass uns die größte Katastrophe der Menschheitsgeschichte ereilt.

Mehr dazu in Teil 3 - auch hier bin ich nicht unbedingt überzeugt von diversen Vorschlägen, über die man so liest.

Meine Meinung: Es gibt keinen Grund, nicht sofort mit der intensiven Planung für eine Mission zu beginnen, die Apophis lange Zeit aus sehr geringer Entfernung beobachtet. Wenn man unnötige Komplikationen vermeidet, ist eine solche Mission eminent machbar, risikoarm und erfolgversprechend. Wenn wir feststellen, dass wir etwas gegen Apophis unternehmen müssen, sind die gewonnenen Informationen ein wesentlicher Faktor zum Erfolg.

Und selbst wenn wir feststellen, dass Apophis jetzt noch keine direkte Gefahr darstellt: Wir werden auf jeden Fall sehr viel über Asteroiden lernen. Dieses Wissen könnten wir eines Tages dringend brauchen, denn Apophis ist nicht allein, es wurden bis dato  911 potenziell gefährlich Asteroiden entdeckt (Stand 8.12.2007). Das alles zum Preis eines eines einzigen, einigermaßen ausgestatteten Düsenjägers oder etwa zwei Stunden Irakkriegs. Ich kenne Ihre Prioritäten nicht - was ich vorziehen würde, weiß ich.

Weitere Informationen:
Mögliche Apophis-Beobachtungsmission
Andere mögliche Aophis-Beobachtungsmission
ESA-NEO-Webseite


2 Kommentare zu “Apophis – Problembär oder harmloser Besucher? (Teil 2)”

  1. Uwe Reichert Antworten | Permalink

    Hm, ist das nun beruhigend oder nicht, wenn das "Schlüsselloch", das Apophis bei seinem Vorbeiflug 2029 durchqueren müsste, um wenige Jahre später die Erde zu treffen, nur 600 Meter groß ist? Wie groß ist denn die gesamte Zielscheibe, in der sich das Schlüsselloch befindet? Oder (um mir die Rechnerei zu ersparen): Können Sie direkt die Wahrscheinlichkeit angeben, mit der Apophis das Schlüsselloch treffen wird?

  2. Tobias Dachs Antworten | Permalink

    Eine aktuelle Studie [http://neo.jpl.nasa.gov/apophis/] gibt die Einschlagswahrscheinlichkeit für das Jahr 2036 mit 0.00224% an. Zum Vergleich: Das ist immerhin 3000-mal wahrscheinlicher, als den Lotto-Jackpot zu knacken!

    Andererseits muß man solche Angaben mit vorsichtig genießen, denn die Vorhersage der Bahn ist ein extrem kompliziertes Unterfangen. Daß es überhaupt gelingen mag, grenzt schon fast an ein Wunder, wenn man die Schwierigkeiten bei den Berechnungen bedenkt, die in der erwähnten Studie alle im Detail beschrieben sind.

    Die Autoren selbst geben an, daß ihre Prognose für die Position des Asteroiden auf der Zielscheibe im Jahr 2029 an einem Ort liegt, den frühere Beobachtungen mit 99.99995 prozentiger Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen haben!

    Der Jackpot wurde inzwischen genackt, aber was Apophis angeht, bleibt es spannend.

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