Apophis – Problembär oder harmloser Besucher? (Teil 3)

9. Dezember 2007 von Michael Khan in Kleinplaneten

In Apophis I ging es um Asteroiden im Allgemeinen, in Apophis II um eine mögliche Raumsondenmission, mit der Apophis aus nächster Nähe beobachtet und seine Bahn genau vermessen werden kann. Es ist sehr wahrscheinlich, das dadurch das Restrisiko des Durchflugs des "Schlüssellochs" eliminiert wird. Aber was, wenn nicht? Dann wäre eine Abwehrmaßnahme fällig.

Zunächst einmal: Einigermaßen realistisch ist einzig die Abwehr eines kleinen erdbahnkreuzenden Asteroiden viele Jahre vor dem vorausberechneten Einschlagsdatum. Für Szenarien, mit denen ein Riesenbrummer kurz vor dem Einschlag zerlegt und somit unschädlich gemacht wird, bleibt bis auf Weiteres nur Hollywood zuständig, die Raumfahrtagenturen müssen da passen.

Hier klicken: Unsicherheitsellipsoid und B-Ebene, Skizze Michael Khan Wie könnte nun eine wirkliche Abwehrmaßnahme aussehen, an der kein Bruce Willis beteiligt ist? Wie beschrieben, geht ihr eine Langzeitbeobachtung voraus, denn man will die Bahn des Asteroiden exakt kennen und auch genau verstehen, welchen Störungen sie unterliegt. Die Abbildung soll die Situation qualitativ illustrieren (Sie hat meine Zeichenkünste bis an ihre Grenzen beansprucht, besser geht's leider nicht).

Zu Beginn hat man eine Kenntnis der Bahn mit einer gewissen Unsicherheit - man kann also davon ausgehen, dass sich der Asteroid zum Zeitpunkt T0 mit 99%iger Wahrscheinlichkeit innerhalb eines definierten Ellipsoids aufhält. Je besser die Bahnbestimmung, desto kleiner das (oder der?) Ellipsoid, eine Restunsicherheit bleibt.

Will man die Position des Asteroiden zu einem anderen Zeitpunkt berechnen, pflanzt sich diese Restunsicherheit fort, insbesondere die der Geschwindigkeit. Verstärkt wird der Effekt durch unvermeidliche Fehler im Modell, das die Bahnstörungen beschreibt. Je weiter man die Bahn in die Zukunft projiziert, desto größer die Dimensionen des Ellipsoids.

Zum (auch mit einer Unsicherheit behafteten) Zeitpunkt der größten Annäherung an die Erde kann man die Schnittmenge zwischen Ellipsoid und der erwähnten imaginären "Zielscheibe" bilden, die die Erde mit sich herumträgt. Da addiert sich zur Unsicherheit in der Asteroidenposition auch die (allerdings wesentlich kleinere) Unsicherheit in der Kenntnis der Erdbahn.

Notabene: Es ist keineswegs so, dass die Bahnen chaotisch, also nicht vorhersagbar sind. Wir können diese Positionen nur deswegen nicht exakt vorhersagen, da jegliche Messung selbst mit Unsicherheiten behaftet ist. Aber wir können mit vertretbarem Aufwand die Ellipsoiden um Größenordnungen reduzieren. Allerdings: Selbst wenn die Unsicherheitsellipse auf der Zielscheibe auch die Schlüssellochregion umfassen sollte, ist es immer noch hochgradig nichttrivial, die Wahrscheinlichkeit des Schlüssellochs zu berechnen ... die Unsicherheiten sind nämlich keineswegs normalverteilt.

Was tun? Abwehrmaßnahmen bei Asteroiden laufen darauf hinaus, dessen Bahnperiode ein kleines bisschen zu verändern. Wozu? Die Erde bewegt sich auf ihrer Bahn mit 30 km/s. Wenn man die Umlaufperiode beispielsweise eine Sekunde verändert, und der Asteroid macht zwischen Abwehrmaßnahme und Begegnung mit der Erde noch 10 Umläufe um die Sonne, dann kommt er 10 Sekunden früher oder später zu seinem Rendezvous mit der Erde als wenn keine Abwehrmaßnahme stattgefunden hätte. In dieser Zeit ist die Position der Erde, und mit ihr die imaginäre Zielscheibe, die sie mit sich herumschleppt, aber um 300 km verändert.

Nicht gerade viel, sicher nicht genug, um einem Einschlag auszuweichen und auch nicht, um das Durchfliegen des Schlüssellochs auszuschließen, aber es dient ja nur der groben Abschätzung und sollte auch lediglich das Prinzip illustrieren. Man verändert ein ganz klein wenig die Bahnperiode des Asteroiden, und die lange Wartezeit sowie die Bahngeschwindigkeit der Erde tun den Rest. Eben weil die erzielten Änderungen so klein sind, ist die genaue Vermessung so wichtig - sonst macht man am Ende alles schlimmer statt besser.

Bis hierher sind noch alle einer Meinung.

Uneinigkeit gibt es allerdings in der Wahl der Methode, mit der man die Bahnperiode ändern kann. Die Bahnperiode hängt einzig und allein von der großen Halbachse der Bahn ab, vereinfacht gesagt, dem mittleren Abstand zwischen Asteroid und Sonne. Diese wird durch einen tangentialen Impuls verändert. Erfolgt der Impuls entlang der augenblicklichen Geschwindigkeit, erhöhen sich große Halbachse und Bahnperiode, schubst man entgegen der Geschwindigkeit, verringern sich beide Parameter.

Man muss also einen Impuls übertragen. Ein Weg dazu besteht darin, den Asteroiden durch eine zielgenau navigierte Raumsonde mit hoher Geschwindigkeit rammen zu lassen. Regelungstechnisch ist das nicht ganz einfach, aber durchaus machbar. Das Auffahren mit hoher Geschwindigkeit erfordert nicht gar so viel Intelligenz - das wird Ihnen jeder Autobahnpolizist bestätigen. Ein Hochgeschwindigkeitsimpakt wurde bereits durch die NASA-Mission Deep Impact erfolgreich demonstriert, allerdings an einem relativ großen Kometen  bei einem kleineren Asteroiden ist die Anforderung an die Zielgenauigkeit größer.

Die Raumsonde wird beim Aufprall natürlich zerstört, aber ihr Impuls wird übertragen, er ist das Produkt aus ihrer Masse und der Relativgeschwindigkeit. Übertragen wird allerdings dieser Impuls multipliziert mit einem Faktor, nennen wir ihn "k".

Impaktsonde im Endanflug, Quelle: ESAIst k=1, wird der Impuls komplett übertragen. Das muss aber nicht unbedingt geschehen. Ist der Asteroid bröckelig und von Hohlräumen durchsetzt, wird durch den Einschlag womöglich nur das Gestein in seinem Inneren umgeschichtet, dort könnte k also kleiner als 1 sein.

Umgekehrt: Reißt der Einschlag einen tiefen Krater, aus dem viel Material entgegen der Anflugrichtung ausgestoßen wird, könnte sich eine wesentlich höhere Impulsübertragung ergeben, k wäre dann 2, 3 oder mehr. Natürlich nur, wenn die Trümmer nicht wieder zurückregnen, wovon aber angesichts typischer Fluchtgeschwindigkeiten von 10 cm/s auszugehen ist.

Idealerweise sprengt man durch den Impakt ein beträchtliches Stück des Asteroiden heraus, wenn er ohnehin schon instabil war, was man natürlich auch durch die vorherige Beobachtung ermitteln kann. Der Impulserhaltungssatz erfreut sich ungebrochener Beliebtheit, wenn also ein großes Bruchstück zu einen Richtung davonstrebt, muss der Rest des Asteroiden einen entsprechenden Impuls in die Gegenrichtung erfahren. Ablenkungstechnisch wäre dies wohl der Idealfall.

Hierauf setzen diejenigen, die anstatt eines Hochgeschwindigkeitsimpakt die Zündung eines nuklearen Sprengsatzes in nächster Nähe vorschlagen. Diese Sprengung muss allerdings hochgenau platziert werden, denn sonst verpufft sie wirkungslos. Am Besten, man hat schon eine sehr geringe Relativgeschwindigkeut oder kann die Bombe auf, idealerweise unter der Oberfläche positionieren. Das erfordert viel technischen Aufwand. Auch hier ist eine genaue Kenntnis der Oberfläche und des Inneren ein entscheidender Vorteil.

Darstellung des Gravitationstraktor-Konzepts, David Durda, B612-Foundation Die nächste Schwierigkeitsstufe wäre mit dem vom NASA-Astronauten Ed Lu vergeschlagenen Gravitationstraktor erreicht. Dieser bestünde  darin, ein möglichst schweres Raumschiff konstant in einer möglichst geringen Entfernung vor oder hinter dem Asteroiden fliegen zu lassen. Dabei muss durch konstanten Schwachschub verhindert werden, dass die gegenseitige Anziehung dazu führt, dass das Raumschiff aufsetzt. Natürlich muss man dazu erst einmal ein genügend großes Raumschiff haben.

Eine Variante hiervon ist, dass das Raumschiff den Asteroiden mit einem starken Laser beschießt. Das verdampfende Material verleiht einen zusätzlichen Impuls. Man braucht also auch hier ein dickes Raumschiff mit ordentlicher Energieversorgung und einem Star-Wars-Laser. Andersherum könnte ein richtig großes Raumschiff mit einem großen Tank auf der Oberfläche landen und mit seinem Triebwerk die Bahn des Asteroiden beeinflussen - zu den offensichtlichen Schwierigkeiten gesellt sich der möglicherweise instabile  Untergrund und die Rotation des Asteroiden.

Eine ganz andere Idee geht dahin, die Albedo, also das Lichtreflexionsvermögen des Asteroiden zu verändern. Asteroiden sind in der Regel sehr dunkel, sie werden auf der Sonnenseite sehr heiß und der Yarkovsky-Effekt ist erheblich. Gelänge es, den Asteroiden  komplett in eine dünne, metallisierte Folie zu wickeln, beeinflusst man diese Störkomponente erheblich. Bei einem Asteroiden wie Apophis wären dazu nur 0.3 Quadratkilometer Folie erforderlich, da wäre die Masse nicht das Problem, wenn man das Problem des Einwickelns lösen kann. Danach erledigt die Natur den Rest. Eine im Prinzip elegante Lösung, allerdings muss man die Dynamik sehr gut verstanden und viel Zeit zur Verfügung haben.

Welche Lösung ist die beste im Fall Apophis? Das kommt auf den Zeitpunkt der Intervention an. Angenommen, wir stellen fest, dass Apophis am 13. April 2029 tatsächlich durch das "Schlüsselloch" fliegt und daher eine gesteigerte Wahrscheinlichkeit besteht, dass er uns genau 7 Jahre später erwischt. Wenn wir lange vor 2029 handeln, dann geht es nur darum, die Bahnperiode so zu verändern, dass die etwa 600 Meter große Schlüssellochzone aus der Unsicherheitsellipse rutscht.

Impaktsonde kurz vor dem Einschlag, Quelle: ESA Wenn die Abwehrmaßnahme 2021/22 stattfindet, rund 9 Apophis-Umläufe vor dem nahen Vorbeiflug 2029, und wir wollen die Unsicherheitsellipse in der "Zielscheibe" um 10 km verschieben - was angesichts der bis dahin sicher exakten Bahnbestimmung ausreichen sollte - dann müssen wir dazu die Bahnperiode um knapp 0.04 Sekunden ändern. Das entspricht einer Änderung der großen Halbachse um gut 100 Meter und einer Geschwindigkeitsänderung um bloße 0.01 mm/s. Wenn Apophis rund 40 Milliarden kg wiegt, dann entspricht diese Geschwindigkeitsänderung einem verabreichten Impuls von 400000 kg*m/s ... alles überschaubare Größenordnungen.

Wenn wir als Abwehrmethode den Hochgeschwindigkeitsimpakt wählen, dann wäre es kein großes Problem, diese Impulsänderung zu erzielen - wenn man die Impaktsonde mit 10 km/s hineinrauschen lässt, reichen schon 40 kg Masse für den gewünschten Effekt. Natürlich wird man eine größere Sonde nehmen und damit eine stärkere Ablenkung erzielen, aber das ist nebensächlich: Wesentlich ist: Es wäre machbar, auch mit heutiger Technologie.

Einschlag der Impaktsonde, Quelle: ESA Falls wir aber den richtigen Zeitpunkt verpennen, Apophis fliegt durch das Schlüsselloch und wir wachen erst dann auf und machen uns an die Abwehr, dann hat sich das Problem für uns erheblich vervielfacht: Anstatt nur der weniger als 1 km großen Schlüssellochzone auszuweichen, müssten wir in diesem Fall, um einen Einschlag im Jahre 2036 zu verhindern, den Asteroiden vielleicht um mehr als 10000 km ablenken. Diese Zahl erstaunt auf den ersten Blick, sie ist aber richtig: die schlimmstenfalls erforderliche Ablenkung ist deutlich mehr als der Erdradius, da man berücksichtigen muss, dass die Erdanziehung die Asteroidenban zur Erde hinbiegt. Ohne an dieser Stelle jetzt groß herumzurechnen - man sieht, dass sich das Problem eben mal so um vier Größenordnungen vergrößert hätte.

Mit dem Hochgeschwindigkeitsimpaktor wäre so nichts mehr zu machen und mit allen anderen Methoden wahrscheinlich auch nicht, die verbleibende Zeit wäre zu kurz. Dann brauchen wir doch den Bruce.

Meine Meinung: Wie man es auch dreht und wendet, es könnte uns teuer zu stehen kommen, wenn wir zu lange untätig bleiben, und der entstandene Schaden wäre im Eintrittsfall nicht hinnehmbar. Die Menschheit sollte Apophis und seine mittlerweile über 900 Compadres sehr genau im Auge behalten. Ich denke, eine Orbitermission wäre fällig, ihr Ziel sollte lauten: 99942/Apophis, und wir sollten das Projekt bald angehen, damit sie 2012 am Ziel ist.

Weitere Informationen:

Projekt Don Quijote der ESA

B612-Foundation


3 Kommentare zu “Apophis – Problembär oder harmloser Besucher? (Teil 3)”

  1. Gunnar Glitscher Antworten | Permalink

    Apophis und andere Problembären

    Dass die Erde, wie schon so oft in der Vergangenheit, sofern wir nichts dagegen unternehmen, wieder einmal von einem größeren Asteroiden getroffen wird, ist so sicher wie das Amen in der Kirche. Vor ca. 15 Millionen Jahren entstand bei solch einem Einschlag das Nördlinger Ries, vor nur einigen zehntausend Jahren der gleichfalls bekannte 'Meteor Crater' in Arizona, und noch keine 100 Jahre ist das Tunguska-Ereignis her, das in einer belebten Gegend eine Katastrophe von historischen Ausmaßen bedeutet hätte.

    Jeder kann sich im Fernglas die Folgen der zahlreichen Impakt-Ereignisse anschauen, die in der Frühzeit des Sonnensystems die Oberfläche des Mondes (und aller anderen 'festen' Himmelskörper) umpflügten.

    Die heutige Populationsdichte möglicher Impaktkandidaten ist zwar viel geringer als damals, aber ähnlich 'sichere Verhältnisse' herrschten auch schon vor 65 Millionen Jahren, und wie wir wissen, traf die langlebige Spezies der Dinosaurier dann doch eines Tages der kosmische Hammer.

    Grund zur Entwarnung besteht also keineswegs. Im Gegenteil: Der Fortbestand der Menschheit hängt auch davon ab, wie gut wir es verstehen, uns gegen energiereiche Geschosse aus dem All zu schützen.

    Apophis ist nicht der einzige Problembär, viele harren noch ihrer Entdeckung. Zu denen, die bereits im Visier der Jäger stehen, gehört 1950 DA, ein Asteroid der Kilometerklasse, der der Erde im Jahr 2880 einen unerfreulich nahen Besuch abstatten wird.

    Die Folgen eines Einschlags von 1950 DA in den Atlantik wurden bereits simuliert:

    Ward_Asphaug_fig2.jpg

    Die Höhe der Wellenberge des ausgelösten Tsunamis geben eine Vorstellung von den Konsequenzen.

    Mehr zu 1950 DA:

    Asteroid 1950 DA


    Wikipedia: 1950_DA

    Fazit:
    Die Erfassung möglichst aller Asteroiden und Kometen mit Kollisionspotenzial und die Entwicklung und Bereitstellung von Technologien zum Ablenken gefährlicher Himmelskörper ist nicht nur wünschenswert, sondern dringend geboten - eine verantwortbare alternative Option gibt es nicht.

  2. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Nicht erwähnt wurden Solarspiegel zur Asteroidenablenkung. Das wäre realistischer als der erwähnte Laser, denn die Spiegel würden die Sonne als Energiequelle nutzen und könnten zudem jahrelang auf den Asteroiden einstrahlen. Spiegel seien sogar die beste Methode zur Asteroidenableknung findet der New-Scientist-Artikel Are mirrors the best way to deflect asteroids? Wenn ein Punkt auf dem Asteroiden auf 2100 C° erwärmt wird - eine Temperatur, die ein paar fokussierende Spiegel durchaus erzielen können - übt das verdampfende Material einen Schub auf den Asteroiden aus. 10 20-Meter-Spiegel würden genügen um einen 150 m-Asteroiden in 6 Monaten abzulenken. Damit könnten auch lockere Asteroiden abgelenkt werden, während beim Beschuss mit einem Projektil der Asteroid unkontrolliert soauseinanderbersten kann, dass Trümmer weiterhin die Erde rammen.
    Aktuell wird diese Idee gerade jetzt durch Entwicklungen wie Spiderfab, einen 3D-Drucker und Assembler für den Weltraum. Damit könnten sehr grazile, materialoptimierte Strukturen wie Spiegel erst an Ort und Stelle aus einem kompakten Ausgangsstoff fabriziert werden.

    • Michael Khan Antworten | Permalink

      Es stimmt - konzentrierende Spiegel wären wahrscheinlich einfacher zu realisieren als Laser,m zumal, wenn man sich den dahinter stehenden apparativen Aufwand anschaut. Laser müssen ja auch irgendwie mit Strom versorgt werden, und zwar mit ordentlich viel davon.

      Ich würde allerdings sagen, dass das den ganzen Ansatz - Ablenkung durch teilweise langsame Verdampfung von Oberflächenmaterial - infrage stellt. Wenn man so viel Hardware zum Asteroiden schaffen kann wie für die Laserei oder Spiegelei erforderlich, und wenn man dann noch berücksichtigt, dass die allermeisten der erdbahnkreuzenden Asteroiden wenige hundert Meter bis zu wenige Kilometer groß sind - von den kleinen gibt es viel mehr als von den großen - dann ist man doch irgendwann an dim Punkt, wo es deutlich einfacher ist, einen elektromagnetischen Katapult auf dem Asteroiden zu verankern und zusätzich noch eine Sammeleinheit (einen kleinen Raumschlepper mit Greifarmen und mechanischen Hämmern) und den Asterodien Stück für Stück auseinander zu nehmen und die Bruchstücke mit ausreichender Geschwindigkeit wegzuschießen. Eine ausreichende Geschwindigkeit liegt im Bereich von einigen m/s.

      Nehmen wir einen Stein von 10 Metern Durchmesser. Der hat eine Masse von rund 1800 Tonnen. Wenn man den mit 2 m/s wegschubsen will, was deutlich über der Fluchtgeschwindigkeit bei einem kleinen Asteroiden liegen sollte, dann muss man eine Energie von 1.8E6 / 2 * 2^2 J aufbringen, also knapp 4 MJ. Wenn mein Katapult Solargeneratoren einer Effizienz von 10% hat und die Energie in Batterien mit einer Effizienz von 20% gespeichert wird und das Ganze in etwa 1 AE Sonennabstand geschieht, und wenn die Solargeneratoren 40 qm Fläche haben, also eine elektrische Nennleistung von 5.6 kW, dann ist elektrische Energiemenge pro Stunde 20 MJ. Wenn ich davon ausgehe, dass ich aus den Batterien 20% davon wieder herausbekomme, dann sind das 4 MJ, genau, was ich brauche. Für die Katapultanlage sehe ich also schon mal kein Problem, selbst wenn man natürlich mehr Leistung vorsehen muss, um interne Verluste auszugleichen.

      Den Schlepper, der die Brocken aufsammeln muss, muss man sich etwas genauer anschauen. Aber gibt es da einen Show-Stopper? Dessen Fortbewegung sollte per elektzromotoren entlang von Standseilen funktionieren, also keines Treibstoffs bedürfen. Wir reden hier, obwohl große Massen bewegt udn deswegen auch große Energiemengen umgesetzt werden, an keiner Stelle von großen Kräften.

      Die Option, zu landen und einen Sprengsatz in der Mitte des Objekts zu platzieren, wobei die "Mitte" bei einem 200 Meter großen Asteroiden auch nur 100 Meter unter der Oberfläche ist, sollte dann auch noch einfacher sein als das endlos lange Herumgehampel mit Spiegel und Lasern.

      Ein gefährlicher Asteroid ist und bleibt ein gefährlicher Asteroid. Wenn man ihn ein Mal abgelenkt hat, bleibt er nach wie vor gefährlich. Die beste Lösung ist seine Zerlegung in handliche Bruchstücke. Entweder kontrolliert und langwierig per Katapult. Oder unkontrolliert und schnell per Sprengsatz. Wenn man das 10 Jahre macht, bevor die Kollision ansteht, werden die Trümmer so weit auseinandergestrebt sein, dass keine Gefahr mehr für für die Erde besteht. 10-20 Meter große Brocken treten rund ein Mal pro Jahr in die Atmosphäre ein. Das Risiko ist hinnehmbar. Einen 200 Meter großen Asteroiden in mindestens 1000 Bruchstücke von jeweils weniger als 20 Metern Durchmesser zu zerlegen halte ich jetzt nicht für eine unlösbare Aufgabe. Sicher eine Herausforderung, wenn man bestehende Technik zugrunde legt. Aber kein prinzipiell unlösbares Problem.

      Wenn man die Wahl hat, ein Problem irgendwie halb zu lösen, oder aber, es gleich richtig zu machen, dann sollte man es gleich richtig machen. Meine Meinung.

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