Am 26. September 2022 schrieb der Double-Asteroid Redirect Test (DART) der NASA Geschichte, als er sich mit dem Asteroiden Didymos traf und auf seinen kleinen Mond Dimorphos aufprallte. Der Zweck bestand darin, die kinetische Aufprallmethode zu testen, ein Mittel zur Verteidigung gegen potenziell gefährliche Asteroiden (PHAs), bei denen ein Raumschiff mit ihnen kollidiert, um ihre Flugbahn zu ändern. Basierend auf Folgebeobachtungen war der Test erfolgreich, da es DART gelang, die Umlaufbahn von Dimorphos um 22 Minuten zu verkürzen. Der Aufprall führte auch dazu, dass dem Kleinmond ein sichtbarer Schweif wuchs.
Hollywood erinnert uns jedoch gerne daran, dass es Szenarien gibt, in denen ein planetenzerstörender Asteroid der Erde sehr nahe kommt, bevor wir irgendetwas tun können, um ihn aufzuhalten. Und es gibt keinen Mangel an erdnahen Asteroiden (NEAs), die eines Tages zu einer potenziellen Bedrohung werden könnten. Daher machen es sich Weltraumagenturen weltweit zur Gewohnheit, sie und ihre Nähe zur Erde zu überwachen. Laut einer neuen Studie einer Gruppe von Satellitenexperten wäre es möglich, eine schnell reagierende kinetische Impaktormission zu bauen, die ein PHA treffen und ablenken könnte, kurz bevor es mit der Erde kollidiert.
Die kürzlich erschienene Studie in Acta Astronautica, wurde von Adalberto Domínguez, Víctor M. Moreno und Francisco Cabral durchgeführt – drei Forschern, die mit dem spanischen Satellitenentwickler GMV verbunden sind. Dieses Unternehmen ist auf Guidance, Navigation and Control (GNC) und Attitude Orbit Control Systems (AOCS) mit kommerziellen, militärischen, Forschungs- und Weltraumforschungsanwendungen spezialisiert. Im Interesse ihres Papiers präsentierte das Forschungsteam die jüngste Arbeit von GMV an einem GNC-System für eine kinetische Aufprallmission.
In den letzten Jahren haben Weltraumbehörden mehrere Strategien zur Ablenkung von Asteroiden untersucht, die eine Kollisionsgefahr mit der Erde darstellen. Wie Domínguez Universe Today per E-Mail erklärte, gelten drei als die vielversprechendsten – nuklearer Abstand, Schwerkrafttraktor und der kinetische Impaktor. Während die nukleare Option darin besteht, eine Nuklearvorrichtung in der Nähe eines Asteroiden zur Detonation zu bringen, beinhaltet der Schwerkrafttraktor ein Schiff, das um einen Asteroiden herumfliegt, um von seinem Kurs abzuweichen. Nur der kinetische Impaktor, sagte Dominguez, ist zum Ablenken von PHAs geeignet:
„Die Anwendbarkeit des nuklearen Abstands muss noch demonstriert werden, und ihr Ziel wären Asteroiden mit einem Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Kilometern. Diese Asteroiden sind heutzutage keine Bedrohung, da die große Mehrheit überwacht wird. Außerdem der Weltraumvertrag von 1967 verbot nukleare Detonationen im Weltraum. Der Schwerkrafttraktor zielt auf interessantere Asteroiden in der Größenordnung von Hunderten von Metern. Es gibt einen großen Prozentsatz von Asteroiden dieser Größe zu entdecken, und der Einschlag könnte die Zerstörung einer ganzen Stadt bedeuten. Trotzdem würde der Schwerkrafttraktor mehrere Jahre brauchen, um diesen Asteroiden abzulenken.“
Für ihre Studie konzentrierten sich Dominguez und seine Kollegen auf die Entwicklung eines GNC-Systems für einen kinetischen Impaktor. Dies ist für jede Robotermission von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn Autonomie erforderlich ist. Einer der innovativsten Aspekte der DART-Mission war das getestete autonome Leitsystem, bekannt als Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation (SMART Nav). Dieses System leitete DART während seiner endgültigen Annäherung an Dimorphos, da die Fluglotsen zu diesem Zeitpunkt keine Kurskorrekturen vornehmen konnten.
Künstlerische Darstellung der DART-Mission, die den Kleinmond Dimorphos beeinflusst. Bildnachweis: ESA
Eine KI-Mission, die einen Asteroiden in letzter Minute ablenken soll, erfordert ebenfalls Autonomie, hauptsächlich wegen der Geschwindigkeit, mit der sie sich fortbewegen wird. Bis zum Aufprall auf den Asteroiden benötigt das Raumschiff eine Relativgeschwindigkeit zwischen 3 und 10 km/s – 10.800 km/h und 36.000 (6.710 und 22.370 mph).
Sagte Dominguez: „Eine weitere zusätzliche Schwierigkeit besteht darin, dass wir kaum etwas über den Asteroiden wissen, auf den wir zielen. Dies erfordert, dass der GNC an jede Möglichkeit angepasst werden muss. Außerdem führt die Größe der implizierten Asteroiden zu Schwierigkeiten bei der Navigation, da wir über Objekte sprechen mit einer Größe von etwa hundert Metern. Stellen Sie sich die Schwierigkeiten vor, die mit dem Problem verbunden sind, ein Objekt mit unbekannter Dynamik und Form mit einer Geschwindigkeit von km/s und ohne die Möglichkeit, vom Boden aus Korrekturen vorzunehmen, zu treffen.“
Dies, sagt Dominguez, macht den GNC zum wichtigsten kritischen Subsystemelement, da er für die Ausrichtung auf den Asteroiden und die Anwendung von Kurskorrekturen in letzter Sekunde verantwortlich ist. Diese Korrekturen haben die zusätzliche Schwierigkeit, vor Ort berechnet und ausgeführt zu werden – dh während sich die Mission schnell entfaltet. Um sicherzustellen, dass ihr GNC-Design solche Berechnungen ausführen kann, untersuchte das Team Algorithmen, die üblicherweise von Raumfahrzeugen (Navigation, Bildverarbeitung usw.) in ihrer Analyse verwendet werden, und testete ihre Leistung. Ersteres, sagte Dominguez, gibt es in zwei Varianten:
„Führungsalgorithmen können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: proportionale Navigation und prädiktives Feedback. Proportionale Navigationsalgorithmen verwenden die Kenntnis der aktuellen Position des Ziels und des Schlagkörpers, um das Manöver zu berechnen, das zum Erreichen des Aufpralls erforderlich ist. Die proportionale Navigation entspricht der verwendeten Führung durch eine Rakete, werden jede Sekunde Korrekturen (kontinuierliche Manöver) angewendet, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu korrigieren.“
In der Zwischenzeit stützt sich die prädiktive Feedback-Führung auf vergangene und gegenwärtige Informationen, um den zukünftigen Zustand des Raumfahrzeugs und des Impaktors vorherzusagen. In diesem Fall werden Korrekturen nur zu bestimmten Zeitpunkten der Mission angewendet, beispielsweise wenn das Raumfahrzeug nur noch eine Stunde von der Durchführung des Aufprallmanövers entfernt ist. Letztendlich identifizierten sie zwei Hauptprobleme mit proportionalen Algorithmen, die sie dazu veranlassten, prädiktive Algorithmen in ihr Konzept aufzunehmen.
„Um direkt angewendet zu werden, sind erstens drosselbare Triebwerke erforderlich“, sagte Dominguez. „Zweitens braucht es ein System, das ständiges Manövrieren zulässt. Diese beiden Tatsachen implizieren im Allgemeinen eine Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs und der Leistung. Mit dem Einsatz eines vorausschauenden Führungsschemas kann die Belastung des Systems spürbar reduziert werden Der Stand der Technik verwendet nur eine proportionale Navigation. DART hat diese Art von Navigationsschema verwendet. Wir wollten zeigen, dass auch andere Ansätze großartige Ergebnisse liefern können und eingesetzt werden könnten.“
Nachdem das Team simuliert hatte, wie sich diese Faktoren auf eine KI-Mission auswirken würden, stellte es fest, dass ihr Raumschiff mit einem Aufprallfehler von nur 40 Metern (131 Fuß) sehr genau war. Laut Asteroidenmonitoren gilt ein Objekt mit einem Durchmesser von 35 Metern oder mehr als potenzielle Bedrohung für eine Stadt. Inzwischen messen die größten PHAs, die regelmäßig von der NASA, der ESA und anderen Erdverteidigungsorganisationen verfolgt werden, zwischen 2 und 7 km (1,25 und 4,35 Meilen). Allein beim Leitsystem erreichten ihre Simulationen einen Fehler von weniger als einem Meter.
„Für den Entwicklungsstand unseres GNC-Konzepts ist das ein tolles Ergebnis, da wir größere Fehler in Betracht ziehen, als sie in einem echten kinetischen Impaktor vorhanden wären, und die Navigation durch eine Verbesserung der Bildverarbeitung und der Filterung spürbar optimiert werden konnte um die Erfolgsaussichten zu erhöhen“, schließt Dominguez. „Das von uns vorgeschlagene Schema öffnet die Tür für die Entwicklung einer kinetischen Impaktor-Mission.“
In Zukunft hoffen er und seine Kollegen, die Variablen ihres kinetischen Impaktors zu optimieren und seine Leistung und Anwendbarkeit mit anderen Konzepten zu vergleichen. Letztendlich geht es um Vorbereitung, Planung und das Wissen, dass wir für den Fall des Ernstfalls Methoden parat haben.
Während die regelmäßige Überwachung erdnaher Asteroiden der wichtigste Teil der planetaren Verteidigung ist, ist es gut, Notfallpläne zu haben. Eines Tages könnten kinetische Aufprallmissionen, die für Langstrecken- und Last-Minute-Abfangungen ausgelegt sind, den Unterschied zwischen dem Überleben der Erde und einem Ereignis auf Aussterbeniveau ausmachen.
Mehr Informationen:
Adalberto Domínguez et al, Kinetischer Impaktor für eine kurze warnende Asteroidenablenkung, Acta Astronautica (2022). DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.10.039