Missionen, die sich auf kleine Körper im Sonnensystem konzentrieren, häufen sich in letzter Zeit. OSIRIS-Rex, Psyche und Rosetta sind Beispiele für Projekte, die ein Rendezvous mit einem kleinen Körper im Sonnensystem planten oder durchführten. Eine ihrer größten Herausforderungen besteht jedoch darin, die Schwerkraft dieser Körper zu verstehen – was besonders deutlich wurde, als Philae, Rosettas Landeeinheit, Schwierigkeiten hatte, auf der Oberfläche des vorgesehenen Kometen zu bleiben. Eine neue Idee von Forschern der University of Colorado Boulder und des Jet Propulsion Laboratory der NASA könnte helfen, dieses Problem zu lösen – indem sie kleine Sonden hin und her schleudern.
Das Konzept mit dem Namen „Gravity Poppers“ entstand aus einem NIAC-Stipendium im Jahr 2020. Die Idee ist ganz einfach: Man setzt eine Reihe von Sonden auf die Oberfläche eines kleinen Körpers und lässt sie in regelmäßigen Abständen davon abspringen. Behalten Sie dabei den Überblick. Wenn Sie die Kraft kennen, mit der sie abgesprungen sind, und sie bei ihrer Rückkehr an die Oberfläche verfolgen können, können Sie die Schwerkraft des Gebiets, über dem sie schweben, genauer abschätzen als mit alternativen Techniken.
Wissenschaftler verwenden hauptsächlich drei alternative Techniken, um die Schwerkraft kleiner Körper zu berechnen: Radartomographie, seismische Bildgebung und Gravimetrie. Jedes hat Nachteile, die die Gravity Poppers überwinden können.
Die Radartomographie nutzt Reflexionen von Funksignalen, um abzuschätzen, wie die Schwerkraft in einem bestimmten Gebiet ist. Allerdings ist es schwierig, in die tieferen Bereiche eines kleinen Körpers einzudringen. Einige Materialien reflektieren elektromagnetische Wellen überhaupt nicht, sodass es unmöglich ist, Bereiche mit diesen Materialien zu charakterisieren.
Seismische Bildgebung wird häufig auf der Erde eingesetzt. Durch die Verfolgung der Bewegung seismischer Wellen über die Oberfläche eines Körpers können Wissenschaftler die Schwerkraft der sie umgebenden Regionen abschätzen. Einige kleine Körper, insbesondere Asteroiden, sind jedoch nur Trümmerhaufen ohne innere zusammenhängende Struktur. Seismische Wellen funktionieren in solchen Umgebungen nicht besonders gut. Ryugu, der Asteroid, den Hayabusa-2 besuchte, absorbierte die seismische Energie eines Einschlagereignisses, sodass die Raumsonde nicht einmal Veränderungen in seinen Oberflächenmerkmalen erkennen konnte.
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Die Gravimetrie ist die einfachste der drei Techniken und erfordert die geringste Ausrüstung an Bord des Raumfahrzeugs. Wie zieht der kleine Körper das ihn umkreisende Raumschiff an? Nimmt die Schwerkraft zu oder ab, wenn sie über verschiedene Regionen hinwegfliegt? Allerdings ist es nicht einfach, die Schwerkraft aus großer Entfernung zu messen, da die Umlaufbahnen in der Regel relativ weit entfernt sind. Daher ist die Genauigkeit dieser Technik relativ gering.
Betreten Sie Gravity Poppers. Ein Orbiter könnte ein paar Dutzend davon freisetzen – a Papier Einzelheiten zu der geposteten Idee arXiv schlägt 20 vor. Wenn sie auf der Oberfläche des Asteroiden, Kometen oder kleinen Mondes landen, nutzen sie gelegentlich eine innere Kraft, um von der Oberfläche zu springen, aber nicht genug, um die Schwerkraft zu durchbrechen. Je nachdem, welcher Bereich untersucht werden soll, können sie dies schräg oder gerade nach oben tun.
Während sie von der Oberfläche abfliegen, verfolgt das umlaufende Mutterschiff sie und berechnet ihre Flugbahn, die dann zur Berechnung der Schwerkraft der Region, über die sie fliegen, verwendet werden kann. Dann landen sie, setzen sich zurück und tun dies wiederholt, während der Orbiter sie verfolgt. Das Team untersuchte zwei Arten von Strukturen für die Poppers: sphärische und kubische. Sie entschieden sich für den Würfel, der auch über eingebettete LEDs verfügte, die eine Lichtquelle erzeugten, die der Orbiter verfolgen konnte.
Allerdings ist es nicht so einfach, die Lichtquelle zu verfolgen – eine Menge Systemdynamik fließt in die Berechnung des Flugbahnwinkels, der Kraft, mit der der Popper sprang, und des Landeorts ein. Das Papier beschreibt auch Simulationen, wie eine solche Mission in der Praxis funktionieren würde, und zwar unter Verwendung von Modellierungssoftware, die bei der NASA entwickelt wurde.
Das bedeutet leider, dass hierfür noch keine Prototypen in Arbeit sind. Es erhielt bisher auch keine NIAC-Phase-II-Finanzierung. Aber die Idee ist einzigartig und so einfach, dass Ingenieure mit ein wenig Entwicklungsaufwand diese neuartige Methode zur Erkundung einiger der wirtschaftlich und wissenschaftlich interessantesten Welten in unserem Sonnensystem meistern könnten.
Mehr Informationen:
Jacopo Villa et al., Schwerkraftschätzung an kleinen Körpern durch optische Verfolgung hüpfender künstlicher Sonden, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2202.06412