Besserer Schutz von Planeten und Raumfahrzeugen vor Asteroiden
Für Missionen von Asteroiden aus – sei es zum Schutz des Planeten, für wissenschaftliche Zwecke oder für den Bergbau – sind Fortschritte bei numerischen Modellen, dem Ausbau von Nutzlasten, Datenverarbeitungsverfahren und operativen Fähigkeiten erforderlich. An dem EU-finanzierten Projekt NEO-MAPP waren Forschende aus Wissenschaft und Industrie beteiligt, die in diesen Bereichen bedeutende Fortschritte verzeichnen konnten. „Wir haben die numerischen Modelle zur Beschreibung der Dynamik von erdnahen Objekten und den Effekten äußerer Kräfte, insbesondere kinetischer Stöße, die Auslenkungen verursachen, erheblich verbessert“, berichtet der Projektkoordinator Patrick Michel. „Durch frühere Missionen wissen wir, dass sich Asteroiden aufgrund ihrer geringen Masse in ihrer Umgebung mit geringer Schwerkraft auf unerwartete Weise verhalten. Deshalb mussten wir unsere Modelle anpassen, um die Effekte verschiedener Prozesse und Wechselwirkungen auf erdnahe Objekte genau nachzubilden.“
Bahnbrechende Fortschritte bei der Modellierung von Asteroideneinschlägen
Durch die fortschrittlichen Modellierungsmöglichkeiten von NEO-MAPP konnten bedeutende Durchbrüche bei der Erforschung der Einschlagsprozesse und des physikalischen Zustands von erdnahen Objekten, einschließlich Doppelasteroiden, erreicht werden. Diese neuen Strategien finden weitreichende Anwendungen – von der Kraterbildung auf der Planetenoberfläche nach Einschlägen bis zum Schutz von Raumfahrzeugen vor Mikrometeoriten. „Wir haben einen neuen Ansatz gefunden, um den gesamten Einschlagsprozess auf schwach strukturierten Asteroiden zu modellieren“, erklärt Michel. „Die Idee kam durch die überraschende Entdeckung, dass einige Asteroiden, obwohl sie aus vielen Felsbrocken bestehen, sich bei Wechselwirkungen mit den Sonden Hayabusa2 der JAXA und der OSIRIS-REx der NASA so verhalten, als ob sie aus einem kohäsionslosen Medium bestünden.“ Mit den bisherigen numerischen Modellen konnten Einschläge auf diesen Oberflächen kaum simuliert werden. Die neue Methode von NEO-MAPP, die durch einen Vergleich mit den Ergebnissen des Hayabusa2-Einschlagsexperiments auf dem Asteroiden Ryugu validiert wurde, hat sich jedoch als erfolgreich erwiesen. Dieser Ansatz wurde dann zur Vorhersage des Ergebnisses der NASA-Mission DART zum Einschlag auf Dimorphos, dem Mondwinzling des Doppelasteroiden Didymos, verwendet. „Unsere Simulationen scheinen mit bodengestützten Beobachtungen übereinzustimmen, nach denen sich Dimorphos nach dem Einschlag neu geformt hat – ein Ergebnis, das wir mit der bevorstehenden Mission Hera zu bestätigen hoffen“, fügt Michel hinzu.
Bessere Vorbereitung von Nutzlasten und Simulatoren
Eine weitere Projektaktivität diente zur Ausreifung von europäischen Instrumenten, im Weltraum und am Boden, die eine entscheidende Rolle für den Schutz des Planeten spielen. Zu diesen Instrumenten gehören das Laser-Altimeter PALT, das Gravimeter GRASS und das Radiosondierungsexperiment und die Inter-Satelliten-Verbindung an Bord der Hera-Mission. Abgesehen von der Hera-Mission wurden bei der Konstruktion eines Seismographen und eines Hochfrequenz-Radarsystems Fortschritte verzeichnet. Mit der Verbesserung dieser Instrumente legte das Team einen Fokus auf die Messung der Oberflächen, der obersten Schichten der Oberfläche und der inneren Eigenschaften erdnaher Objekte – das sind geologische Eigenschaften, die die Reaktion eines Asteroiden auf äußere Einflüsse erheblich beeinflussen. Darüber hinaus hat das Team Algorithmen und Simulatoren für Missionen in unmittelbarer Nähe und die Analyse von Nutzlastdaten aufgestellt. „Wenn ein Raumfahrzeug auf einem Asteroiden landet, müssen alle Instrumente zur Datenanalyse laufen. Unsere Aufgabe ist es, aus den verschiedenen Instrumenten an Bord so viele Informationen wie möglich herauszuholen und ihr Potenzial durch Verbindung der Daten zu maximieren“, betont Michel. „Wir verwenden zum Beispiel sowohl Bilder als auch Laserdaten, um die Form des Asteroiden möglichst genau zu skizzieren.“ Das NEO-MAPP-Team war auch maßgeblich an der Ausarbeitung fundierter Führungs-, Navigations- und Kontrollstrategien für das Landen auf Körpern in Umgebungen mit geringer Schwerkraft beteiligt. Die Messung der Reaktion der Oberfläche (z. B. mit Beschleunigungssensoren) durch direkte Interaktion mit kompakten Raumsonden wie CubeSats oder Mikro-Landern ist essentiell, um die Festigkeit und Weichheit eines Asteroiden zu bestimmen. „Mit dem für Oktober 2024 geplanten Start von Hera besteht die Möglichkeit einer Rendezvous-Mission mit Apophis im Jahr 2029, ähnlich wie bei der Mission RAMSES, die bei der Europäischen Forschungsagentur ausgewertet wird. Die Finanzierung einer solchen Mission würde einen Mehrwert für NEO-MAPP bedeuten, da wir das Missionsszenario detailliert ausarbeiten, Begegnungssimulationen validieren und innovative Nutzlast- und Datenverarbeitungsverfahren aufstellen wollen“, so Michel abschließend.
Schlüsselbegriffe
NEO-MAPP, Asteroid, Einschlag, Modelle, Nutzlast, Raumfahrzeug, Hera-Mission, Hayabusa2, RAMSES