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Wie man einen Asteroiden vom Kurs abbringt


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 9/2021 vom 14.08.2021

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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 9/2021

Und dabei ist es nur der erste Schritt, zu klären, was grundsätzlich zu tun wäre. Der womöglich größere ist die Suche nach einer Antwort auf die Frage: von wem? Einige halten die Aufgabe für zu gewichtig, um sie allein der wissenschaftlichen Gemeinde aufzulasten. Vielleicht sollte sie von einer Organisation getragen werden, die über umfangreiche Erfahrungen mit langfristigen Planungen und, was noch wichtiger ist, über eine solide finanzielle Perspektive verfügt. Mit anderen Worten, dem Verteidigungsministerium.

In den USA ist die zuständige Abteilung des Militärs die 2019 neu geschaffene Space Force. Die Teilstreitkraft befasst sich mit der Überwachung und dem Schutz von Satelliten und behält alle möglichen großen und kleinen Objekte im Bereich zwischen der Erdoberfläche und dem Mond im Blick. Flugkörper von immer mehr Nationen und privaten Unternehmen, kommerzielle Aktivitäten bis hin zu ...

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... Weltraumtourismus und Fabriken – in Zukunft wird das Treiben im Orbit stark zunehmen. Optische Teleskope und Langstreckenradare helfen dabei, all das zu verfolgen.

Dieselben Instrumente könnten quasi nebenher Asteroiden erkennen, wenn diese zufällig im gleichen Abschnitt wie ein anvisierter Satellit (bloß hoffentlich in wesentlich größerer Entfernung) durchs All sausen. Für NASA und Space Force wäre eine Zusammenarbeit von wechselseitigem Vorteil, und in der Tat gibt es bereits Unterhaltungen. Die Verhandlungen sind jedoch nicht abgeschlossen. »Das bisher Besprochene geht schon über ein bloßes Brainstorming hinaus, aber noch haben wir uns auf kein spruchreifes Konzept geeinigt«, kommentiert Johnson. 2020 unterzeichneten die beiden Organisationen eine Absichtserklärung, in der sie sich zur Zusammenarbeit in bestimmten Bereichen wie der Lagebeurteilung und der planetaren Verteidigung bereit erklärten. Bei Nachfragen verwies die Space Force auf die NASA.

Einige wollen die Armee noch stärker in die Pflicht nehmen. Der Weltraumstratege Peter Garretson von der US Air Force würde es befürworten, dem Militär die Leitung der planetaren Verteidigung zu übertragen, insbesondere der Planungen zur Gefahrenabwehr. »Die NASA hat sich als Organisation in erster Linie der Forschung und der Erkundung verschrieben. Meiner Meinung nach reden wir hier aber eindeutig von einer Verteidigungsmission«, erläutert Garretson. »Einen auf uns zukommenden Asteroiden lenkt man doch nicht aus wissenschaftlichem Interesse ab.«

Obwohl in den USA für die Asteroidenabwehr offiziell keine Behörde zuständig ist, beschäftigen sich einige trotzdem mit dem Thema. Besonders intensiv ist das im Energieministerium der Fall, schließlich hat es durch sein Kernwaffenprogramm Erfahrung mit Explosionen. Beispielsweise hat Cathy Plesko vom Los Alamos National Laboratory ursprünglich mit Hilfe von Computerberechnungen untersucht, wie sich Krater auf Planetenoberflächen bilden. Eines Tages kam ein Kollege zu ihr und meinte, ähnliche Algorithmen wie jene, die sie zur Modellierung der Krater benutzte, würden sich vielleicht eignen, um Strategien zur Asteroidenabwehr zu entwickeln. Die Programme könnten nämlich simulieren, wie ein Asteroid, statt irgendwo anders einzuschlagen, selbst von einem Projektil getroffen wird.

Ein Knall über Russland hat die ganze Welt aufgeschreckt

Plesko begann zwar, sich damit näher zu beschäftigen, konnte aber nicht viele Ressoucen dafür aufwenden. Das änderte sich im Februar 2013. Damals stieß ein vermutlich 20 Meter großer Asteroid in die Erdatmosphäre und explodierte 30 Kilometer über dem russischen Tscheljabinsk mit dem Äquivalent von rund 500 Kilotonnen TNT. Etwa 1500 Menschen wurden verletzt, vor allem durch zersplitterte Fensterscheiben. Wie schon bei Shoemaker-Levy schreckte das viele offizielle Stellen auf. Pleskos Team suchte gemeinsam mit der NASA nach der besten Herangehensweise, um vorbereitet zu sein, falls einmal etwas noch Gefährlicheres auftauchen sollte. Die erste physikalische Frage, die sich dann stellt, ist die nach der Zusammensetzung der Asteroiden. Antworten darauf sind überraschend schwierig zu finden, am besten klappt das vom Erdboden aus noch mit Radaruntersuchungen. »Sind es Trümmerhaufen, Matschkugeln oder doch eher Metallbrocken?«, fragt Plesko. »Es gibt da eine unglaubliche Vielfalt.« Das erschwert die Simulationen. Wenn man im Computer ein Flugzeug modelliert, sind dessen Dichte und Form genau bekannt. »Für Asteroiden und Kometen haben wir kein Standardrezept«, sagt sie. »Das müssen wir immer erst herausfinden.«

Oberflächenscan

Mehrere am 9. Februar 2018 mit dem Arecibo-Observatorium aufgenommene Bilder zeigen, wie gut sich anhand des Radarechos Rückschlüsse auf Größe und Form ziehen lassen. Dieses Objekt ist etwa 1,5 Kilometer lang und war zu der Zeit mehr als 20-mal so weit von der Erde entfernt wie der Mond. Die Aufnahmen sehen aus wie grobkörnige Fotos, aber eigentlich entspricht bei derlei Radarbildern stets nur die vertikale Achse einer echten räumlichen Dimension (hier 7,5 Meter pro Pixel). Die Horizontale codiert Frequenzunterschiede (in dem Fall 0,04 Hertz pro Pixel), die durch den Dopplereffekt und die Bewegung des Asteroiden entstehen.

Plesko untersucht denkbare Strategien, um verschiedene Typen von Himmelskörpern von ihrem Kurs auf die Erde abzubringen. Eine davon nennt sich Gravitationstraktor.

Dabei wird eine massereiche Raumsonde so nah wie möglich an den rasenden Felsbrocken herangeführt. »Das bringt den Asteroiden oder den Kometen mit der Zeit von seinem ursprünglichen Kurs ab«, erklärt sie. Aber da der Effekt gering ist, braucht es für nennenswerte Auswirkungen Jahrzehnte. Zudem dürfte erst in einem Jahrhundert die dafür nötige Technologie startbereit sein, schätzt Plesko.

Andere Herangehensweisen setzen auf Laser. Sie sollen von kleinen Raumsonden aus die Oberfläche des Asteroiden erhitzen, woraufhin Material verdampft und weggeschleudert wird. Da nach Newtons Gesetzen jede Kraft eine gleich große und entgegengesetzt orientierte hervorbringt, würde das abgestoßene Gestein den Asteroiden in die andere Richtung schieben. Ebenso steht die deutlich weniger subtile Option in der Diskussion, eine Raumsonde einfach als Geschoss zu verwenden und auf den Asteroiden prallen zu lassen. Man könnte außerdem mit einem Spiegel die Sonnenstrahlen fokussieren, Triebwerke anbringen oder ihn weiß anmalen, um die Wechselwirkungen mit dem Sonnenlicht und damit die Umlaufbahn zu verändern (siehe »Wie man einen Asteroiden vom Kurs abbringt«). Plesko beschäftigt sich sogar mit der schlagkräftigsten Waffe aus dem Arsenal ihres Arbeitgebers, dem Energieministerium: einer Atombombe. Ihre Detonation neben einem erdnahen Objekt würde reichlich Energie auf dieses übertragen und es besonders nachdrücklich dazu animieren, Material auszustoßen. Allerdings offenbaren Untersuchungen zu Explosionen an oder unter der Oberfläche eines Asteroiden das Risiko, dass die Himmelskörper dabei in mehrere Stücke zerbrechen könnten, die ihrerseits auf unvorhergesehene Weise zum Problem würden. Politische Rahmenbedingungen und globale Abrüstungsbemühungen verkomplizieren die Option zusätzlich. Schließlich könnte ein Land die Asteroidenabwehr als Deckmantel zur Entwicklung von Massenvernichtungswaffen benutzen.

Alle zwei Jahre veranstaltet die internationale Forschungsgemeinschaft eine Konferenz zur planetaren Verteidigung inklusive Planspiel. Dabei proben verschiedene Institute und Behörden ihre Reaktion auf ein fiktives Szenario, in dem ein bedrohlicher Felsbrocken entdeckt wird.

Erste Informationen werden im Voraus online veröffentlicht, und mit jedem Konferenztag erfahren alle, die teilnehmen, genauere Daten – so, wie es bei einem realen Himmelskörper der Fall wäre, der im Lauf von Wochen und Monaten eingehend von der Erde aus untersucht wird. 2019 war vor Beginn der Konferenz bereits klar, dass ein fiktiver Felsen mit einem Durchmesser von 100 bis 300 Metern die Erde in acht Jahren mit einer Wahrscheinlichkeit von einem Prozent treffen würde. Am dritten Tag, nach mehreren vergangenen hypothetischen Jahren und einer ersten Erkundungssonde, war mehr bekannt: Er war 220 Meter lang, 140 Meter breit und steuerte genau auf Denver zu. Die Gruppe ersann internationale Missionen zur Ablenkung des Projektils, doch trotz eines Teilerfolgs nahm ein abgebrochenes, 60 Meter großes Stück Kurs auf Manhattan. Angesichts der nunmehr unabwendbaren Katastrophe überlegten die Beteiligten, welche Bereiche sie wie schnell evakuieren könnten, was mit Chemiefabriken und Atomkraftwerken zu tun wäre und wie die wirtschaftlichen Folgen aussehen würden.

2021 kehrten alle an den Spieltisch zurück, dieses Mal pandemiebedingt virtuell. Sie wurden mit einem Asteroiden konfrontiert, der bereits in sechs Monaten eintreffen könnte. Solche Übungen »lassen uns überprüfen, wie lang es realistischerweise wirklich dauert, Maßnahmen zu ergreifen«, erklärt Plesko. Es sei schließlich nicht wie in Hollywood, wo kurz nach der Entdeckung eines Asteroiden eine zufällig bereitstehende Rakete starte. In Wirklichkeit kann die Menschheit zwar nicht so schnell reagieren wie im Film, aber wir sind dem Weltall auch nicht schutzlos ausgeliefert. Es gibt durchaus Dinge, die wir tun können.

Beispielsweise wird eine eigens dafür konzipierte Weltraummission unsere Fähigkeiten auf die Probe stellen, im Weltraum Berge zu versetzen. Der Double Asteroid Redirection Test (DART) der NASA soll Ende 2021 oder Anfang 2022 starten und beweisen, dass sich die Bahn eines Asteroiden auch jenseits von Planspielen beeinflussen lässt. Andrew Rivkin von der Johns Hopkins University leitet eines der Missionsteams. Seine Leidenschaft für Asteroiden hat mit grundlegenden Forschungen zu den Ursprüngen des Sonnensystems begonnen. »Egal, welche Frage man zu beantworten versucht, alles lässt sich irgendwie auf Asteroiden zurückführen«, betont er.

DART wird zum Didymos-System reisen, das aus einem großen Asteroiden namens Didymos und seinem kleinen Begleiter Dimorphos besteht. Die Raumsonde soll in den Trabanten einschlagen und dessen Umlaufbahn verändern – und damit die Bewegung des ganzen Gespanns um die Sonne. Die einige hundert Kilogramm schwere Sonde wird Dimorphos mit einer Geschwindigkeit von 6,6 Kilometern pro Sekunde treffen. Das könnte Berechnungen zufolge die Umlaufperiode um etwa zehn Minuten verändern. Dimorphos ist zwar nur der kleinere Partner, aber bereits seine Größe würde genügen, um eine Stadt auszuradieren.

Darum dürfte der Test realitätsnahe Daten dazu liefern, wie gut wir schon mit heutigen Mitteln den Pfad eines potenziell bedrohlichen Objekts ändern können. Insofern ist DART so etwas wie ein Demonstrator für einen Mittelweg zwischen den extremsten verfügbaren Optionen, die Rivkin als »wir schießen eine Atombombe darauf oder wir tun nichts und hoffen auf das Beste« charakterisiert. Die Herangehensweise würde ebenso bei einem Einzelgänger funktionieren, aber es gibt gute Gründe, für den Test ein Doppelsystem zu wählen: Änderungen bei der Umlaufbahn des Trabanten sind sehr einfach zu messen, weil man seine Bewegung immer in Relation zum größeren Partner beobachten kann.

Rendezvous mit einem Getroffenen

Bei der Hera genannten Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA soll 2024 eine Raumsonde zu Didymos und Dimorphos aufbrechen – ebenjenem Asteroidensystem, das Ziel der NASA- Mission DART ist. Die hier illustrierte Hera-Sonde soll bei ihrer Ankunft 2027 eingehend den Krater ins Visier nehmen, der 2022 beim Einschlag von DART erzeugt werden soll. Dabei setzt sie auch zwei Miniatursatelliten ab. Einer von ihnen trägt eine Radarantenne für Einblicke in die innere Struktur von Dimorphos, während der andere vor allem spektrometrische Informationen über die chemische Zusammensetzung liefert. Die Daten sollen helfen, die Wirksamkeit des DART-Einschlags zu beurteilen und Computermodelle zu verfeinern, um zukünftige Missionen zur Asteroidenabwehr besser planen zu können.

Kleine und große Gefahren

Die Erde trifft ständig auf Gestein, das zwischen den Planeten umhertreibt. So sammelt unsere Atmosphäre täglich tonnenweise Staub und kleinste Körnchen ein. Sie machen sich beim Verglühen lediglich als Sternschnuppen bemerkbar. Je größer die Brocken sind, desto tiefer können sie unsere schützende Lufthülle durchstoßen; sie kommen aber auch umso seltener vor.

Das DART-Team wird etwa einen Monat vor dem Zusammenstoß im Jahr 2022 einen ersten Blick auf das System in Form eines einzelnen Pixels erhalten. »Dieser eine Pixel ist das, worauf wir zusteuern«, sagt Rivkins Kollegin Elena Adams, die Systemingenieurin der Mission. Eine Stunde vor der Ankunft wird in ähnlicher Weise der Trabant auf den Bildern erscheinen, und der Zielanflug beginnt. »Wenn alles gut läuft, reißt die Funkverbindung zur Sonde plötzlich ab«, erläutert sie. Dann hat die Kollision geklappt. Adams findet den Gedanken befremdlich: »Es ist unser Auftrag, 250 Millionen Dollar teure Technik zu zerstören!«

Ursprünglich sollte parallel eine europäische Raumsonde zum Didymos-System aufbrechen, die Objekte vorbereitend untersuchen und den Ablauf des Einschlags aus der Nähe betrachten. Wegen Finanzierungsproblemen wurde die Mission 2016 verschoben, woraufhin die NASA allein weiterplante. »Hera« wird nun ein paar Jahre später starten und die Folgen des Treffers auf Dimorphos nachträglich dokumentieren (siehe »Rendezvous mit einem Getroffenen«). Die begleitende Überwachung des DART-Missionsverlaufs muss darum vor allem von der Erde sowie von Weltraumteleskopen aus stattfinden; zudem soll vor dem Aufprall ein autonom navigierender Minisatellit mit Kamera abgesetzt werden und das Spektakel überstehen. Was irdische Beobachtungen angeht, setzt das Team unter anderem auf das Goldstone-Radar. »Wir hatten auch auf Arecibo gehofft«, bedauert Rivkin. Die gesammelten Daten werden in Modelle wie jene von Plesko einfließen und bessere Entscheidungen ermöglichen, wenn die Weltgemeinschaft eines Tages tatsächlich auf eine konkrete Bedrohungslage reagieren muss. »Raumfahrtprogramme wie DART sind so etwas wie eine Versicherung«, meint Rivkin. Menschen zahlen schließlich auch für Policen gegen Feuer und Hochwasser. »Wir erwarten zwar, dass unser Haus nie in Brand gerät oder überflutet wird, aber wir erfüllen sozusagen unsere Sorgfaltspflicht für den unwahrscheinlichen Fall, dass es doch so kommt.«

Rivkin freut sich einerseits über den allmählich besseren Stand der planetaren Verteidigung, andererseits warnt er vor überzogener Angst: »Wenn die Leute nachts von Gedanken an Asteroiden wach gehalten werden, dann hoffentlich nur wegen all der aufregenden Wissenschaft.«

Letztlich ist es die Erforschung der steinernen Vagabunden, vom Aufspüren bis zum genauen Charakterisieren, auf der die gesamte Asteroidenabwehr basiert. Und diese wiederum ermächtigt uns, dem Kosmos ein wenig Kontrolle zu entreißen. »Zum ersten Mal hat unsere Spezies die Möglichkeit, eine Naturkatastrophe abzuwenden«, bekräftigt Plesko. »Wir können weder einen Hurrikan stoppen noch ein Erdbeben verhindern.« Aber wenn es darum ginge, einen Asteroiden aufzuhalten, »dann bin ich davon überzeugt, dass wir das könnten, wenn wir wirklich müssten.«