Ingeniører udtænker et beslutningskort for at identificere den bedste missionstype til at aflede en indkommende asteroide

Den 13. april 2029, en iskold klods space rock, bredere end Eiffeltårnet er højt, vil strege af Jorden med 30 kilometer i sekundet, afgræsning af planetens sfære af geostationære satellitter. Det vil være den nærmeste tilgang af en af ​​de største asteroider, der krydser Jordens kredsløb i det næste årti.

Observationer af asteroiden, kendt som 99942 Apophis, for den egyptiske kaosgud, foreslog engang, at dens forbiflyvning i 2029 ville føre den gennem et gravitationsnøglehul - et sted i Jordens tyngdefelt, der ville trække asteroidens bane, således at den ved den næste forbiflyvning, i år 2036, det ville sandsynligvis have en ødelæggende indvirkning.

Heldigvis, nyere observationer har bekræftet, at asteroiden vil slynge forbi Jorden uden hændelser i både 2029 og 2036. Ikke desto mindre, de fleste videnskabsmænd mener, at det aldrig er for tidligt at overveje strategier til at aflede en asteroide, hvis man nogensinde var på et lynkursus med vores hjemmeplanet.

Nu har MIT-forskere udtænkt en ramme til at beslutte, hvilken type mission der ville være mest succesfuld til at afbøje en indkommende asteroide. Deres beslutningsmetode tager højde for en asteroides masse og momentum, dens nærhed til et gravitationsnøglehul, og mængden af ​​advarselstid, som videnskabsmænd har for en forestående kollision - som alle har grader af usikkerhed, som forskerne også inddrager for at identificere den mest succesfulde mission for en given asteroide.

Forskerne anvendte deres metode til Apophis, og Bennu, en anden nær-jord-asteroide, som er målet for OSIRIS-REx, en operationel NASA-mission, der planlægger at returnere en prøve af Bennus overflademateriale til Jorden i 2023. REXIS, et instrument designet og bygget af studerende ved MIT, er også en del af denne mission, og dens opgave er at karakterisere overfloden af ​​kemiske grundstoffer ved overfladen.

I et papir, der udkommer i bladet denne måned Acta Astronautica , forskerne bruger deres beslutningskort til at opstille den type mission, der sandsynligvis ville have størst succes med at aflede Apophis og Bennu, i forskellige scenarier, hvor asteroiderne kan være på vej mod et gravitationsnøglehul. De siger, at metoden kunne bruges til at designe den optimale missionskonfiguration og kampagne for at aflede en potentielt farlig nær-jord-asteroide.

"Folk har for det meste overvejet strategier med afbøjning i sidste øjeblik, når asteroiden allerede har passeret gennem et nøglehul og er på vej mod en kollision med Jorden, " siger Sung Wook Paek, hovedforfatter af undersøgelsen og en tidligere kandidatstuderende i MIT's Department of Aeronautics and Astronautics. "Jeg er interesseret i at forhindre nøglehulspassage i god tid før Jordens nedslag. Det er som et forebyggende angreb, med mindre rod."

Paeks medforfattere ved MIT er Olivier de Weck, Jeffrey Hoffman, Richard Binzel, og David Miller.

At aflede en planetmorder

I 2007 NASA konkluderede i en rapport forelagt den amerikanske kongres, at i tilfælde af at en asteroide var på vej mod Jorden, den mest effektive måde at afbøje den på ville være at affyre en atombombe ud i rummet. Kraften fra dens detonation ville sprænge asteroiden væk, selvom planeten så skulle kæmpe med ethvert nukleart nedfald. Brugen af ​​atomvåben til at afbøde asteroidepåvirkninger er fortsat et kontroversielt spørgsmål i det planetariske forsvarssamfund.

Den næstbedste mulighed var at sende en "kinetic impactor" op - et rumfartøj, raket, eller andet projektil, hvis det er rettet i den rigtige retning, med passende hastighed, skulle kollidere med asteroiden, overføre en brøkdel af dets momentum, og slå det ud af kurs.

"Det grundlæggende fysikprincip er ligesom at spille billard, " forklarer Paek.

For at enhver kinetisk impactor skal have succes, imidlertid, de Weck, en professor i aeronautik og astronautik og tekniske systemer, siger egenskaberne af asteroiden, såsom dens masse, momentum, bane, og overfladesammensætning skal kendes "så præcist som muligt." Det betyder, at ved at designe en afbøjningsmission, videnskabsmænd og missionsledere skal tage hensyn til usikkerhed.

"Betyder det noget, om sandsynligheden for succes for en mission er 99,9 procent eller kun 90 procent? Når det kommer til at aflede en potentiel planetmorder, du satser på, at det gør, ", siger de Weck. "Derfor skal vi være klogere, når vi designer missioner som en funktion af usikkerhedsniveauet. Ingen har set på problemet på denne måde før."

Lukning af et nøglehul

Paek og hans kolleger udviklede en simuleringskode for at identificere den type asteroideafbøjningsmission, der ville have den bedste mulighed for succes, givet en asteroides sæt af usikre egenskaber.

De missioner, de overvejede, inkluderer en grundlæggende kinetisk impactor, hvor et projektil skydes ud i rummet for at skubbe en asteroide ud af kurs. Andre variationer involverede at sende en spejder for først at måle asteroiden for at finpudse specifikationerne for et projektil, der ville blive sendt op senere, eller sende to spejdere, den ene til at måle asteroiden og den anden for at skubbe asteroiden lidt ud af kurs, inden et større projektil efterfølgende affyres for at få asteroiden til at gå glip af Jorden med næsten sikkerhed.

Forskerne fodrede ind i simuleringen med specifikke variabler såsom asteroidens masse, momentum, og bane, samt omfanget af usikkerhed i hver af disse variabler. Mest vigtigt, de tog højde for en asteroides nærhed til et gravitationsnøglehul, samt mængden af ​​tid, forskerne har, før en asteroide passerer gennem nøglehullet.

"Et nøglehul er som en dør - når først den er åben, asteroiden vil ramme Jorden kort efter, med stor sandsynlighed, " siger Paek.

Forskerne testede deres simulering på Apophis og Bennu, to af kun en håndfuld asteroider, for hvilke placeringen af ​​deres gravitationsnøglehuller i forhold til Jorden er kendt. De simulerede forskellige afstande mellem hver asteroide og deres respektive nøglehul, og beregnede også for hver afstand en "safe harbor"-region, hvor en asteroide skulle afbøjes, så den ville undgå både et sammenstød med Jorden og at passere gennem et hvilket som helst andet nøglehul i nærheden.

De evaluerede derefter, hvilken af ​​de tre hovedmissionstyper, der ville være mest succesfulde til at aflede asteroiden til en sikker havn, afhængigt af den tid, forskerne har til at forberede sig.

For eksempel, hvis Apophis vil passere gennem et nøglehul om fem år eller mere, så er der tid nok til at sende to spejdere – den ene til at måle asteroidens dimensioner og den anden til at skubbe den lidt af sporet som en test – før du sender en hovedimpaktor. Hvis nøglehulspassage sker inden for to til fem år, der kan være tid til at sende en spejder til at måle asteroiden og justere parametrene for et større projektil, før du sender stødlegemet op for at omdirigere asteroiden. Hvis Apophis passerer gennem sit nøglehul inden for et jordår eller mindre, Paek siger, at det kan være for sent.

"Selv en hovedimpaktor er muligvis ikke i stand til at nå asteroiden inden for denne tidsramme, " siger Paek.

Bennu er et lignende tilfælde, selvom forskerne ved lidt mere om dens materialesammensætning, hvilket betyder, at det måske ikke er nødvendigt at sende undersøgelsesspejdere op, før man affyrer et projektil.

Med holdets nye simuleringsværktøj, Peak planlægger at estimere succesen med andre afbøjningsmissioner i fremtiden.

"I stedet for at ændre størrelsen på et projektil, vi kan muligvis ændre antallet af opsendelser og sende flere mindre rumfartøjer op for at kollidere med en asteroide, en efter en. Eller vi kunne affyre projektiler fra månen eller bruge hedengangne ​​satellitter som kinetiske impactorer, " siger Paek. "Vi har lavet et beslutningskort, som kan hjælpe med at lave prototyper af en mission."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.