Nicht so einfach, wie es schien: Trümmer der DART-Mission erschweren die Verteidigung der Erde

Als im September 2022 die Raumsonde DART der NASA auf Dimorphos, den kleinen Mond des Asteroiden Didymos, stürzte , änderte sie nicht nur wie geplant ihre Umlaufbahn , sondern löste auch einen gewaltigen Steinschlag mit einer Wucht aus, die mehr als dreimal so groß war wie die Wucht der Raumsonde selbst.

Das bedeutet: Diese Mission konnte zwar erfolgreich nachweisen, dass die kinetische Energie von Impaktkörpern wie DART die Bahn eines Asteroiden tatsächlich verändern kann, die durch den Aufprall ausgeworfenen Gesteine ​​selbst jedoch auch Kräfte in unerwartete Richtungen erzeugen können, die Ablenkungsversuche erheblich erschweren könnten. Mit anderen Worten: Die Asteroidenablenkung durch kinetische Einschläge als Form der Planetenverteidigung hat sich als weitaus komplexere Aufgabe erwiesen als erwartet.

Die Entdeckung, die einem Astronomenteam unter der Leitung der University of Maryland gemacht wurde, wurde gerade im Planetary Science Journal veröffentlicht.

„Es ist uns gelungen, einen Asteroiden abzulenken und ihn aus seiner Umlaufbahn zu bringen“, sagt Tony Farnham, Hauptautor der Studie. „Unsere Forschung zeigt jedoch, dass der direkte Einschlag der DART-Raumsonde diese Veränderung verursachte, die ausgeworfenen Gesteinsbrocken dem Asteroiden jedoch einen mindestens ebenso starken zusätzlichen Schub verliehen. Ein physikverändernder Faktor, der bei der Planung solcher Missionen berücksichtigt werden muss.“

Am 26. September 2022 führte die NASA-Raumsonde DART (Double Asteroid Redirection Test) ein beispielloses Manöver durch: Sie stürzte gezielt mit Dimorphos, dem Kleinsatelliten im Orbit des Asteroiden Didymos. Hauptziel der Mission war es, die Machbarkeit der „kinetischen Impakttechnik“ zur Ablenkung von Asteroiden zu demonstrieren. Die Kollision mit über 22.000 Kilometern pro Stunde war ein voller Erfolg: Dimorphos' Umlaufbahn um Didymos verkürzte sich um 32 Minuten und übertraf damit die vorgegebene Erfolgsschwelle von 73 Sekunden deutlich. Die Menschheit hatte erstmals bewiesen, dass sie in der Lage ist, die Bahn eines Himmelskörpers zu verändern.

Farnham und sein Team entdeckten jedoch, dass ein erheblicher Teil dieser Bahnänderung nicht durch den direkten Aufprall der Sonde verursacht wurde, sondern durch den Rückstoß des durch die Kollision ausgestoßenen Materials. Dieser sorgte für zusätzlichen Schub, einen „kosmischen Kick“, der fast so stark war wie der DART-Einschlag selbst . Das ausgestoßene Material wirkte quasi als zusätzlicher Treibstoff und schob den Asteroiden mit beträchtlicher Kraft in die entgegengesetzte Richtung.

Doch wie gelang es den Wissenschaftlern, dieses komplexe Phänomen zu entschlüsseln? Der Schlüssel liegt in DARTs kleinem, aber unverzichtbaren Reisebegleiter: LICIACube. Dieser winzige CubeSat, entwickelt von der italienischen Raumfahrtagentur ASI, trennte sich 15 Tage vor dem Einschlag von DART und positionierte sich strategisch günstig, um das Spektakel optimal zu beobachten. Aus einer Entfernung von 56,7 Kilometern und nur 165 Sekunden nach der Kollision begann LICIACube, eine beispiellose Serie von Bildern der riesigen Auswurfwolke, die aus der Einschlagstelle ausbrach, zur Erde zu senden.

Dank dieser Bilder konnte das Astronomenteam die Bewegung von 104 Felsbrocken mit Radien zwischen 0,2 und 3,6 Metern verfolgen, während sie sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 52 Metern pro Sekunde (etwa 187 Kilometern pro Stunde) von Dimorphos entfernten. Durch die dreidimensionale Analyse dieser Flugbahnen machten Farnham und seine Kollegen eine überraschende Entdeckung: Die Felsbrocken waren nicht zufällig verstreut. Stattdessen gruppierten sie sich in zwei deutlich unterscheidbare Gruppen, wobei an anderen Stellen auffällig wenig Material vorhanden war. „Wir haben gesehen, dass die Felsbrocken nicht zufällig im Raum verstreut waren“, erklärt Farnham. „Stattdessen gruppierten sie sich in zwei deutlich unterscheidbare Gruppen, wobei an anderen Stellen Material fehlte. Das bedeutet, dass hier etwas Unbekanntes im Spiel war.“

Der größte Trümmerhaufen, der etwa 70 % der gemessenen Objekte ausmachte, wurde mit hoher Geschwindigkeit und in flachem Winkel südwärts auf die Asteroidenoberfläche geschleudert. Wissenschaftler vermuten, dass diese Felsbrocken wahrscheinlich aus bestimmten Quellen stammen, möglicherweise von größeren Felsbrocken auf Dimorphos, die von den Solarmodulen von DART zertrümmert wurden, kurz bevor der Hauptkörper der Sonde auf der Oberfläche aufschlug. Jessica Sunshine, eine Co-Autorin der Studie, vermutet, dass die Solarmodule von DART zwei große Felsbrocken auf dem Asteroiden mit den Spitznamen Atabaque und Bodhran getroffen haben könnten, und dass der südwärts geschleuderte Materialklumpen aus Fragmenten von Atabaque, einem Gesteinsbrocken mit einem Radius von 3,3 Metern, bestehen könnte.

Sunshine, der auch stellvertretender leitender Forscher der NASA-Mission Deep Impact zum Kometen Tempel 1 im Jahr 2005 war, verglich die Ergebnisse dieser Mission mit denen von DART.

„Deep Impact“, erklärt der Forscher, „traf auf eine Oberfläche, die im Wesentlichen aus sehr kleinen, gleichmäßigen Partikeln bestand, sodass die Ausstoßung relativ gleichmäßig und kontinuierlich erfolgte. Hier sehen wir jedoch, dass DART auf eine steinige Oberfläche prallte, die mit großen Felsbrocken übersät war, was zu chaotischen, filamentartigen Strukturen in seinen Ausstoßmustern führte.“

Dieser grundlegende Unterschied – eine Oberfläche aus feinen Partikeln im Vergleich zu einer felsigen, kiesigen Oberfläche – ist entscheidend für das Verständnis, wie verschiedene Himmelskörper auf Einschläge reagieren. Es ist, als würde man eine Kugel, die einen Sandsack trifft, mit einer Kugel vergleichen, die eine Mauer trifft: Aufprall und Streuung des Materials sind völlig unterschiedlich. Diese Informationen, so Sunshine, „sind entscheidend für den Erfolg einer zukünftigen Planetenverteidigungsmission.“

Der Impuls (das Ausmaß der Bewegung) der durch den DART-Einschlag ausgestoßenen Felsbrocken verlief überwiegend senkrecht zur Flugbahn der Raumsonde. Dies bedeutet, dass er nicht nur die Umlaufbahn von Dimorphos veränderte, sondern auch dessen Bahnebene um bis zu ein Grad geneigt und den Asteroiden möglicherweise unregelmäßig im Raum schwanken ließ. Für eine Mission, deren Ziel eine präzise Ablenkung ist, kann jedes unerwartete Schwanken natürlich ein kritischer Faktor sein.

Die Arbeit dieses Teams zur Erforschung der Auswirkungen von Weltraumtrümmern ist von zentraler Bedeutung für die Hera-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die das Didymos-Dimorphos-System 2026 erreichen soll. Hera ist zusammen mit DART Teil der AIDA-Kollaboration (Asteroid Impact and Deflection Assessment). Ihre Hauptziele sind die detaillierte Untersuchung des Didymos-Doppelsternsystems nach dem Einschlag im Jahr 2022, die Bewertung seiner inneren Eigenschaften und die präzise Messung der Folgen der Kollision mit DART. Die Hera-Mission wird ihre eigenen CubeSats, Milani und Juventas, einsetzen, um Spektraldaten der Oberfläche zu sammeln und den Untergrund und die inneren Strukturen des Asteroiden zu untersuchen.

Kurz gesagt unterstreicht die Studie der University of Maryland, wie wichtig es ist, bei der Planung zukünftiger Asteroidenabwehrmissionen alle Variablen zu berücksichtigen. Es reicht nicht aus, den Haupteinschlag vorherzusagen; entscheidend ist das Verständnis der Physik des Auswurfs, der Größe und Zusammensetzung des ausgeworfenen Materials und dessen Einfluss auf Flugbahn und Rotation des Asteroiden.

„Wenn ein Asteroid auf uns zukommt“, so Sunshine abschließend, „und wir wüssten, dass wir ihn um einen bestimmten Betrag bewegen müssten, um einen Einschlag auf der Erde zu verhindern, dann wären all diese Feinheiten sehr, sehr wichtig. Man kann es sich wie eine Partie kosmisches Billard vorstellen. Wir könnten das Ziel verfehlen, wenn wir nicht alle Variablen berücksichtigen.“