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Asteroidengefahr: Ein Schutzgürtel aus Minisatelliten

Der Planetenschutz ist uns lieb, vor allem aber teuer. Damit uns kein erdnaher Asteroid durchrutscht, braucht es sehr viel Geld - oder aber einen raffinierten Plan.
Erdnahe ObjekteLaden...

Das Weltall wirkt wie ein fast komplett leerer Raum, gespickt nur mit einzelnen fernen Planeten und deren Monden, noch ferneren Sternen und unvorstellbar weit entfernten Galaxien jenseits unserer Milchstraße. Doch ganz anders in direkter Nähe zur Erdbahn: Hier tummeln sich abertausende kleine und größere Objekte. Brocken aus Gestein, Eis und Dreck, die wir gemeinhin als Asteroiden oder Kometen bezeichnen. Kollisionen mit solchen erdnahen Objekten, kurz NEOs (von englisch "Near-Earth Objects"), sind zwar immer noch äußerst selten. Doch wenn es knallt, dann richtig.

So wie 1908 nahe Tunguska in den sibirischen Wäldern. Am 30. Juni jenes Jahres trug sich dort Erstaunliches zu: Auf etwa 2000 Quadratkilometer Fläche knickten Bäume um. Der Wald in der Gegend stand in Flammen. Eine Stoßwelle drückte Fenster und Türen noch in 65 Kilometer Entfernung ein. Ursächlich dafür war wohl ein NEO, das aus dem All auf die Erde stürzte, vermutlich nur 30 bis 80 Meter groß. Seine Explosion in wenigen Kilometer Höhe war für die Schäden verantwortlich. Man will sich nicht vorstellen, was geschieht, wenn ein solcher Klumpen über einer dicht besiedelten Region, etwa einer Großstadt, herniederstürzt.

Als NEOs gelten Asteroiden oder Kometen, die auf ihrem Weg einen minimalen Abstand von 1,3 Astronomischen Einheiten zur Sonne einnehmen. Eine Astronomische Einheit entspricht etwa dem mittleren Abstand der Erde zur Sonne. Der Abstand mag groß erscheinen, doch er genügt, dass einige der Brocken auf Kollisionskurs mit der Erde geraten.

Bis 2020 sollen fast alle NEOs aufgespürt sein

Bis heute wurden 12 600 NEOs entdeckt, 820 davon haben einen Durchmesser von mehr als einem Kilometer. Insgesamt stuft die NASA knapp 1500 davon als "potenziell gefährlich" ein. Sie nähern sich auf ihrer Umlaufbahn der Erde bis auf 0,05 Astronomische Einheiten, etwa 7,5 Millionen Kilometer. Vermutlich befinden sich aber Millionen weitere kleinere Objekte, die nur zwischen 30 und 140 Meter messen, in unserer Nähe.

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Steinschlaggefahr aus dem All | Die Bahnen der derzeit bekannten, als potenziell gefährlich eingestuften erdnahen Objekte: Anfang 2013 belief sich ihre Zahl auf über 1400.

Grund genug für den US-Kongress, der NASA den Auftrag zur Aufklärung über die NEOs zu erteilen. 2005 erließ er den "NASA Authorization Act". Das Gesetz verlangt von der Weltraumbehörde, binnen 15 Jahren, also bis 2020, ein Programm einzurichten, das 90 Prozent der NEOs von 140 Metern Durchmesser oder mehr "aufspürt, nachverfolgt, verzeichnet und ihre physikalischen Eigenschaften beschreibt". Als Grundlage für die Quote von 90 Prozent sollen statistische Schätzungen der Gesamtzahl an NEOs dienen. Die NASA und die europäische Raumfahrtagentur ESA arbeiten bereits gemeinsam an Tests für ein Abwehrsystem, mit dem man einen solchen Himmelskörper von seiner Bahn ablenken könnte, falls ein Einschlag auf unserer Erde droht.

Neben dem Planetenschutz gibt es auch wissenschaftliche Gründe, sich nach den Kleinkörpern umzusehen. Wer ihre Größenverteilung, die chemische Zusammensetzung und die Flugbahnen kennt, kann genauer nachvollziehen, wie unser Planetensystem einst entstand. Außerdem will die NASA bald einen Asteroiden einfangen. In einer Umlaufbahn um unseren Mond könnte der Gesteinsklops dazu dienen, Landemanöver von Astronauten im All zu üben. Es gibt sogar Pläne, auf Asteroiden wertvolle Bodenschätze abzubauen.

Doch viel getan hat sich noch nicht in Sachen NEO-Suche. Im Jahr 2008 beschloss der US-Kongress mit dem "NASA Consolidated Appropriations Act" eine Machbarkeitsstudie, die die NASA beim US-Wissenschaftsrat National Research Council (NRC) in Auftrag gab. Überprüft wurde unter anderem, ob und wie sich NEOs mit erd- und weltraumbasierten Teleskopen ausfindig machen lassen, beispielsweise mit einem 50-Zentimeter-Infrarot-Teleskop auf einer Erdumlaufbahn oder einem ebenso großen mit Kurs um die Venus. Die Ergebnisse wurden 2010 veröffentlicht. Für die Umsetzung der geforderten NEO-Analyse müsste man aber fast zehn Jahre Zeit und Kosten von mindestens 500 Millionen Dollar einplanen, so die NRC-Studie.

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CubeSats auf interplanetarer Mission | Die künstlerische Darstellung von zwei CubeSats auf dem Weg zu dem Jupitermond Europa, ebenfalls ein Vorhaben des Jet Propulsion Laboratory. Wie gut sich die Minisatelliten außerhalb des nahen Erdorbits schlagen, ist noch offen – für die vorgeschlagene NEO-Suche müssten sie um die Sonne kreisen.

Die aktuelle Version des "NASA Authorization Act" verlangt eine Beschleunigung des Programms, zudem soll es auf Objekte unter 140 Meter Größe ausgedehnt werden. Auch weist das Gesetz auf die Gefahr von durch NEOs ausgelöste Tsunamis hin und will diese näher untersuchen. Die Chancen, mit den bislang erforschten Ansätzen zum Erfolg zu kommen, schätzt die NRC-Studie aber als gering ein.

Ein Schwarm von Minisatelliten soll es richten

Eine obendrein kostengünstige Alternative könnten CubeSats bieten, berichtet nun ein Team von US-Forschern auf dem Preprint-Server arXiv.org. CubeSats sind Kleinstsatelliten, die sich aus standardisierten Würfelelementen mit gerade einmal zehn Zentimeter Kantenlänge aufbauen lassen. Die zentrale Botschaft ihres Artikels: Ein Schwarm von CubeSats, mit 10-Zentimeter-Teleskopen an Bord und neuester Elektronik und Software, könnte von einer Umlaufbahn um die Sonne aus den Auftrag binnen drei Jahren und zu einem Zehntel der Kosten ausführen.

So rechnen es jedenfalls die Wissenschaftler um Michael Shao vom Jet Propulsion Laboratory vor. Ihr Labor zur Weltraumforschung wird von der NASA gemeinsam mit dem California Institute of Technology betrieben. Eingeklemmt zwischen dem nördlichen Rand von Los Angeles und den Wäldern und Bergen des knapp 3000 Quadratkilometer großen Angeles National Forest arbeiten dort mehr als 5000 Forscher an Raketenantrieben, Satellitensteuerungen und der Weltraumüberwachung.

NEOs sind leuchtschwach und bewegen sich relativ schnell vor dem Hintergrund des Sternenhimmels. Will man sie aufzeichnen, steht man vor einem Dilemma: Die klassische Vorgehensweise besteht darin, ein Bild etwa 30 Sekunden lang zu belichten. Auf solchen Aufnahmen erscheinen Sterne und andere stationäre Himmelskörper punktförmig, das schnelle NEO hingegen verschmiert zu einer langen Linie. So wird zwar auf Anhieb erkennbar, dass man es mit einem sich bewegenden erdnahen Objekt zu tun hat, doch sein ohnehin nur schwaches Licht verteilt sich nun entlang der Flugbahn. Dadurch sinken die Genauigkeit der Aufnahmen und damit auch ihr Wert für die Analyse der Objekte und deren Bahn.

Scharfe NEOs dank Bildbearbeitungstrick

Hier setzen Shao und Kollegen mit ihrer Technik des "Synthetic Tracking" an. Aus vielen kurz belichteten Einzelaufnahmen eines Objekts – beispielsweise mit Hilfe eines 10-Zentimeter-Teleskops an Bord eines CubeSats – setzt ein Computeralgorithmus ein Bild zusammen. Dazu verschiebt der Rechner jede der Aufnahmen so, dass sich der Leuchtpunkt des NEOs jeweils deckt. Er berechnet dazu die richtige aus etwa 500 möglichen Verschiebungen. Durch die Überlagerung erhält man ein Bild mit einem relativ hellen Objekt, denn die Leuchtkraft aus den Einzelbildern addiert sich.

Dank enormer technischer Fortschritte bei den CubeSats könnte der ambitionierte Ansatz von Shao und Kollegen bereits realisierbar sein. Mittlerweile bekommt man die nötige Elektronik, Antriebstechnik und Bauteile für die Lagesteuerung der Winzsatelliten quasi von der Stange. Die Datenverarbeitung der Aufnahmen kann dank besserer Hardware direkt im All erfolgen, so dass die vielen Bilddaten nicht erst durch das Nadelöhr der Datenübertragung zur Erde schlüpfen müssen.

Fünf CubeSats aus je neun Standardwürfeln sollen nach Shaos Plänen von Raketen nach und nach in eine Erdumlaufbahn und von dort aus mit einem internen Antrieb auf einen Orbit um die Sonne gebracht werden. Jeder der Winzlinge wiegt 13,2 Kilogramm, davon entfallen 2,8 Kilogramm auf die Tracking-Kamera, 4,8 Kilogramm auf den Antrieb und 2 Kilogramm auf das Grundgerüst. Hinzu kommen noch etwa neun Kilogramm Treibstoff. Die Kosten des ersten Minisatelliten sollen nicht mehr als 12,5 Millionen Dollar betragen. Für die weiteren Satelliten erwarten die Forscher durch sich wiederholende Entwicklungs- und Produktionsschritte Kosteneinsparungen.

Für CubeSats lauern Gefahren im All

Detlef Koschny, Leiter der Abteilung für erdnahe Objekte bei der ESA im niederländischen Noordwijk und an der Studie nicht beteiligt, hält den Ansatz für durchaus interessant. Ohne genauere Analysen sei es aber schwer zu sagen, ob die in dem Papier gemachten Angaben zu bestätigen oder zu kritisieren sind. "Es bedarf weiterer Studien, bevor klar ist, dass man mit CubeSats die Asteroidenüberwachung verbessern kann", sagt Koschny.

Zum Beispiel drohen den Winzsatelliten diverse Gefahren im All. Eine Kollision mit Weltraumschrott oder schlicht technisches Versagen könnte die Mission der Satelliten früher beenden als erwünscht. Daten über die Lebensdauer interplanetar tätiger CubeSats existieren nicht, schlicht weil solche noch nie genutzt wurden. Aus den bisherigen Erfahrungen ermitteln Shao und Co eine durchschnittliche Überlebensspanne von etwa zwei Jahren für einen CubeSat. Da aber viele der betrachteten Satelliten Studentenprojekte waren und die Technik sich seit den ersten CubeSats weiterentwickelt hat, gehen die Forscher davon aus, dass professionell hergestellte CubeSats kommender Generationen länger durchhalten werden.

Die Vorteile beim Einsatz eines Ensembles aus mehreren Einzelinstrumenten sind neben der Kostensenkung die schnellere Durchmusterung des Himmels. Die Lagesteuerung und Ausrichtung der CubeSats soll mit so genannten Reaktionsrädern erfolgen, rotierenden Schwungmassen, die den Satelliten um seinen Schwerpunkt drehen können. Eine Simulation des Konzepts kommt zu dem Schluss, dass sich mit fünf Minisatelliten die Quote von 90 Prozent der 140-Meter-NEOs in drei Jahren erfüllen ließe. Auch mit vier Satelliten bräuchte man kaum länger.

"Wenn man mit sechs Satelliten startet und zwei versagen, ist die Mission in dreieinhalb Jahren erfüllt. Bei einem einzelnen 500-Millionen-Dollar-Instrument, das nach sechs Jahren ausfiele, müsste man ein neues, ebenso teures Projekt starten, um den Job zu Ende zu bringen", sagt Shao. Und sollte sich im Nachhinein herausstellen, dass man bei der ersten Runde CubeSats einen Schnitzer gemacht hat, wären sogar im All noch Updates möglich. Damit wäre das ganze Ensemble immer auf dem allerneuesten Stand der Technik.

19/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19/2015

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