Asteroideneinfang - Asteroid capture

Asteroid Capture ist eine orbitale Einfügung eines Asteroiden um einen größeren Planetenkörper. Wenn Asteroiden, kleine Gesteinskörper im Weltraum, eingefangen werden, werden sie zu natürlichen Satelliten . Alle Asteroiden, die bisher in die Umlaufbahn oder Atmosphäre der Erde eingetreten sind, waren natürliche Phänomene; US-Ingenieure haben jedoch an Methoden für telerobotische Raumfahrzeuge gearbeitet, um Asteroiden mit chemischem oder elektrischem Antrieb zu bergen. Diese beiden Arten des Einfangens von Asteroiden können als natürlich und künstlich eingeteilt werden.

  • Natürliches Einfangen von Asteroiden ist das ballistische Einfangen eines freien Asteroiden in eine Umlaufbahn um einen Körper wie einen Planeten aufgrund von Gravitationskräften.
  • Beim künstlichen Einfangen von Asteroiden wird absichtlich eine Kraft ausgeübt, um den Asteroiden in eine bestimmte Umlaufbahn zu bringen.

Die künstliche Asteroidengewinnung kann Wissenschaftlern und Ingenieuren Informationen über die Zusammensetzung von Asteroiden liefern, da bekannt ist, dass Asteroiden manchmal seltene Metalle wie Palladium und Platin enthalten. Zu den Versuchen, einen Asteroiden abzurufen, gehören die Asteroid Redirect Missions der NASA aus dem Jahr 2013. Diese Bemühungen wurden 2017 abgebrochen. Aber andere Asteroiden-bezogene Missionen funktionieren weiterhin wie die NASA OSIRIS-REx , die am 22. Oktober eine Probe eines erdnahen Asteroiden sammelte. 2020.

Natürliches Auftreten von Asteroideneinfang

Phobos und Deimos , aus betrachtet Neugier auf 1 2013 Eine Theorie für die Entstehung der beiden August Monde des Mars ist , dass Phobos und Deimos erfasst Asteroiden.

Ein Asteroideneinfang tritt auf, wenn ein Asteroid einen Planeten "verfehlt", wenn er auf ihn zufällt, aber nicht mehr genug Geschwindigkeit hat, um aus der Umlaufbahn des Planeten zu entkommen. In diesem Fall wird der Asteroid eingefangen und tritt in eine stabile Umlaufbahn um den Planeten ein, die nicht durch die Atmosphäre des Planeten verläuft. Asteroiden treffen jedoch gelegentlich einen Planeten. Es wird geschätzt, dass kleine Asteroiden alle 1.000 bis 10.000 Jahre die Erde treffen.

Die Größe und die physikalischen Eigenschaften einer Umlaufbahn hängen von der Masse des Planeten ab. Ein sich nähernder Asteroid wird fast immer auf einer hyperbolischen Flugbahn relativ zum Planeten in den Einflussbereich eines Planeten eintreten. Die kinetische Energie des Asteroiden, wenn er auf den Planeten trifft, ist zu groß, um durch die Schwerkraft des Planeten in eine begrenzte Umlaufbahn gebracht zu werden; seine kinetische Energie ist in Bezug auf den Planeten größer als seine absolute potentielle Energie, was bedeutet, dass seine Geschwindigkeit höher ist als die Fluchtgeschwindigkeit . Die Flugbahn eines Asteroiden kann jedoch durch eine andere Masse gestört werden, die seine kinetische Energie reduzieren könnte. Wenn dies die Geschwindigkeit des Asteroiden unter die lokale Fluchtgeschwindigkeit bringt, ändert sich seine Flugbahn von einer Hyperbel zu einer Ellipse und der Asteroid wird eingefangen. Wenn sich die Flugbahn im Laufe der Zeit ändert, können Asteroiden miteinander kollidieren. Angesichts der Tatsache, dass der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter etwa 1,9 Millionen Asteroiden enthält, schätzen Astronomen, dass Asteroiden von bescheidener Größe einmal im Jahr miteinander kollidieren. Der Aufprall der Kollision kann die Flugbahn eines Asteroiden verändern, und Asteroiden können in den Einflussbereich eines Planeten eindringen.

Technologie zum Einfangen von Asteroiden

Elektrischer Antrieb

Herkömmlicher chemischer Antrieb eignet sich hervorragend für eine Umgebung mit dichter Atmosphäre, aber elektrischer Antrieb hat eine überlegene Effizienz gegenüber chemischem Antrieb. Einer der wichtigsten elektrischen Antriebe, der Ionentriebwerk, hat einen Wirkungsgrad von 90 Prozent, während der Wirkungsgrad des chemischen Antriebs bei etwa 35 Prozent liegt. Im Weltraum gibt es keine Reibung zwischen der Umgebung und dem Raumfahrzeug. Um einen schweren Asteroiden zu bringen, ist ein extrem effizienter Motor wie ein elektrischer Antrieb erforderlich.

Roboterarme

Basierend auf der Asteroid Redirect Mission der NASA würde ein Satellit einen Felsbrocken ergreifen und in eine vorbestimmte Umlaufbahn zurückkehren. Roboterarme werden für verschiedene Zwecke verwendet, einschließlich des Greifens eines Felsbrockens. Canadarm 2 ist ein Beispiel für einen fortschrittlichen Roboterarm, der im Weltraum verwendet wird. Canadarm 2 hilft nicht nur beim Andocken von Frachtraumfahrzeugen an die Internationale Raumstation, sondern führt auch die Wartung der Station durch. Fortschritte bei Roboterarmen helfen beim künstlichen Einfangen von Asteroiden, um eine präzise Sammlung von Proben auf der Oberfläche des Asteroiden durchzuführen.

Vorbeiflug am Mond

Lunar Flyby kann auch verwendet werden, um einen Asteroiden einzufangen. Die Umlaufbahnen eines Asteroiden vor und nach dem Vorbeiflug am Mond haben unterschiedliche Jacobi-Konstanten. Wenn die Jacobi-Konstante seiner Umlaufbahn einen bestimmten Wert erreicht, wird der Asteroid eingefangen. Die Fangregionen verschiedener Jacobi-Konstanten vor dem Vorbeiflug können numerisch dargestellt werden, und diese Fangregionen können verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Asteroid von Mondvorbeiflügen eingefangen werden kann, was schließlich durch das Ephemeridenmodell validiert wird .

Motive für die Aufnahme

Planetenverteidigung

Künstliche Asteroideneinfang-Missionen können es Wissenschaftlern möglicherweise ermöglichen, in vielen Bereichen erhebliche Fortschritte in Bezug auf die planetare Verteidigung gegen erdnahe Objekte zu erzielen:

  1. Verankerung. Künstliche Asteroideneinfangmissionen werden die Entwicklung zuverlässigerer Verankerungsfähigkeiten ermöglichen, die dazu beitragen, dass Raumfahrzeuge besser an Asteroiden haften und so mehr Optionen für die Ablenkung erdnaher Objekte (NEO) bieten.
  2. Strukturelle Charakterisierung. Asteroid Capture Missions werden Ingenieuren helfen, die Fähigkeit zur strukturellen Charakterisierung zu verbessern. Eine der ausgereiftesten NEO-Ablenktechnologien ist Kinetic Impact, aber ihre Wirksamkeit ist aufgrund des Mangels an Wissen über den Zustand und die Struktur des NEO sehr unvorhersehbar. Wenn wir das Oberflächenmaterial und die Struktur von NEO besser charakterisieren können, können wir Kinetic Impact verwenden, um einen NEO mit größerer Sicherheit umzuleiten.
  3. Staub Umgebung. Wissenschaftler werden Erkenntnisse über die Staubumgebung von NEOs gewinnen und Kräfte besser verstehen, die Staubschweben und Absetzverhalten auslösen können. Dieses Wissen wird bei der Entwicklung einiger NEO-Umleitungsansätze helfen, wie z. B. Schwerkrafttraktor und konventioneller Raketenmotor.

Asteroidenressourcen

Der Asteroidenabbau ist ein wichtiger Grund, einen Asteroiden einzufangen. Ein relativ ressourcenarmer LL-Chondriten- Asteroid enthält 20 % Eisen sowie eine erhebliche Menge flüchtiger Stoffe in Form von Wasser, Mineralien und Sauerstoff. Obwohl es möglich ist, diese Ressourcen zurück zur Erde zu bringen, bedeuten die hohen Transportkosten und die Fülle der Ressourcen auf der Erde, dass das Hauptziel der Asteroidenbergung in naher Zukunft die sofortige Nutzung im Weltraum sein wird. Es wird erwartet, dass der Asteroidenabbau billiger ist als der Versand dieser Ressourcen von der Erde. Die NASA schätzt, dass die Beförderung von einem Kilogramm Masse auf eine hohe Mondumlaufbahn mit konventionellem chemischem Antrieb 100.000 US-Dollar kostet. Das würde 20 Milliarden Dollar kosten, um 500 Tonnen zu liefern. Eine Asteroid Capture Mission, die die gleiche Menge an Material in eine hohe Mondumlaufbahn liefert, würde idealerweise nur 2,6 Milliarden US-Dollar kosten.

Weitere Erkundungen

Künstliche Asteroideneinfangmissionen können Wissenschaftlern dabei helfen, Technologien zu entwickeln, die für die weitere Erforschung anderer Ziele im Weltraum potenziell nützlich sein können:

  1. Flugbahn und Navigation. Aus der Erfahrung beim Manövrieren einer großen Masse wie eines Asteroiden können Wissenschaftler Erkenntnisse darüber gewinnen, wie man in den Schwerefeldern verschiedener Himmelskörper navigiert. Künstliche Asteroideneinfangmissionen können auch dazu beitragen, die Fähigkeit zu perfektionieren, große Mengen an Ressourcen bereitzustellen, die für die weitere Weltraumforschung erforderlich sind.
  2. Probenentnahme- und Eindämmungstechniken. Künstliche Asteroideneinfangmissionen erfordern, dass wir Proben von Asteroiden erwerben. Dies kann bei der Entwicklung von Techniken zur Probensammlung und -eindämmung helfen, die für alle Arten von Weltraummissionen nützlich sein werden.
  3. Docking-Fähigkeit. Weitere Erkundungen des Weltraums werden viel robustere Andockfähigkeiten erfordern, um die Nutzung von Fahrzeugen, Lebensräumen und Frachtmodulen zu ermöglichen. Asteroid Capture Missions werden Ingenieuren helfen, diese Fähigkeiten zu verbessern.

Basis zum Wohnen

Wenn Wissenschaftler einen effizienten Weg finden, Ressourcen wie Wasser, Sauerstoff und Metall, die von eingefangenen Asteroiden gesammelt wurden, zu nutzen, haben diese Asteroiden auch das Potenzial, Basen für die menschliche Besiedlung zu werden. Die reichlich vorhandene Masse eines Asteroiden kann aufgrund seiner strahlungsabschirmenden Eigenschaften für einen Lebensraum wertvoll sein. Metalle und andere Materialien, die aus dem Asteroiden ausgegraben wurden, können sofort für den Bau des Habitats verwendet werden. Wenn der Asteroid groß genug ist, könnte er sogar eine gewisse Schwerkraft erzeugen, die für die menschliche Besiedlung vorzuziehen wäre.

Internationale Kooperation

Ein internationales Gremium kann alle Asteroidenbergungen und Studien zu gesammelten Materialien überwachen und eine ausgewogene, gerechte Verteilung der gefundenen Materialien gewährleisten. Nationen ohne ein teures nationales Weltraumprogramm können immer noch Forschung betreiben.

Versuche

NASA-Umleitungsmission

Das Ziel der NASA Redirect Mission ist es, ein Roboter-Raumschiff zu einem großen erdnahen Asteroiden zu schicken und dann einen tonnenschweren Felsbrocken von seiner Oberfläche zu sammeln. Die Astronauten würden Proben des Felsbrockens nehmen und sie für weitere wissenschaftliche Untersuchungen zur Erde zurückbringen, und schließlich werden sie ihn in eine Umlaufbahn um den Mond umleiten, damit er die Erde nicht trifft. Darüber hinaus würde die Interaktion mit den Asteroiden viele hilfreiche Daten über die innere Struktur des Asteroiden liefern und damit langjährige Fragen zum Material von Asteroiden lösen. Diese Mission integriert Roboter- und bemannte Raumfahrzeugoperationen und würde im Erfolgsfall die wichtigsten Fähigkeiten demonstrieren, die für die Reise der NASA zum Mars erforderlich sind. Die Weltraumrichtlinie 1 des Weißen Hauses hat die Mission jedoch am 11. Dezember 2017 abgesagt, um den steigenden Entwicklungskosten Rechnung zu tragen. Viele wichtige Entwicklungsfortschritte für diese Mission, wie der solarelektrische Antrieb, die Erkennung und Charakterisierung kleiner erdnaher Asteroiden und die Fähigkeit, große nicht kooperative Objekte im Weltraum zu erfassen, werden jedoch auch in Zukunft genutzt, weil sie sind für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen unverzichtbar.

OSIRIS-REx

Das Ziel von OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) wird von der NASA betrieben, um eine Probe eines erdnahen Asteroiden namens Bennu zu erhalten und mehr über die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems zu erfahren. Osiris-REx wurde am 8. September 2016 gestartet und erreichte am 3. Dezember 2018 die Nähe von Bennu. Am 20. Oktober 2020 erreichte es Bennu und sammelte erfolgreich eine Probe. Vor dem Sammelvorgang senkte sich das Raumfahrzeug langsam ab, um das Zünden der Triebwerke vor dem Kontakt zu minimieren und eine Kontamination der Asteroidenoberfläche zu vermeiden. Während des Sammelvorgangs wurde ein Stickstoffstoß freigesetzt, um Regolithpartikel, die kleiner als 2 cm sind, in den Probenkopf zu blasen. Der Vorgang dauerte nur 5 Sekunden, um eine mögliche Kollision mit dem Asteroiden zu vermeiden.

Verweise