Wie groß sind die Chancen sich vor Asteroiden des Tscheljabinsk Typs zu schützen?

Wenige Stunden bevor der vorher bekannte Asteroid 2012 DA14 an der Erde vorbeiflog schlug ganz unerwartet bei Tscheljabinsk ein Meteor ein, zerstörte 3.700 Gebäude und verletzte einige Hundert Menschen. Und sofort gibt es dann Anhörungen wie man sich davor schützen kann. Also Zeit dass wir uns das mal genauer anschauen.

Zuerst mal wovon sprechen wir? Die Untersuchungen gehen davon aus, dass es sich um einen Asteroiden mit etwa 17-20 m Größe handelt. Wikipedia gibt die Masse zu 10.000 t an, was für einen 20 m Körper vom Typ der Chrondriten sehr leicht wäre (Dichte 2,38. Chrondriten liegen meist zwischen 3 und 3,7). Bei 17 m passt es dann schon eher. Die Sprengkraft wird mit 100 bis 500 kt TNT-Äquivalent angegeben.

Der Asteroid ist damit in einer Größenklasse in der er nicht ganz den Erdboden erreicht. Je nach Einfallswinkel, Geschwindigkeit und vor allem Zusammensetzung zerfällt ein Asteroid unter 100 m Größe in der Atmosphäre. Auch dieser zerlegte sich in 25 bis 30 km Höhe. Damit ein Asteroid ganz den Erdboden erreicht, muss er eine gewisse Grenzgröße erreichen, etwa 50 m bei einem massiven Steinasteroid, bei Eisenasteroiden können sie auch kleiner sein. Aber die sind sehr selten.

Die erste Frage ist, wie kann man sich davor schützen?

Nun es gibt mehrere Möglichkeiten. Das naheliegende ist eine Atombombe. Da muss ich aber passen, denn ich kenne mich nicht damit aus. Die Druckwelle die auf der Erde eine Menge Zerstörung anrichtet fällt weg, denn es gibt keine Atmosphäre, aber alleine die Hitze wird ausreichen den Asteroiden zu pulverisieren. Selbst wenn damit die Bahn nicht verändert wird (was unwahrscheinlich ist) so hat man es mir mehr Bruchstücken zu tun die größere Chancen haben vollständig zu verglühen bevor sie den Erdboden erreichen.

Ich denke es gibt zwei „konventionelle“ Möglichkeiten sich zu schützen: Das eine ist es eine konventionelle Raketenstufe auf dem Asteroiden zu landen und diese dann zu zünden um entweder Kurs oder Geschwindigkeit zu verändern und das zweite ist es langfristig dies durch kleine Veränderungen (langsame Ablenkung) zu tun.

Nehmen wir das erste. Wir könnten z.B. mit einer Raumsonde eine PAM-D Oberstufe auf dem Asteroiden landen und sie zünden. Ein Star 48 Antrieb hat einen Gesamtimpuls von 5,8 Millionen Newton. Einen 10.000 t Asteroiden kann sie damit um 0,58 m/s beschleunigen. Es gibt nun zwei Möglichkeiten:

Wir verlangsamen ihn um 0,58 m/s. Da die Erde sich mit 29,8 km/s um die Sonne bewegt, würde es ausreichen, dass die Raumsonde um 437 s später den Passagepunkt erreicht und die Erde wäre um einen Erddurchmesser weiter links oder rechts. Wann muss dies erfolgen? Nun 0,58 m/s / 18000 m/s * 437 s = 13,56 Millionen Sekunden vor der Passage. Das sind 157 Tage. Die Berechnung ist stark vereinfacht, weil die Geschwindigkeit nicht konstant ist auf der anderen Seite muss auch eine Raumsonde erst mal den Asteroid erreichen und das dauert. So gesehen müsste man ihn auf jeden Fall vor dem Zeitpunkt von 157 Tagen entdecken und eine Abwehrmission starten.

Das zweite ist, dass wir ihn seitwärts ablenken. Das ist allerdings weitaus weniger effektiv. Hier müssten wir schon 25,8 Millionen Sekunden vorher eine Maßnahme starten. Das sind dann über 8 Jahre,

Das zweite ist eine sehr langsame Beschleunigung. Dies kann z.B. durch Ionentriebwerke erfolgen, aber auch den Strahlungsdruck des Lichts. Zuerst zum letzteren. Licht hat einen geringen Strahldruck von 4,5 N/km² bei ungerichteter Reflexion, wie sie durch Farbe erfolgt. Würden wir den ganzen Asteroiden weis streichen, so dass der Reflexionsgrad von 0,2 auf 0,7 ansteigt, dann würde jede Sekunde der Strahlungsdruck um 5.1×10-12 N beschleunigen. Das ist wenig. Doch wenn wir damit wie oben etwas später an der Erde vorbeifliegen wollen, müssen wir den Passagepunkt um 7866 km verschieben. Nach S=½ a*t² ist das allerdings erst nach 1,75 Milliarden Sekunden der Fall, also fast 56 Jahren – keine Alternative.

Eine zweite Möglichkeit wäre ein Ionenantrieb. Nehmen wir Raumsonden mit einem Ionenantrieb mit derselben Masse der PAM-D (etwa 2300 kg), wobei beim Einsatz modernster Solarzellen und des RIT-XT Triebwerks etwa 30 Triebwerke und 615 kg Treibstoff erforderlich, wären um in 70 Tagen den Asteroiden ausreichend zu verlangsamen. Das geht also deutlich schneller.

Beide Maßnahmen wären ausreichend wenn man ihn rechtzeitig vorher entdecken kann, und da kommt nun die Einschränkung. Wenn der Asteroid eine Umlaufbahn von der Erde bis in 350 Millionen km Entfernung hat, dann ist er 100 Tage vor der Entdeckung noch 60 Millionen km außerhalb und 257 Millionen km von der Erde entfernt. Er ist dann nur ein Objekt 29,6-ter Größe. (Albedo des Mars als Basis genommen) Zwar können Teleskope wie das VLT ein Objekt noch von 32.-ster Größe bei einer Belichtungszeit von 1 Stunde nachweisen, doch sie decken dann nur einen kleinen Teil des Himmels ab und eine systematische Durchmusterung ist so nicht möglich. PAM-STARRS, derzeit in aller Munde, weil ein Komet den man durch das Teleskop entdeckt nun seine erdnahe Passage hat (leider in Deutschland nicht oder nur schwer zu beobachten) soll in einigen Jahren alle größeren Objekte (>100 m Durchmesser erfassen). Es ist ein 1,8 m Teleskop, also für ein Großteleskop eher klein, für eine Durchmusterung eher groß. Doch für PAN-STARRS wäre selbst bei einer 1 Stundenbelichtung das Objekt zu lichtschwach. Es müsste dann eine Größenklasse größer sein und PAN-STARRS belichtet nicht eine Stunde lang, sonst würde man nicht die Durchmusterung schaffen. (Das Teleskop soll pro Nach 6000 Grad² schaffen, das läuft auf eine Belichtungszeit von etwa 3 Minuten hinaus)

Für so kleine Objekte braucht man eine Durchmusterung die schneller ist also den ganzen Himmel schneller absucht. Das kann man erreichen durch viel mehr Teleskope (wohl nicht finanzierbar oder zumindest nicht bis ein Meteorit über New York niedergeht) oder kleinere Teleskope mit einem größeren Gesichtsfeld. Das Atlas Projekt will mit kleinen Teleskopen (24 bis 50 cm Klasse, also das was im gehobenen Amateurbereich üblich ist) schneller den Himmel durchmustern – je kleiner das Teleskop, desto größer der Ausschnitt aber auch desto niedriger die Empfindlichkeit. ATLAS wird einen 100 m Brocken etwa 3 Monate vor dem Einschlag entdecken, unseren 10 m Asteroiden aber nur eine Woche vorher. Damit scheiden nicht nur die obigen Maßnahmen aus (außer der Atombombe), das wäre bei den heutigen Entscheidungsstrukturen auch schwer umsetzbar. Bis wir eine Rakete mit dem Atomsprengkopf gestartet haben, selbst wenn das Ding schon startbereit vorliegt vergeht viel mehr Zeit. Für das Ziel zwanzigmal mehr Zeit also ein Halbes Jahr zu haben braucht man zum einen 20-mal größere Teleskope (5 bis 10 m Klasse) und dann weil das Gesichtsfeld im Quadrat absinkt rund 400 mal mehr davon ….

Selbst dann würden wir nur nicht alle Asteroiden entdecken, denn was von der Sonne kommt, also am Tag einschlägt, kann kein Teleskop detektieren. Als Lösung wurde ja schon vorgeschlagen einen Satelliten in eine Umlaufbahn zwischen Erde und Sonne, z.b. in Venusentfernung zu schicken. Er müsste wie ATLAs mit vielen kleinen Teleskopen ausgestattet werden um den Raum zwischen Erde und Sonne dauerhaft abzusuchen.  Auch der Tscheljabinsk Einschlag war vond er Sorte, er schlug am Tag ein und wurde nicht vorher entdeckt. Die Rekonstruktion der Bahn erfolgte durch Bilder der Lichtspur wie z.B. von Meteosat 9.

Meine Meinung: Wir werden uns gegen solche Brocken kaum schützen können. Wir haben schon Probleme zehnmal größere Asteroiden zu entdecken bevor sie die Erde passiert haben (oftmals wurden sie erst danach erkannt). Das galt auch für 2012 DA4 dessen Passage vorhergesagt wurde – er wurde schon ein Jahr vorher entdeckt nachdem er die Erde damals in 2,6 Millionen km Entfernung passiert hatte.  Mit einer systematischen Durchmusterungen und mehr Observatorien wie PAN-STARRS werden wir vielleicht in überschaubarer Zeit fast alle Objekte >100 m entdecken. (Ausnahme: die auf sonnennahen Bahnen, die die Erdbahn nur berühren und so von uns aus gesehen immer nahe der Sonne sind) aber dei 10 m Brocken sind 100-mal lichtschwächer und dürften dieser Durchmusterung größtenteils entgehen (außer sie sind gerade in Erdnähe).

Was nun läuft ist eben politischer Aktionismus nichts mehr. Wenn aber ein weiteres Projekt wie PAN-STARRS herauskommt, das auch durchaus ernsthafte Forschung betreiben kann nützt es schon was.

8 thoughts on “Wie groß sind die Chancen sich vor Asteroiden des Tscheljabinsk Typs zu schützen?

  1. Hallo

    Schön berechnet.

    Aber das sich schützen ist ja nur das eine. Selbst wenn man nur ein paar Tage vorher weiss das sowas passiert kann man sich am Boden schützen. Wie ein Frühwarnsystem bei Erdbeben.

    Hätte man über Tscheljabinsk die Fenster geöffnet und hätte sich an einen geschützten Ort gestellt (Ohrschützer auf ;)) dann wäre viel weniger passiert.

  2. Einen Antrieb dort landen wäre nicht sinnvoll. Die Sonde würde erst beschleunigt, dann wieder abgebremmst um sie zu landen.
    Würde mann die gesamte Energie in die Beschleunigung stecken und mit hoher geschwindigkeit seitlich auftreffen, wäre die Ablenkung wesentlich größer wie wenn die Sonde samt Treibstoff fürs Ionentriebwerk gelandet werden müsste

  3. Die Atombomben-Lösung, um den Asteroiden zu „zerbröseln“, ist ziemlicher Unfug. Die Energie, die so in die Atmosphäre eingetragen wird, wird ja nicht reduziert, sondern nur weiträumiger verteilt. Statt einer Stadt trifft es dann viele.

    Was mit der Atombombe geht, ist, den Asteroiden abzulenken. Man zündet in einigen hundert Metern Entfernung, die Hitzewelle verdampft Material von der Oberfläche, und der Rückstoß lenkt den Asteroiden ab. Problem: Genaue Wirkung unbekannt. Bei kleineren Asteroiden wie den von Tscheljabinsk kann man es auch mit einem Impaktor versuchen. Der direkte Impulsübertrag ist natürlich gering, aber es wird vom Impaktor ebenfalls erheblich Material verdampft, und das bewirkt einen Rückstoß auf den Asteroiden.

    Beide Varianten – Atombombe wie Impaktor – haben aber den Nachteil, dass die genaue Impulsübertragung stark davon abhängt, was für Material sich an der Oberfläche befindet, und wie genau die Temperaturverteilung im vom nuklearen Blitz oder Impaktor aufgeheizten Material ist. Wird es nicht heiß genug, verdampft es nichts, und es passiert gar nichts. Wird es zu heiß, nimmt es viel Energie mit, erzeugt daraus aber nur wenig Impuls.

    Vorteile beim Impaktor sind natürlich, dass die Bahnenergie des Asteroiden mitgenutzt werden kann, evtl. sogar gravity assists anderer Planeten, die den Impaktor beschleunigen (wenn man genügend Zeit hat).

    Viel genauer berechenbar sind natürlich Missionen mit direktem Impulsübertrag. Da viele Asteroiden vom Typ „loser Geröllhaufen“ sind, ist es aber extrem schwer, darauf zu landen. Nutzt man Ionenantriebe, ist die sinnvollste Variante, die Gravitation zu nutzen, um den Impuls zu übertragen: Das Raumschiff fliegt einfach in einem gewissen Abstand, hier z.B. 100 Meter, vor dem Asteroiden her, und verwendet zwei Triebwerke, die in einem Winkel angeordnet sind, und an gegenüberliegenden Seiten des Asteroiden vorbeifeuern.

    Typische benötigte Zeiträume für ausreichende Kursänderungen liegen im Bereich von 10 Jahren, entsprechend benötigt man Vorwanzeiträume von 20 Jahren. Mit einem 5-Tonnen-Raumschiff lässt sich wohl selbst ein Asteroid von 100 oder 200 Metern Durchmesser erfolgreich ablenken, bei 300 Metern Abstand zum Kern. Verdoppelt sich der Abstand zum Kern, muss sich die Raumschiffmasse vervierfachen, damit die Gravitationswirkung auf jedes Teil des Asteroiden gleich bleibt. Also selbst bei einem Kilometer Abstand zum Asteroiden-Kern wären wir mit gut 50 Tonnen Masse des Abschlepp-Raumschiffs noch im Rahmen dessen, was mit heutiger Technologie halbwegs funktionieren sollte. Ggfls. startet das Traktor-Raumschiff in zwei Hälften (eine mit den Solar-Arrays und den Ionen-Triebwerken, eine mit dem großen Xenon-Tank) zu je 25 Tonnen. Die Abschlepp-Mission muss natürlich nur in den LEO starten, von da aus geht es dann mit dem eigenen, starken Ionenantrieb weiter.

    Die allermeisten NEOs (near earth objects), die zumindest zeitweise außerhalb der Erdbahn weilen, wird Gaia in den nächsten Jahren kartieren. So nebenbei werden von Gaia auch noch die Positionen von 1.000.000.000 Sternen vermessen (dreidimensional, inklusive der dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren), einige tausend Planeten entdecken, unzählige veränderliche Sterne, unzählige Novae und etliche Supernovae finden usw. usf.

    Kai

  4. Ich muss dich korrigieren: bei einem großen Brocken ist das Sprengen unsinnig, bei einem Asteroiden der wie dieser gerade noch über der Grenze ist wo er erst in der unteren Atmosphäre zerbröselt, würden kleinere Bruchstücke schon weit oben in der Atmosphäre verglühen ohne wie diese den Boden zu erreichen ist es durchaus sinnvoll. Weiterhin fliegen sie durch den Impuls weg, geschieht dies also in genügendem Abstand so erreicht nur ein Teil die Erde.

  5. Die Gaia-Sonde wird im Lagrangepunkt L2 positioniert, der Tscheljabinsk-Asteroid kam aber aus der anderen Richtung. Da wird man also nicht so schnell diejenigen finden, die die Erde aus Richtung der Sonne treffen können. D.h. man muss erst eine Weile beobachten, bevor man diejenigen entdeckt, deren Bahnen zwischen Asteroidengürtel und Venunsbahn pendeln.

    Ich hab neulich mal von einem Konzept gehört, das mit zwei Satelitten in den Lagrangepunkte L4 und L5 des Erde-Sonne-Systems arbeiten soll. Das sieht schon ziemlich interessant aus, wenn man es mal aufzeichnet. Gesetzt der Fall, die Kameras haben ein Blickfeld von 60° und halten die Erde immer in der Mitte. Dann können sie sich zum einen am Rand des Blickfeldes jeweils selbst sehen. Und zum anderen, kann man eine Bahn gleich in 3D vermessen, weil man die durchfligenden Asteroiden ja von zwei Seiten sieht. Und interessant, wenn auch nicht ganz so wichtig: im Falle einer unteren Konjunktion der Venus hat man diese für einen kurzen Zeitraum auch gleich mit im Bild.

  6. Dein Vorschlag hat leider das Problem, das eine Kamera mit 50 Grad Gesichtsfeld eine sehr kleine Optik hat, also nur sehr lichtstarke Objekte erkennen kann. Das sind diese Asteroiden aber gerade nicht. Selbst die im Artikel angesprochenen kleinen Teleskope haben typischerweise Gesichtsfelder von einigen Grad und sie könnten nur Asteroiden von der Größe von Tscheljabinsk eine Woche vor Erreichen der Erde entdecken

  7. Der Vorschlag stammt ja nicht von mir, sondern von jemand anderem. Lediglich das Gesichtsfeld von 60° war eine Überlegung von mir, aber wie das im Originalvorschlag aussieht, weis ich nicht. Dann hab ich an anderer Stelle gelesen, dass man diese Beobachtungen besser mit Infrarotkameras machen sollte, weil damit auch kleinere Objekte gesehen werden können, die im optischen Bereich nur noch schwer oder gar nicht mehr zu finden sind. Ob das stimmt, weis ich nicht wirklich, aber es klingt zumindest einleutend.

  8. EIn Impaktor hat ohne weiteres genug Energie um einen kleinen Asteroiden komplett aufzubrechen. Ein 2 Tonnen schwerer Impaktor hat bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 11km/s etwa soviel kinetische Energie wie 30 Tonnen TNT.

    Nur zum Vergleich: so sieht es aus, wenn ein 5,56mm Geschoss mit etwa 0,8 km/s auf eine Wassermelone trifft:

    https://www.youtube.com/watch?v=Y58sZbODZhk

    Der 2 Tonnen Impaktor hat etwa die 5-fache Energie einer „Grand Slam“ Bombe, die einen 40m breiten, 10m tiefen Bombentrichter hinterließ – ohne nennenswerte Gravitation und der 5-fachen Energie ist noch viel mehr möglich.

    Die Impulsübertragung durch den Impaktor ist hier völlig egal – der Impulserhaltungssatz zusammen mit dem Energieerhaltungssatz führt dazu, dass Teile des Asteroiden in alle Richtungen weg fliegen (wodurch der Gesamtimpuls aller Teile zusammen am Ende immernoch sehr klein ist, aber der Impuls der einzelnen Teile durchaus sehr hoch sein kann).

    Übrigens läßt sich bei den Kollisionsgeschwindgkeiten über die wir hier reden ohne weiteres eine Atombombe bauen, die erst durch den Aufprall gezündet wird und erst einige Meter im Inneren vollständig komprimiert wird und dort explodiert. Der Aufprall ist wesentlich schneller als jede Stoßwelle die durch chemische Sprengstoffe erzeugt werden kann – man kann also höhere Kompressionen in kürzerer Zeit erreichen und braucht wahrscheinlich nicht einmal „Waffenfähiges“ Material für diesen Zweck. Und das reicht dann auch für wesentlich größere Asteroiden.

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