Op 13 april, 2029, een ijzig stuk ruimterots, breder dan de Eiffeltoren hoog is, zal met 30 kilometer per seconde langs de aarde schieten, de aardbol van geostationaire satellieten grazen. Het zal de komende tien jaar de dichtste nadering zijn van een van de grootste asteroïden die de baan van de aarde doorkruist.

Waarnemingen van de asteroïde, bekend als 99942 Apophis, voor de Egyptische god van de chaos, heeft ooit gesuggereerd dat zijn vlucht in 2029 hem door een zwaartekrachtssleutelgat zou voeren - een locatie in het zwaartekrachtveld van de aarde die de baan van de asteroïde zo zou trekken dat bij zijn volgende vlucht, anno 2036, het zou waarschijnlijk een verwoestende impact hebben.

Dankbaar, recentere waarnemingen hebben bevestigd dat de asteroïde zowel in 2029 als in 2036 zonder incidenten langs de aarde zal slingeren. de meeste wetenschappers geloven dat het nooit te vroeg is om strategieën te overwegen voor het afbuigen van een asteroïde als men ooit op een spoedcursus met onze thuisplaneet zou zijn.

Nu hebben MIT-onderzoekers een raamwerk bedacht om te beslissen welk type missie het meest succesvol zou zijn in het afbuigen van een inkomende asteroïde. Hun beslissingsmethode houdt rekening met de massa en het momentum van een asteroïde, de nabijheid van een zwaartekrachtsleutelgat, en de hoeveelheid waarschuwingstijd die wetenschappers hebben voor een dreigende botsing - die allemaal een mate van onzekerheid hebben, waarmee de onderzoekers ook rekening houden om de meest succesvolle missie voor een bepaalde asteroïde te identificeren.

De onderzoekers pasten hun methode toe op Apophis, en Bennu, een andere nabije-aarde asteroïde die het doelwit is van OSIRIS-REx, een operationele NASA-missie die van plan is om in 2023 een monster van Bennu's oppervlaktemateriaal naar de aarde terug te brengen. REXIS, een instrument ontworpen en gebouwd door studenten aan het MIT, maakt ook deel uit van deze missie en het is haar taak om de overvloed aan chemische elementen aan de oppervlakte te karakteriseren.

In een artikel dat deze maand in het tijdschrift verschijnt Acta Astronautica , de onderzoekers gebruiken hun beslissingskaart om het type missie te bepalen dat waarschijnlijk het meeste succes zou hebben bij het afweren van Apophis en Bennu, in verschillende scenario's waarin de asteroïden naar een zwaartekrachtsleutelgat kunnen worden geleid. Ze zeggen dat de methode kan worden gebruikt om de optimale missieconfiguratie en campagne te ontwerpen om een ​​potentieel gevaarlijke asteroïde nabij de aarde af te buigen.

"Mensen hebben vooral strategieën overwogen om op het laatste moment af te wijken, wanneer de asteroïde al door een sleutelgat is gegaan en op weg is naar een botsing met de aarde, " zegt Sung Wook Paek, hoofdauteur van de studie en een voormalig afgestudeerde student aan het MIT's Department of Aeronautics and Astronautics. "Ik ben geïnteresseerd in het voorkomen van sleutelgatdoorgang ruim voor de inslag van de aarde. Het is als een preventieve aanval, met minder rommel."

Paeks co-auteurs aan het MIT zijn Olivier de Weck, Jeffrey Hofman, Richard Binzel, en David Miller.

Een planeetmoordenaar afweren

In 2007, NASA concludeerde in een rapport ingediend bij het Amerikaanse Congres dat in het geval dat een asteroïde op weg was naar de aarde, de meest effectieve manier om het af te buigen zou zijn om een ​​atoombom de ruimte in te lanceren. De kracht van zijn ontploffing zou de asteroïde wegblazen, hoewel de planeet dan te maken zou krijgen met nucleaire fall-out. Het gebruik van kernwapens om de impact van asteroïden te verminderen blijft een controversieel onderwerp in de planetaire verdedigingsgemeenschap.

De op één na beste optie was om een ​​"kinetisch botslichaam" op te sturen - een ruimtevaartuig, raket, of een ander projectiel dat, als het maar in de goede richting is gericht, met voldoende snelheid, moet botsen met de asteroïde, een fractie van zijn momentum overdragen, en draai het uit de koers.

"Het basisprincipe van de natuurkunde is een beetje zoals biljarten, ’ legt Paek uit.

Wil een kinetisch botslichaam succesvol zijn, echter, de Weck, een professor in de luchtvaart en ruimtevaart en technische systemen, zegt de eigenschappen van de asteroïde, zoals zijn massa, momentum, traject, en de samenstelling van het oppervlak moet "zo precies mogelijk" bekend zijn. Dat betekent dat, bij het ontwerpen van een afbuigingsmissie, wetenschappers en missiemanagers moeten rekening houden met onzekerheid.

"Maakt het uit of de kans op succes van een missie 99,9 procent is of slechts 90 procent? Als het gaat om het afweren van een potentiële planeetmoordenaar, je wed van wel, De Weck zegt. "Daarom moeten we slimmer zijn als we missies ontwerpen in functie van de mate van onzekerheid. Niemand heeft het probleem eerder op deze manier bekeken."

Een sleutelgat sluiten

Paek en zijn collega's ontwikkelden een simulatiecode om het type asteroïde-afbuigingsmissie te identificeren dat de beste kans op succes zou hebben, gegeven de reeks onzekere eigenschappen van een asteroïde.

De missies die ze overwogen, omvatten een basis kinetisch botslichaam, waarin een projectiel de ruimte in wordt geschoten om een ​​asteroïde uit zijn koers te duwen. Andere variaties waren het sturen van een verkenner om eerst de asteroïde te meten om de specificaties van een projectiel aan te scherpen dat later zou worden verzonden, of het sturen van twee verkenners, een om de asteroïde te meten en de andere om de asteroïde een beetje uit zijn koers te duwen voordat een groter projectiel wordt gelanceerd om de asteroïde de aarde met bijna zekerheid te laten missen.

De onderzoekers voerden specifieke variabelen in de simulatie in, zoals de massa van de asteroïde, momentum, en traject, evenals het bereik van onzekerheid in elk van deze variabelen. Het belangrijkste is, ze hielden rekening met de nabijheid van een asteroïde tot een zwaartekrachtsleutelgat, evenals de hoeveelheid tijd die wetenschappers hebben voordat een asteroïde door het sleutelgat gaat.

"Een sleutelgat is als een deur - als het eenmaal open is, de asteroïde zal kort daarna de aarde inslaan, met grote waarschijnlijkheid, ' zegt Paek.

De onderzoekers testten hun simulatie op Apophis en Bennu, twee van slechts een handvol asteroïden waarvan de locaties van hun zwaartekrachtssleutelgaten ten opzichte van de aarde bekend zijn. Ze simuleerden verschillende afstanden tussen elke asteroïde en hun respectievelijke sleutelgat, en ook voor elke afstand een "veilige haven"-regio berekend waar een asteroïde zou moeten worden afgebogen, zodat deze zowel een botsing met de aarde als een andere nabijgelegen sleutelgat zou vermijden.

Vervolgens evalueerden ze welke van de drie belangrijkste missietypes het meest succesvol zouden zijn in het afbuigen van de asteroïde naar een veilige haven, afhankelijk van de hoeveelheid tijd die wetenschappers nodig hebben om zich voor te bereiden.

Bijvoorbeeld, als Apophis over vijf jaar of langer door een sleutelgat gaat, dan is er genoeg tijd om twee verkenners te sturen - een om de afmetingen van de asteroïde te meten en de andere om hem bij wijze van test een beetje van de baan te duwen - voordat een hoofdbotslichaam wordt gestuurd. Als sleutelgatpassage binnen twee tot vijf jaar plaatsvindt, er kan tijd zijn om één verkenner te sturen om de asteroïde te meten en de parameters van een groter projectiel af te stemmen voordat het botslichaam omhoog wordt gestuurd om de asteroïde om te leiden. Als Apophis binnen een aards jaar of minder door zijn sleutelgat gaat, Paek zegt dat het misschien te laat is.

"Zelfs een hoofdinslaglichaam kan de asteroïde niet binnen dit tijdsbestek bereiken, ' zegt Paek.

Bennu is een soortgelijk geval, hoewel wetenschappers iets meer weten over de materiële samenstelling, wat betekent dat het misschien niet nodig is om onderzoeksverkenners te sturen voordat een projectiel wordt gelanceerd.

Met de nieuwe simulatietool van het team, Peak is van plan om het succes van andere afbuigingsmissies in de toekomst te schatten.

"In plaats van de grootte van een projectiel te veranderen, we kunnen misschien het aantal lanceringen veranderen en meerdere kleinere ruimtevaartuigen sturen om in botsing te komen met een asteroïde, een voor een. Of we kunnen projectielen lanceren vanaf de maan of ter ziele gegane satellieten gebruiken als kinetische impactoren, " zegt Paek. "We hebben een beslissingskaart gemaakt die kan helpen bij het prototypen van een missie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.