211service.com
Dit ruimtevaartuig wordt klaargemaakt voor een eenrichtingsmissie om een asteroïde af te buigen
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
In een cleanroom in gebouw 23 van het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, werd een ruimtevaartuig genaamd DART opengespreid als een gebroken, kubusvormig ei. Een instrument dat een star tracker wordt genoemd - dat, zodra DART zich in de diepe ruimte bevindt, zal bepalen welke kant omhoog is - werd op de kern gemonteerd, samen met batterijen en een verscheidenheid aan andere sensoren. Het avionica-systeem, de centrale computer van DART, was prominent bevestigd aan vierkante, nauwkeurig bewerkte panelen die de zijkanten zullen vormen, zodra het ruimtevaartuig is opgevouwen. Draden liepen van de computer naar het radiosysteem dat DART zal gebruiken om met de aarde te communiceren. Gyroscopen en antennes werden blootgelegd. In een kamer ernaast wachtte een experimenteel boegschroefsysteem genaamd NEXT-C op zijn beurt. Grote bundels dikke ranken gewikkeld in zilveren isolatie hingen aan het ruimtevaartuig en liepen over de vloer naar de controlekamer, waar ze verbonden waren met een torenhoge batterij testbedcomputers die werden bestuurd door vier ingenieurs.
Een klok boven een van de computers leest, Days to DART Launch: 350:08:33.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2020
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
DART - de Double Asteroid Redirection Test - is ontworpen om te crashen in een asteroïde genaamd Dimorphos. De impact zal de snelheid van Dimorphos met ongeveer één millimeter per seconde veranderen, of één vijfhonderdste van een mijl per uur. Hoewel Dimorphos niet op het punt staat om met de aarde in botsing te komen, is DART bedoeld om het vermogen te demonstreren om een asteroïde zoals deze af te buigen is onze kant op kwam, mocht er ooit een ontdekt worden.
Sinds een Sovjet-sonde genaamd Luna 1 het eerste ruimtevaartuig werd dat op 2 januari 1959 uit de baan van de aarde ontsnapte, heeft de mensheid ongeveer 250 sondes het zonnestelsel in gestuurd. DART is uniek onder hen. Het is de eerste die niet van plan is het zonnestelsel te bestuderen, maar het te veranderen.
In 1980 hadden astronomen de banen bepaald van ongeveer 10.000 asteroïden, waaronder 51 nabije-aarde-asteroïden (samen met 44 nabije-aardse kometen). Tegenwoordig zijn de aantallen gezwollen: het Minor Planet Center houdt in totaal ongeveer 800.000 asteroïden bij, waarvan bijna 24.000 banen hebben die hen dicht bij de aarde brengen. De overgrote meerderheid hiervan is ontdekt sinds 1998, toen het Congres NASA 10 jaar de tijd gaf om elk object in de buurt van de aarde met een diameter van meer dan een kilometer (0,6 mijl) te identificeren. Dankzij statistische analyses denken astronomen dat ze ongeveer 95% van de grote asteroïden in de buurt van de aarde hebben gevonden, het soort dat de beschaving zou vernietigen als ze onze planeet zouden raken.
De aftelklok van de lancering bij APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANDe aarde verplaatst elke zeven minuten de afstand van zijn diameter. Als de aankomsttijd van een binnenkomend object met meer dan ongeveer 10 minuten kan worden gewijzigd, zal het ons missen. (De details zijn natuurlijk afhankelijk van het specifieke traject; de extra drie minuten zijn om rekening te houden met het effect van de zwaartekracht van de aarde.)
Didymos is ongeveer een halve mijl in doorsnee. Dimorphos heeft een diameter van ongeveer 150 voet - ongeveer de grootte van een klein sportstadion. Niemand weet nog hoe het eruit ziet, omdat het te klein en te ver weg is voor gedetailleerde waarnemingen met telescopen op of nabij de aarde. De twee asteroïden liggen ongeveer een halve mijl uit elkaar; Dimorphos draait om de grotere asteroïde met een snelheid die langzamer is dan iemands wandeling.
In 2005 gaf het Congres NASA nieuwe orders om alle objecten in de buurt van de aarde met een diameter van meer dan 140 meter (460 voet) te catalogiseren - objecten waarvan de impact eerder catastrofaal dan apocalyptisch zou zijn. Dat werk gaat nog steeds door en in 2016 heeft NASA het Planetary Defense Coordination Office opgericht om de talloze Amerikaanse en internationale agentschappen te coördineren die zouden worden gemobiliseerd als er een destructief object op onze weg zou worden ontdekt. DART is de eerste missie van de groep.
We hoeven geen slachtoffers van de kosmos te zijn, zegt Lindley Johnson, hoofd van het kantoor. Als we met die situatie worden geconfronteerd, willen we niet dat het eerste echte gebruik van asteroïde-afbuiging een must-succes is. Het doel van DART is tweeledig: bewijzen dat een ruimtevaartuig met succes een asteroïde kan raken, en de effecten van de botsing meten.
Eerdere voorstellen voorzagen in het gebruik van twee voertuigen: een om de botsing te doen, en een andere, van tevoren verzonden, om de botsing te bekijken en de effecten ervan te meten. Het leek de enige optie, want met een asteroïde die met een snelheid van 30 kilometer per seconde reist, zou de snelheidsverandering van millimeters per seconde als gevolg van een botsing erg moeilijk te meten zijn met telescopen die op of in de buurt van de aarde zijn gebaseerd. Maar dit was duur: tot $ 1 miljard.
Begin 2011 kreeg Andy Cheng, de hoofdwetenschapper die planetaire verdediging bestudeert aan het Applied Physics Laboratory, een openbaring. In plaats van twee ruimtevaartuigen te sturen, zou zijn plan een enkel ruimtevaartuig laten neerstorten op een kleine asteroïde die in een baan om een grotere cirkelt. Astronomen zouden dan een slimme truc kunnen gebruiken om de kracht van de klap te meten.
Elke 12 uur gaat het rond en rond, altijd hetzelfde. Wat we doen met DART is de klok slaan.'
Deze eenvoudigere missie zou slechts ongeveer $ 250 miljoen kosten - een relatief koopje. De verandering was cruciaal om NASA ertoe te brengen DART goed te keuren. Uiteindelijk droeg de Italiaanse ruimtevaartorganisatie een ruimtevaartuig ter grootte van een schoenendoos, genaamd LICIACube, bij om mee te liften op DART, wat zal helpen bij observaties zonder de kosten enorm te verhogen.
Het doelwit van Cheng, Dimorphos, werd in 2003 ontdekt in een baan rond een grotere asteroïde. Na de ontdekking werd het grotere lichaam Didymos genoemd, het Griekse woord voor tweeling. De maan kreeg zijn naam in 2020. Zoals gezien vanaf de aarde, gaat zijn baan soms voor en achter Didymos, waardoor de grotere asteroïde bij elke omwenteling gedeeltelijk wordt geblokkeerd. Met telescopen op de grond kun je de baan heel precies meten door naar de lichtdalingen te kijken, zegt Cheng. Een vergelijkbare techniek wordt gebruikt om exoplaneten in een baan om verre sterren te identificeren.
De baan van Dimorphos rond Didymos is net een tikkende klok, zegt Tom Statler, programmawetenschapper van de DART-missie op het NASA-hoofdkwartier. Elke 12 uur gaat het rond en rond, altijd hetzelfde. Wat we doen met DART is de klok slaan. Het enige wat astronomen hoeven te doen, is meten hoe snel de klok tikt voor de impact, en het daarna opnieuw meten. Ze verwachten dat de omlooptijd met ongeveer 10 minuten zal veranderen, of iets meer dan 1%.
Dit is voldoende informatie om een schatting te maken van het cijfer waar ze het meest om geven: iets dat de efficiëntie van momentumoverdracht wordt genoemd, meestal aangeduid met de Griekse letter β. Zoals de naam al aangeeft, is het een maatstaf voor hoeveel van het momentum van het ruimtevaartuig wordt overgebracht naar de asteroïde (in tegenstelling tot, laten we zeggen, steenslag eraf slaan). Hoe groter β is, hoe effectiever DART zal zijn geweest bij het veranderen van de koers van Dimorphos.
Het bepalen van β is belangrijk omdat we, om ons te beschermen tegen inslagen van asteroïden, moeten kunnen voorspellen hoeveel iemand zal wijken wanneer een ruimtevaartuig het raakt. Zoals Cheng en co-auteurs in een paper uit 2020 schreven, is de bepaling van β uit DART-metingen en -modellering een uiterst belangrijke wetenschappelijke doelstelling voor planetaire verdediging.
Een paar aannames zullen in de berekening van β door het DART-team worden verwerkt. Grofweg zullen ze de grootte van Dimorphos schatten door foto's te analyseren die DART en LICIACube zullen maken. Dat aantal, gecombineerd met een weloverwogen schatting van de dichtheid van de asteroïde, geeft ze een schatting voor zijn massa. Dat getal, gecombineerd met waarnemingen van de verandering in de omlooptijd, laat ze β schatten. (Er is, ja, veel schattingen bij betrokken.)
NASA's Double Asteroid Redirection Test (DART) zal de allereerste ruimtemissie zijn die is ontworpen om planetaire verdedigingstechnologie te testen. DART zal de snelheid van Dimorphos voldoende veranderen om te worden gemeten door telescopen op aarde. (Illustratie niet op schaal.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLNiets van dit alles zal astronomen echter vertellen waarom β die specifieke waarde nam voor de DART-Dimorphos-botsing. Asteroïden zijn divers in grootte en samenstelling. Er is niet veel bekend over hun interne structuur. Niemand weet zeker of DART een grote of een kleine krater zal maken. We verwachten dat die factoren afhankelijk zijn van de topografie van waar DART toeslaat, zegt Andy Rivkin, die samen met Cheng het DART-wetenschappelijke team leidt.
Met andere woorden: zal het ruimtevaartuig een heuvel of vlakke grond raken? Zullen er rotsblokken zijn? Harde of zachte rock? Grind? Aarde? En als resultaat, hoeveel ejecta zal DART creëren? Welke kant gaat die ejecta op, en hoe snel? Ejecta die in één richting wegvliegt, geeft de asteroïde een schop in de tegenovergestelde richting, dus het antwoord beïnvloedt de uiteindelijke waarde van β.
Het team is van plan om de gegevens die DART verzamelt te vergelijken met computersimulaties van vergelijkbare effecten. Dit zal hen in staat stellen hun modellen te verbeteren, waardoor ze beter kunnen berekenen wat voor soort projectiel er nodig is om een toekomstige asteroïde die op weg is naar de aarde af te buigen.
Een ruimtevaartuig bouwen is een ruimtevaartuig testen. De ruimte bereiken is duur; nog meer gericht op een verre asteroïde. Dingen moeten de eerste keer werken.
Op een dag in augustus, toen ik APL bezocht, zat Rosanna Smith, de testleider van de voortstuwing van DART, in de controlekamer en hield toezicht op de tests van de hydrazine-stuwraketten van het ruimtevaartuig. Elk onderdeel was al - vele malen - afzonderlijk getest. Nu werden ze opnieuw getest, als onderdelen van een geheel. DART was aangesloten op testbedcomputers die het gegevens voedden, waardoor die componenten zich gedroegen alsof ze zich in de ruimte bevonden. De stuwraketten schoten niet, maar de avionica van het ruimtevaartuig reageerde alsof ze dat wel hadden gedaan. Als er een anomalie werd gedetecteerd, legde Smith uit, zouden de ingenieurs stoppen om de sonde te beoordelen. Ze passen zich misschien aan en gaan de cleanroom binnen, bevestigen een oscilloscoop aan het ruimtevaartuig en kijken wat er aan de hand is.
Het doel was om gegevens te krijgen over de baselineprestaties van DART. In de komende weken waren ingenieurs van plan om het ruimtevaartuig aan trillingstests te onderwerpen: het krachtig schudden, fysiek de stress van lancerings- en vluchtmanoeuvres benaderen, om te zien wat, als er iets kapot ging. Ze waren van plan het ruimtevaartuig in een thermische vacuümkamer te plaatsen om de ruimte te simuleren en het door warme en koude cycli te laten lopen. Na elke activiteit voerden ze de tests van de dag opnieuw uit en vergeleken de resultaten met de baseline om te zien wat er wel en niet veranderde.
Gewoonlijk zijn er misschien een dozijn mensen in de kamer die tests uitvoeren. Maar, net als veel andere dingen, zijn de montageprocedures van DART veranderd als reactie op de pandemie. APL heeft overal camera's geïnstalleerd. Thuiswerkenden kunnen inbellen om te zien wat er gebeurt. Hun stemmen kwamen uit bovengrondse luidsprekers en de technici in de kamer reageerden nonchalant, alsof ze tegen geesten praatten.
De reis van de aarde naar Didymos duurt 14 maanden. DART wordt gelanceerd op een Falcon 9-raket vanaf Vandenberg Air Force Base aan de kust van Californië, 130 mijl ten noordwesten van Los Angeles. Het ruimtevaartuig zal opstijgen naar het zuiden en zal eenmaal rond de zon cirkelen voordat het de asteroïden een paar weken na hun dichtste nadering van de aarde ontmoet, wanneer Didymos en Dimorphos ongeveer 11,8 miljoen mijl verwijderd zullen zijn, ongeveer 30 keer verder dan de maan. Het traject is ontworpen om de energie die nodig is om DART te lanceren te minimaliseren en om de impact te timen voor een nabije nadering, zodat telescopen op aarde hun best mogelijke zicht op de botsing kunnen krijgen.
Maar eerst moet DART Didymos vinden. Dertig dagen voor de inslag begint het ruimtevaartuig optische navigatiebeelden te verzamelen terwijl het de twee asteroïden nadert met bijna 25.000 mijl per uur. Astronomen kennen de banen van de asteroïden niet met de precisie die nodig is voor een voorgeprogrammeerde impact, en dat weten ze nog steeds niet wanneer een systeem aan boord genaamd SMART Nav het overneemt. Volgens het missieplan mag de DART niet meer dan 15 meter van het geplande doelwit raken, maar tegen die tijd zal de onzekerheid over de baan van Didymos nog steeds duizenden meters bedragen, en voor de veel kleinere Dimorphos zal het nog groter zijn.
Vier uur later zetten we SMART Nav aan en het identificeert Didymos en begint te zoeken naar Dimorphos, die we proberen te raken, zegt Elena Adams, de hoofdingenieur van de DART-missie. Er is straling in de ruimte en ruis in de detector, dus de algoritmen vergelijken pixels in zijn gezichtsveld. Een uur voor de botsing zou de software Dimorphos moeten lokaliseren. Nadat het de pixel heeft gevonden die het wil, en dat het zich op de juiste locatie bevindt en dat het logisch is, schakelt het over van het richten op de hoofdasteroïde naar het richten op zijn maan, voegt ze eraan toe.
Zelfs als astronomen de positie van Dimorphos met totale nauwkeurigheid zouden kennen, zou DART niet kunnen worden voorgeprogrammeerd om de vereiste manoeuvre met voldoende precisie uit te voeren om het te raken. Geen enkele boegschroef is ooit perfect uitgelijnd en geen enkele boegschroefprestatie is ooit perfect gemodelleerd. Voor elke manoeuvre heeft een ruimtevaartuig vervolgcorrectiemanoeuvres nodig om afwijkingen te verklaren. SMART Nav doet dat autonoom. Bovendien zal DART zijn stuwraketten gebruiken om in de goede richting te blijven wijzen; dit zal zijn traject met enkele meters veranderen. Al dergelijke afwijkingen worden continu geëvalueerd en gecorrigeerd door SMART Nav in de laatste uren voor de impact. Ter vergelijking: voor typische ruimtevaartuigmanoeuvres die door mensen worden uitgevoerd, duurt het gewoonlijk uren of dagen om ze te berekenen en uit te voeren, en vervolgens om de prestaties te beoordelen om een correctie te ontwerpen. Tijdens het aanpassen van de baan, houdt SMART Nav de zonnepanelen van het ruimtevaartuig op de zon gericht en de high-gain antenne op de aarde gericht, waarbij ongeveer elke twee seconden beelden van Didymos en Dimorphos worden teruggestuurd. Wanneer het ruimtevaartuig de asteroïde nadert, zullen de hydrazine-stuwraketten vaak vuren om het doelwit binnen het nauwe gezichtsveld van de camera te houden.
SMART Nav stopt ongeveer twee minuten voor de inslag met het uitvoeren van manoeuvres en het ruimtevaartuig zal in de asteroïde glijden. We bereiken de vereiste resolutie van de inslagplek ongeveer 20 seconden voor de inslag en sturen de laatste afbeelding binnen de laatste zeven seconden na de inslag naar de aarde, zegt Adams. En dan - boem!
Kinetische impactors zoals DART zijn niet de enige manier om een inkomende asteroïde om te leiden. NASA heeft overwogen een atoombom in de buurt van een asteroïde tot ontploffing te brengen om deze af te buigen. Hierdoor komt veel meer energie vrij om de asteroïde weg te duwen, maar het risico bestaat dat deze wordt gefragmenteerd in een groot aantal kleinere projectielen met onvoorspelbare banen; sommigen zouden nog steeds de aarde kunnen raken. Andere opties zijn onder meer sleepboten, die met een asteroïde zouden paren en deze uit koers zouden duwen met langzame, gestage stuwkracht of zwaartekrachttractoren, ruimtevaartuigen die in de buurt van een asteroïde zouden vliegen en deze in de loop van jaren of zelfs decennia langzaam van zijn botsing zouden trekken loop door de kracht van hun eigen zwaartekracht.
Beide alternatieven zijn technisch ingewikkelder dan een kinetische impactor zoals DART. Maar DART test ook technologieën die kunnen worden toegepast op volgende ruimtevaartuigen.
Het zal bijvoorbeeld de nieuwe ionenschroef, NEXT-C, demonstreren. Dit is niet nodig voor de missie van DART, die voornamelijk zal steunen op conventionele chemische raketten. Maar ionenmotoren, die elektriciteit gebruiken om momentum te genereren, zijn veel efficiënter dan hun chemische tegenhangers. Met een paar honderd pond drijfgas kunnen ze bereiken wat tienduizenden ponden chemische brandstof zoals hydrazine zou kosten. Slechts twee ruimtevaartuigen - Deep Space One en Dawn - hebben ionenmotoren in de verre ruimte gebruikt en NEXT-C is ongeveer drie keer krachtiger dan die op die missies.
Om de elektriciteit op te wekken om NEXT-C van stroom te voorzien, zal DART ook een nieuw afrolbaar zonnepaneel gebruiken dat lichter is dan conventionele opvouwbare zonnepanelen. Door potentiële planetaire verdedigers meer trajecten te geven om uit te kiezen, zouden geavanceerde voortstuwingssystemen botslichamen in staat stellen met hogere snelheden inkomende asteroïden te raken.
Een weergave van het DART-ruimtevaartuig, met zijn experimentele NEXT-C-ionenmotor.
NASA/JOHN HOPKINS APLHoe eerder men een asteroïde kan detecteren - of een ander object, zoals een komeet - die op weg is naar de aarde, hoe gemakkelijker het zal zijn om er iets aan te doen. Bijna alle asteroïden die een uitstervingsniveau voor het leven op aarde zouden kunnen vormen, zijn al gevonden. Dit zijn enorme rotsen met een diameter van enkele kilometers, en geen van de bekende zal de mensheid binnenkort bedreigen. (Er wordt gedacht dat bij de Chicxulub-inslag die leidde tot het uitsterven van de dinosauriërs een object in de orde van 10 mijl in diameter was betrokken.) Maar astronomen hebben niet alle kleinere, maar nog steeds gevaarlijke, asteroïden gevonden, zoals de meteoor die hierboven explodeerde Chelyabinsk, Rusland, in 2013, met de kracht van een middelgrote atoombom. Het Chelyabinsk-object had een diameter van ongeveer 20 meter; zijn staking brak ramen voor 200 vierkante mijl in het midden van de winter in een dichtbevolkt gebied. Zeventienhonderd mensen raakten gewond, voornamelijk door gebroken glas.
Veertig jaar geleden wisten we niet of we volgende week dinsdag zouden worden weggevaagd door een gigantische dodelijke asteroïde. Dat specifieke risico van onwetendheid is gestopt, zegt Statler, de wetenschapper van het DART-programma. Maar objecten die kleiner zijn dan 150 voet, ongeveer zo groot als Dimorphos, zijn moeilijk te zien voor huidige observatoria, zowel op het land als op satellieten. (Een asteroïde met een diameter van 500 voet zou inslaan met ongeveer de impact van de grootste atoombom in de geschiedenis.) Op dit moment, zegt Statler, is misschien een kwart van het totale aantal potentieel gevaarlijke kleine objecten geïdentificeerd. Als we niet weten waar ze zijn, zegt hij, kunnen we niet voorspellen wanneer er een impact kan optreden en wanneer we moeten afbuigen.
De Near-Earth Object Surveillance Mission van een half miljard dollar, een orbitale infraroodtelescoop die wordt gefinancierd door het Planetary Defense Coordination Office, zal later dit decennium worden gelanceerd en zou moeten helpen dat probleem op te lossen. Omdat het in infrarode golflengten waarneemt, zal het een groter vermogen hebben dan telescopen met zichtbaar licht om naar de zon te kijken. Het zal objecten kunnen detecteren die baden in zonlicht en dus niet zichtbaar zijn voor telescopen op de grond. Bovendien zal het Vera Rubin-observatorium, een nieuwe telescoop die in Chili wordt gebouwd, naar gevaarlijke objecten zoeken met behulp van een 3200-megapixelcamera, de grootste die ooit in de astronomie is gebruikt. Onze hoop over nog eens 20 jaar is om te zeggen: 'Ja, dat risico hebben we ook afgeschreven en we weten welke we in de gaten moeten houden', zegt Statler.
Hoe eerder een binnenkomend object wordt gevonden, hoe minder krachtig een door mensen ontworpen impactor hoeft te zijn om het werk te doen. Als op het 11e uur een gevaarlijke asteroïde of komeet wordt gesignaleerd, kost het veel meer energie om voldoende van koers te veranderen.
LICIACube zal 10 dagen voor de botsing scheiden van een compartiment bovenop DART en zijn eigen kleine zonnepanelen inzetten. Terwijl de kleine cubesat achterover hangt om te kijken, zal DART Dimorphos raken.
Het ruimtevaartuig zal waarschijnlijk in zeer kleine stukjes worden verbrijzeld, waarvan sommige in poeder zullen veranderen. De meeste van zijn overblijfselen zullen weer worden uitgestoten als ejecta wanneer de krater wordt gevormd. Het is mogelijk dat grote structurele leden overleven, hoewel ze tot 3 meter diep in de asteroïde zullen worden begraven. LICIACube zal de pluim van ejecta observeren wanneer deze naar buiten komt, en zal ook de andere kant van Dimorphos fotograferen terwijl deze voorbijgaat. Maar het zal geen middel hebben om te vertragen - LICIACube zal langs Dimorphos blijven razen naar de diepten van de ruimte.
De European Space Agency plant een missie genaamd Hera, die naar verwachting in 2024 wordt gelanceerd en begin 2027 Dimorphos opnieuw zal bezoeken om preciezere metingen van de massa te doen, de samenstelling ervan te bestuderen en β met nog grotere precisie te bepalen. Hera zal twee eigen kubussen bij zich hebben en zal gedurende een geplande drie tot zes maanden rond het Didymos-Dimorphos-systeem reizen om veel meer gegevens te verzamelen.
Als alles goed gaat, zal DART eind juli 2021 de aarde verlaten. Op 30 september 2022 zal het ophouden te bestaan - jarenlange inspanningen van honderden mensen omgezet in een duwtje, de eerste van een nieuw tijdperk.