211service.com
Dette rumfartøj er ved at blive klargjort til en envejsmission for at aflede en asteroide
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
I et rent rum i bygning 23 på Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, blev et rumfartøj kaldet DART spredt åbent som et brækket, kubisk æg. Et instrument kaldet en stjernesporer - som vil, når DART er i det dybe rum, konstatere, hvilken vej der er op - blev monteret til kernen sammen med batterier og en række andre sensorer. Avioniksystemet, DARTs centrale computer, var fremtrædende fastgjort til firkantede, præcisionsbearbejdede paneler, der vil danne siderne, når rumfartøjet er foldet sammen. Ledninger løb fra computeren til det radiosystem, som DART vil bruge til at kommunikere med Jorden. Gyroskoper og antenner blev blotlagt. I et rum ved siden af ventede et eksperimentelt thrustersystem kaldet NEXT-C på sin tur. Store bundter af tykke ranker pakket ind i sølvisolering hang ned fra rumfartøjet og løb langs gulvet til kontrolrummet, hvor de var forbundet til et tårnhøjt batteri af testbed-computere drevet af fire ingeniører.
Et ur over en af computerne viser, Days to DART Launch: 350:08:33.
Denne historie var en del af vores november 2020-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
DART – Double Asteroid Redirection Test – er designet til at styrte ind i en asteroide kaldet Dimorphos. Påvirkningen vil ændre Dimorphos' hastighed med omkring en millimeter i sekundet, eller en femhundrededel af en mile i timen. Selvom Dimorphos ikke er ved at kollidere med Jorden, er DART beregnet til at demonstrere evnen til at afbøje en asteroide som den er på vej vores vej, hvis man nogensinde skulle blive opdaget.
Siden en sovjetisk sonde kaldet Luna 1 blev det første rumfartøj, der undslap Jordens kredsløb den 2. januar 1959, har menneskeheden sendt omkring 250 sonder ind i solsystemet. DART er unik blandt dem. Det er den første, der sætter sig for ikke at studere solsystemet, men at ændre det.
I 1980 havde astronomer bestemt kredsløbene for omkring 10.000 asteroider, inklusive 51 jordnære asteroider (sammen med 44 jordnære kometer). I dag er tallene svulmet op: Minor Planet Center holder styr på omkring 800.000 asteroider i alt, hvoraf næsten 24.000 har baner, der bringer dem tæt på Jorden. Langt de fleste af disse er blevet opdaget siden 1998, hvor kongressen gav NASA 10 år til at identificere hvert jordnært objekt større end en kilometer (0,6 miles) i diameter. Takket være statistiske analyser mener astronomer, at de har fundet omkring 95 % af de store jordnære asteroider, den slags, der ville ødelægge civilisationen, hvis de ramte vores planet.
Lanceringens nedtællingsur på APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANJorden flytter afstanden af sin diameter hvert syvende minut. Hvis ankomsttiden på et indkommende objekt kan ændres med mere end ca. 10 minutter, vil det savne os. (Detaljerne afhænger selvfølgelig af den særlige bane; de ekstra tre minutter skal tage højde for effekten af Jordens tyngdekraft.)
Didymos er omkring en halv mil på tværs. Dimorphos er omkring 500 fod i diameter - på størrelse med et lille sportsstadion. Ingen ved endnu, hvordan det ser ud, fordi det er for lille og langt væk til detaljerede observationer fra teleskoper på eller nær Jorden. De to asteroider er omkring en halv mil fra hinanden; Dimorphos kredser om den større asteroide med en hastighed, der er langsommere end en persons gang.
I 2005 gav kongressen NASA nye ordrer til at katalogisere alle objekter nær Jorden over 140 meter (460 fod) i diameter - genstande, hvis indvirkning ville være katastrofal snarere end apokalyptisk. Det arbejde fortsætter, og i 2016 etablerede NASA Planetary Defense Coordination Office for at koordinere de utallige amerikanske og internationale agenturer, der ville blive mobiliseret, hvis et destruktivt objekt blev opdaget på vej mod os. DART er gruppens første mission.
Vi behøver ikke at være ofre for kosmos, siger Lindley Johnson, der leder kontoret. Hvis vi står over for den situation, ønsker vi ikke, at den første brug af asteroideafbøjning i den virkelige verden skal være en slags ting, der skal lykkes. DARTs mål er todelt: at bevise, at et rumfartøj med succes kan ramme en asteroide, og at måle virkningerne af kollisionen.
Tidligere forslag forestillede sig at bruge to køretøjer: et til at udføre sammenstødet og et andet, sendt på forhånd, for at se kollisionen og måle dens virkninger. Det virkede som den eneste mulighed, for med en asteroide, der rejser med 30 kilometer i sekundet, ville den millimeter-per-sekund-ændring i hastighed forårsaget af en kollision være meget vanskelig at måle ved hjælp af teleskoper baseret på eller nær Jorden. Men det var dyrt: op til 1 mia.
Så, i begyndelsen af 2011, havde Andy Cheng, chefforskeren, der studerede planetarisk forsvar ved Applied Physics Laboratory, en åbenbaring. I stedet for at sende to rumfartøjer, ville hans plan sende et enkelt fartøj til at styrte ind i en lille asteroide, der kredser om en større. Astronomer kunne så bruge et smart trick til at måle slagets kraft.
Hver 12. time går det rundt og rundt, altid det samme. Det, vi laver med DART, er at slå uret.'
Denne enklere mission ville kun koste omkring 250 millioner dollars - et relativt godt køb. Ændringen var afgørende for at få NASA til at godkende DART. Til sidst bidrog den italienske rumfartsorganisation med et rumfartøj i skoæskestørrelse kaldet LICIACube til piggyback på DART, som vil hjælpe med observationer uden at øge omkostningerne væsentligt.
Chengs mål, Dimorphos, blev opdaget i 2003 i kredsløb om en større asteroide. Efter opdagelsen fik den større krop navnet Didymos, det græske ord for tvilling. Dens måne fik sit navn i 2020. Set fra Jorden passerer dens bane nogle gange foran og bagved Didymos, hvilket delvist blokerer den større asteroide ved hver omdrejning. Ved hjælp af jordbaserede teleskoper kan man lave en meget præcis måling af kredsløbet ved at se på dykkene i lys, siger Cheng. En lignende teknik bruges til at identificere exoplaneter, der kredser om fjerne stjerner.
Dimorphos' kredsløb omkring Didymos er ligesom et tikkende ur, siger Tom Statler, DART-missionens programforsker ved NASAs hovedkvarter. Hver 12. time går det rundt og rundt, altid det samme. Det, vi laver med DART, er at slå uret. Alt, hvad astronomerne skal gøre, er at måle, hvor hurtigt uret tikker før sammenstødet, og derefter måle det igen bagefter. De forventer, at omløbsperioden vil ændre sig med omkring 10 minutter, eller en smule over 1%.
Dette er nok information til at give dem mulighed for at estimere det tal, de holder mest af: noget, der kaldes impulsoverførselseffektiviteten, der typisk henvises til med det græske bogstav β. Som navnet antyder, er det et mål for, hvor meget af rumfartøjets momentum, der overføres til asteroiden (i modsætning til f.eks. at banke stenstykker af den). Jo større β er, jo mere effektiv vil DART have været til at ændre Dimorphos' kurs.
Det er vigtigt at fastslå β, fordi for at beskytte mod asteroide-nedslag skal vi være i stand til at forudsige, hvor meget man vil rykke sig, når et rumfartøj rammer det. Som Cheng og medforfattere skrev i et papir fra 2020, er bestemmelsen af β fra DART-målinger og -modellering et kritisk vigtigt mål for planetarisk forsvarsvidenskab.
Et par antagelser vil gå ind i DART-teamets beregning af β. Groft sagt vil de estimere Dimorphos’ størrelse ved at analysere billeder, som DART og LICIACube vil tage. Dette tal, kombineret med et kvalificeret gæt på asteroidens tæthed, giver dem et skøn over dens masse. At antal, kombineret med observationer af ændringen i omløbsperiode, lader dem estimere β. (Der er, ja, en masse skøn involveret.)
NASAs Double Asteroid Redirection Test (DART) vil være den første rummission nogensinde designet til at teste planetarisk forsvarsteknologi. DART vil ændre Dimorphos' hastighed nok til at blive målt af jordbaserede teleskoper. (Illustration ikke skaleret.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLIntet af dette vil dog fortælle astronomerne, hvorfor β tog den særlige værdi for DART-Dimorphos-kollisionen. Asteroider er forskellige i størrelse og sammensætning. Der vides ikke meget om deres indre struktur. Ingen ved med sikkerhed, om DART vil lave et stort eller et lille krater. Vi forventer, at disse faktorer er afhængige af topografien af, hvor DART rammer, siger Andy Rivkin, der leder DART-videnskabsteamet med Cheng.
Med andre ord: Vil rumfartøjet ramme en bjergskråning eller flad jord? Vil der være kampesten? Hård eller blød rock? Grus? Smuds? Og som et resultat, hvor meget ejecta vil DART skabe? Hvilken retning vil udkastet gå, og hvor hurtigt? Ejecta, der flyver af sted i én retning, giver asteroiden et spark i den modsatte retning, så svaret påvirker den ultimative værdi af β.
Holdet planlægger at sammenligne de data, DART indsamler, med computersimuleringer af lignende påvirkninger. Dette vil sætte dem i stand til at forbedre deres modeller, så de bedre kan beregne, hvilken slags projektil der skal til for at afbøje en fremtidig asteroide på vej mod Jorden.
At bygge et rumfartøj er at teste et rumfartøj. Det er dyrt at komme til rummet; endnu mere målrettet mod en fjern asteroide. Tingene skal fungere første gang.
På en dag i august, hvor jeg besøgte APL, sad Rosanna Smith, DARTs fremdrivningstestleder, i kontrolrummet og overvågede test af rumfartøjets hydrazin-thrustere. Hver komponent var allerede blevet testet - mange gange - individuelt. Nu blev de testet igen, som dele af en helhed. DART blev tilsluttet testbed-computere, der forsynede den med data, hvilket fik disse komponenter til at opføre sig, som om de var i rummet. Thrusterne affyrede ikke, men rumfartøjets avionik reagerede, som om de havde gjort det. Hvis en anomali blev opdaget, forklarede Smith, ville ingeniørerne stoppe for at vurdere sonden. De klæder sig måske og går ind i det rene rum, fastgør et oscilloskop til rumfartøjet og ser, hvad der foregik.
Målet var at få data om DARTs baseline-præstation. I de kommende uger planlagde ingeniører at udsætte rumfartøjet for vibrationstests: ryste det voldsomt, fysisk tilnærme belastningerne fra opsendelses- og flyvemanøvrer for at se, hvad der om noget gik i stykker. De planlagde at placere rumfartøjet i et termisk vakuumkammer for at simulere rummet og køre det gennem varme og kolde cyklusser. Efter hver aktivitet udførte de dagens test igen og sammenlignede resultaterne med basislinjen for at se, hvad der gjorde og ikke ændrede sig.
Normalt kan der være et dusin mennesker i lokalet, der kører test. Men ligesom meget andet har DARTs monteringsprocedurer ændret sig som reaktion på pandemien. APL har installeret kameraer i hele anlægget. De, der arbejder hjemmefra, kan ringe ind for at se, hvad der sker. Deres stemmer kom frem fra højttalere, og ingeniørerne i lokalet reagerede afslappet, som om de talte med spøgelser.
Rejsen fra Jorden til Didymos tager 14 måneder. DART vil starte på en Falcon 9-raket fra Vandenberg Air Force Base på kysten af Californien, 130 miles nordvest for Los Angeles. Rumfartøjet vil lette mod syd og vil cirkle rundt om solen én gang, før det møder asteroiderne et par uger efter deres nærmeste nærme sig Jorden, når Didymos og Dimorphos vil være omkring 6,8 millioner miles væk, omkring 30 gange længere end månen. Banen blev designet til at minimere den energi, der kræves for at opsende DART, og for at time påvirkningen til en tæt tilgang, så jordbaserede teleskoper kan få deres bedst mulige kig på kollisionen.
Men først skal DART finde Didymos. Tredive dage før nedslaget vil rumfartøjet begynde at indsamle optiske navigationsbilleder, mens det nærmer sig tvillingeasteroiderne med næsten 15.000 miles i timen. Astronomer kender ikke asteroidernes kredsløb til den præcision, der er nødvendig for et forudprogrammeret nedslag, og det vil de stadig ikke, når et indbygget system kaldet SMART Nav tager over. Missionsplanen kræver, at DART ikke rammer mere end 50 fod fra det planlagte målpunkt, men til den tid vil usikkerheden om Didymos' kredsløb stadig være i tusindvis af fod, og for den meget mindre Dimorphos vil den være endnu større.
Fire timer ude tænder vi SMART Nav, og den identificerer Didymos og begynder at søge efter Dimorphos, som vi forsøger at ramme, siger Elena Adams, DART-missionens chefingeniør. Der er stråling i rummet og støj i detektoren, så algoritmerne sammenligner pixels i dens synsfelt. En time før påvirkningen bør softwaren lokalisere Dimorphos. Efter at den har fundet ud af den pixel, den vil have, og at den er på den rigtige placering, og at den giver mening, er det, når den skifter fra at målrette hovedasteroiden til at målrette sin måne, tilføjer hun.
Selvom astronomer kendte Dimorphos' position med total nøjagtighed, kunne DART ikke forprogrammeres til at udføre den nødvendige manøvre med tilstrækkelig præcision til at ramme den. Ingen thrustere er nogensinde perfekt justeret, og ingen thrusters ydeevne er nogensinde perfekt modelleret. For hver manøvre har et rumfartøj behov for opfølgende korrektionsmanøvrer for at tage højde for afvigelser. SMART Nav gør det selvstændigt. Desuden vil DART bruge sine thrustere til at holde peget i den rigtige retning; dette vil ændre sin bane med flere fod. Alle sådanne afvigelser vil løbende blive evalueret og rettet af SMART Nav i de sidste timer før påvirkning. For typiske rumfartøjsmanøvrer udført af mennesker tager det til sammenligning normalt timer eller dage at beregne og udføre dem og derefter vurdere ydeevnen for at designe en korrektion. Mens du foretager banejusteringer, holder SMART Nav rumfartøjets solarrays pegende mod solen, og højforstærkningsantennen peger mod Jorden, og sender billeder tilbage af Didymos og Dimorphos cirka hvert andet sekund. Når rumfartøjet nærmer sig asteroiden, vil hydrazin-thrusterne ofte skyde for at holde målet inden for kameraets snævre synsfelt.
SMART Nav vil stoppe med at udføre manøvrer omkring to minutter før nedslaget, og rumfartøjet vil glide ind i asteroiden. Vi opnår den påkrævede opløsning af nedslagsstedet omkring 20 sekunder før nedslaget og sender det sidste billede til Jorden inden for de sidste syv sekunder efter nedslaget, siger Adams. Og så – bom!
Kinetiske impactorer som DART er ikke den eneste måde at omdirigere en indkommende asteroide på. NASA har overvejet at detonere en atombombe nær en asteroide for at afbøje den. Dette frigiver meget mere energi til at skubbe asteroiden væk, men risikerer at fragmentere den i en masse mindre projektiler med uforudsigelige baner; nogle kan stadig ramme Jorden. Andre muligheder omfatter slæbebåde, som ville parre sig med en asteroide og skubbe den ud af kurs med langsom, stabil fremdrift eller tyngdekraftstraktorer, rumfartøjer, der ville flyve nær en asteroide og i løbet af år eller endda årtier langsomt trække den ud af sin kollision forløbet af deres egen tyngdekraft.
Begge disse alternativer er mere teknisk komplicerede end en kinetisk impactor som DART. Men DART tester også teknologier, der kan anvendes på efterfølgende rumfartøjer.
For eksempel vil den demonstrere den nye ion thruster, NEXT-C. Dette er ikke nødvendigt for DARTs mission, som primært vil stole på konventionelle kemiske raketter. Men ion-thrustere, som bruger elektricitet til at generere momentum, er meget mere effektive end deres kemiske modstykker. Med nogle få hundrede pund drivmiddel kan de opnå, hvad der ville tage titusindvis af pund kemisk brændstof som hydrazin. Kun to rumfartøjer – Deep Space One og Dawn – har brugt ion-thrustere i det dybe rum, og NEXT-C er omkring tre gange stærkere end dem på disse missioner.
For at generere elektriciteten til at drive NEXT-C vil DART også bruge en ny udrullelig solcelle, der er lettere end konventionelle foldesolpaneler. Ved at give vordende planetariske forsvarere flere baner at vælge imellem, vil sofistikerede fremdriftssystemer tillade stødlegemer at ramme indkommende asteroider ved højere hastigheder.
En gengivelse af DART-rumfartøjet med dets eksperimentelle NEXT-C-ionmotorfyring.
NASA/JOHN HOPKINS APLJo før man kan opdage en asteroide – eller et andet objekt, som en komet – der er på vej mod Jorden, jo lettere bliver det at gøre noget ved det. Næsten alle de asteroider, der kan udgøre en trussel på udryddelsesniveau for livet på Jorden, er allerede blevet fundet. Det er enorme klipper, der er flere kilometer i diameter, og ingen af de kendte truer menneskeheden foreløbig. (Chicxulub-nedslaget, der førte til udryddelsen af dinosaurerne, menes at have involveret et objekt i størrelsesordenen 10 miles i diameter.) Men astronomer har ikke fundet alle de mindre, men stadig farlige, asteroider - som meteoren, der eksploderede ovenfor Chelyabinsk, Rusland, i 2013, med kraften fra en mellemstor atombombe. Chelyabinsk-objektet var omkring 20 meter i diameter; dens strejke knuste vinduer i 200 kvadratkilometer midt om vinteren i et meget befolket område. Sytten hundrede mennesker blev såret, de fleste af glasskår.
For 40 år siden vidste vi ikke, om vi kunne blive udslettet af en kæmpe dræberasteroide en uge fra næste tirsdag. Den særlige risiko for uvidenhed er blevet trukket tilbage, siger Statler, DART-programmets videnskabsmand. Men objekter mindre end 500 fod, omtrent på størrelse med Dimorphos, er svære for nuværende observatorier, både jordbaserede og satellitbaserede, at få øje på. (En asteroide med en diameter på 500 fod ville ramme med nogenlunde nedslaget af den største atombombe i historien.) Lige nu, siger Statler, er måske en fjerdedel af det samlede antal potentielt farlige små objekter blevet identificeret. Hvis vi ikke ved, hvor de er, siger han, så har vi ikke evnen til at forudsige, hvornår en påvirkning kan forekomme, og hvornår vi måske skal lave en afbøjning.
En halv milliard-dollar Near-Earth Object Surveillance Mission, et orbitalt infrarødt teleskop, der finansieres af Planetary Defense Coordination Office, skal lanceres senere i dette årti, og det skulle hjælpe med at løse det problem. Fordi den observerer i infrarøde bølgelængder, vil den have en større evne end teleskoper med synligt lys til at se mod solen. Den vil være i stand til at opdage genstande, der er badet i sollys, og dermed ikke er synlige for jordbaserede teleskoper. Derudover vil Vera Rubin-observatoriet, et nyt teleskop, der bygges i Chile, søge efter farlige objekter ved hjælp af et 3.200 megapixel kamera, det største, der nogensinde er brugt i astronomi. Vores håb om yderligere 20 år er at sige: 'Ja, den risiko har vi også trukket os tilbage, og vi ved, hvilke vi skal holde øje med,' siger Statler.
Jo hurtigere et indkommende objekt bliver fundet, jo mindre kraftfuldt skal en menneskeligt designet slagkraft være for at udføre arbejdet. Hvis en farlig asteroide eller komet opdages i den 11. time, vil det tage meget mere energi at ændre dens kurs tilstrækkeligt.
LICIACube vil adskilles fra et rum på toppen af DART 10 dage før sammenstødet og installere sine egne små solpaneler. Da den lille cubesat hænger tilbage for at se, vil DART ramme Dimorphos.
Rumfartøjet vil sandsynligvis blive knust i meget små stykker, nogle forvandlet til pulver. De fleste af dens rester vil blive sprængt ud igen som ejecta, når krateret dannes. Det er muligt, at store strukturelle elementer kan overleve, selvom de vil blive begravet så dybt som 10 fod ind i asteroiden. LICIACube vil observere ejecta-fanen, når den kommer ud, og vil også fotografere Dimorphos' anden side, når den går forbi. Men det vil ikke have et middel til at bremse - LICIACube vil fortsætte med at køre forbi Dimorphos ind i rummets dybder.
Den Europæiske Rumorganisation planlægger en mission kaldet Hera, som er beregnet til at blive opsendt i 2024 og at besøge Dimorphos i begyndelsen af 2027 for at tage mere præcise målinger af dens masse, studere dens sammensætning og bestemme β med endnu større præcision. Hera vil bære to cubesats af sine egne, og vil rejse rundt i Didymos-Dimorphos-systemet i en planlagt tre til seks måneder og indsamle langt flere data.
Hvis alt går vel, vil DART forlade Jorden i slutningen af juli 2021. Den 30. september 2022 vil den ophøre med at eksistere – års indsats fra hundredvis af mennesker forvandlet til et skub, det første af en ny æra.