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FORSCHUNG/442: Achtung Einschlag - Wie lassen sich erdnahe Objekte abwehren? (Sterne und Weltraum)

Sterne und Weltraum 1/11 - Januar 2011
Zeitschrift für Astronomie

Achtung Einschlag!
Wie lassen sich erdnahe Objekte abwehren?

Von Christian Gritzner

Kometen und Asteroiden sind ein hochinteressantes Forschungsfeld, aber auch eine bislang eher unterschätzte Ursache für gewaltige Naturkatastrophen durch die Kollision dieser Objekte mit der Erde. Welche Möglichkeiten zur Abwendung eines solchen Ereignisses überhaupt bestehen, soll hier aufgezeigt werden.

In Kürze
-	Die Erde unterliegt einem stetigen Fluss von Himmelskörpern aus dem All. Die Frage ist nicht, ob es Einschläge von Asteroiden oder Kometen geben wird, sondern wann.
-	Im Gegensatz zu sonstigen Naturkatastrophen, die über die Menschheit hereinbrechen wie Erdbeben und Vulkanausbrüche, lassen sich Himmelskörper auf Kollisionskurs im Vorfeld von der Erde ablenken.
-	Je früher ein gefährliches Objekt entdeckt wird, desto effizienter lassen sich Gegenmaßnahmen treffen. Sie reichen von sanften Schubmanövern mit Raketenmotoren bis hin zum Beschuss mit Impaktoren.

Immer wieder sorgen Asteroiden für Schlagzeilen in den Medien, wenn ein Objekt entdeckt wurde, bei dem eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass es mit unserer Erde zusammenstoßen könnte. Schnell geistern dann Szenarien und wilde Vorstellungen dessen durch die Öffentlichkeit, was denn zu tun sei, wenn ein Himmelskörper wirklich Kurs auf den Blauen Planeten nimmt. In diesem Artikel möchte ich realistische Methoden zur Abwehr von Asteroiden behandeln.

Einschläge von Asteroiden und Kometen auf der Erde - und anderen Objekten des Sonnensystems - sind natürliche Vorgänge. Die Auswirkungen solcher Ereignisse, die man auch »Impakte« nennt, reichen vom Eindringen kleinster Staubteilchen in die Erdatmosphäre bis hin zu den selteneren Einschlägen größerer Körper mit der Bildung von Kratern auf der Erdoberfläche oder Tsunamis beim Einschlag im Meer.

Die Asteroiden und Kometen bildeten sich vor rund 4,6 Milliarden Jahren bei der Entstehung des Sonnensystems. Die meisten Asteroiden bestehen aus Gestein, sie können aber auch größere Anteile an Eisen und Nickel sowie an kohlenstoffhaltigen Verbindungen aufweisen. Die Mehrzahl von ihnen befindet sich im Asteroiden-Hauptgürtel zwischen den Planeten Mars und Jupiter. Andere wurden durch den Schwerkrafteinfluss der großen Planeten auf Bahnen gelenkt, die sie auch in das innere Sonnensystem führen.

Kometen bestehen hauptsächlich aus Wassereis, Gasen, gefrorenen leichtflüchtigen und Kohlenstoffverbindungen Staub. Sie entstanden weiter außerhalb im Bereich der Gasplaneten, wo tiefere Temperaturen vorherrschen. Von dort lenkten sie nahe Vorbeiflüge an den großen Planeten entweder in das innere Sonnensystem hinein oder schleuderten sie aus ihm heraus.

Das Gefährdungspotenzial durch Kleine Körper

In den letzten Jahrzehnten machte die Erforschung der so genannten Kleinen Körper große Fortschritte. Im Jahr 1980 stellte Luis Alvarez mit seinem Team die Theorie auf, dass das Artensterben vor 65 Millionen Jahren, dem auch die Dinosaurier zum Opfer fielen, höchstwahrscheinlich durch den Impakt eines rund zehn Kilometer großen Asteroiden ausgelöst wurde. Der dazu passende Chicxulub-Krater mit einem Durchmesser von 180 Kilometern wurde einige Jahre später entdeckt und liegt auf der Halbinsel Yucatan am Golf von Mexiko.

Im Sommer 1994 trat der - statistisch gesehen unwahrscheinliche - Fall eines ähnlichen Großimpakts ein, als Fragmente des drei Kilometer großen Kometen Shoemaker-Levy 9 nacheinander auf dem Planeten Jupiter aufschlugen und dabei insgesamt eine Energie entsprechend 300.000 Millionen Tonnen (Megatonnen, Mt) des Sprengstoffs Trinitrotoluol (TNT) freisetzten. Hätten die Kometentrümmer damals die Erde getroffen, so hätte dies eine globale Katastrophe ausgelöst. Die Wissenschaftsgemeinde sprach von einem großen Zufall, ein solch seltenes Ereignis beobachten zu können.

Entgegen allen Erwartungen ereignete sich aber am 19. Juli 2009 erneut ein Jupiterimpakt: Der australische Amateurastronom Anthony Wesley entdeckte einen ungewöhnlichen dunklen Fleck in der Jupiter-Atmosphäre, der sich nach weiteren Beobachtungen - auch im Infraroten - als Staubrest eines Impakts herausstellte. Der Durchmesser dieses Objekts, das vor dem Einschlag nicht bekannt war, wird auf etwas unter einem Kilometer geschätzt. Im Juni und August 2010 wurden die Feuerbälle von zwei weiteren kleineren Einschlägen auf Jupiter beobachtet.

Träfe ein solches Objekt die Erde, so wären die Folgen fatal, denn ab Durchmessern von etwa 750 Metern bis drei Kilometern und darüber stören Near Earth Objects (NEOs) Einschläge das Erdklima derart, dass es weltweit zu Missernten und Hungersnöten kommen kann - abgesehen von den direkten Folgen des Impakts. Grund dafür sind die enormen Mengen Staub und Wasserdampf die in die hohe Atmosphäre geschleudert werden und dort über längere Zeit die Sonneneinstrahlung reduzieren. Für einen solchen Fall muss mit vielen Millionen von Opfern gerechnet werden.

Doch auch kleine Einschläge stellen eine Gefahr dar. Am 30. Juni 1908 ereignete sich eine Explosion über den Weiten Sibiriens. Nach heutigem Wissensstand trat damals über der Steinigen Tunguska ein kleiner Asteroid oder Kometenkern mit einem Durchmesser von 30 bis 50 Metern und einer Geschwindigkeit von etwa 15 Kilometern pro Sekunde in die Erdatmosphäre ein. Durch die Abbremsung in den tieferen Atmosphärenschichten zerbarst er in einem riesigen Feuerball und setzte seine Bewegungsenergie in wenigen Sekunden frei, die etwa 10 bis 15 Megatonnen TNT entsprach. Die dabei entstandene Druckwelle zerstörte eine Waldfläche von mehr als 2200 Quadratkilometern, etwa die doppelte Fläche des Landes Berlin. Aufgrund der abgelegenen Lage wurde von nur zwei Todesopfern berichtet.

Der energiereichste Impakt der letzten Jahre ereignete sich am 8. Oktober 2009 über Indonesien, nahe der Stadt Bone auf der Insel Sulawesi. Ein etwa zehn Meter großer NEO explodierte in der Erdatmosphäre vermutlich in rund 10 bis 20 Kilometer Höhe. Die freigesetzte Energie betrug bis zu 50 Kilotonnen TNT - immerhin das Vierfache der Hiroshima-Atombombe. Über Schäden wurde nichts berichtet, die zahlreichen Augenzeugen kamen mit dem Schrecken davon.

Insgesamt fanden sich bislang nur rund 175 Impaktkrater auf der Erde. Die Gründe für diese recht kleine Zahl sind die Plattentektonik, die Erosion und anthropogene Aktivitäten, welche die meisten Krater rasch wieder verschwinden lassen (siehe SuW 6/2002, S. 34-44). Interessant ist dabei aber die Betrachtung des relativ nahen Mondes, dessen Krater fast alle von Impakten herrühren - Krater vulkanischen Ursprungs sind auf ihm selten. Aus der Zahl an Kratern einer gewissen Größe und eines bestimmten Alters lassen sich Kraterstatistiken erstellen, die Mittelwerte über Millionen von Jahren liefern. Die mittlere Einschlagrate lässt sich somit in etwa abschätzen - kommende Einschläge lassen sich damit natürlich nicht vorhersagen. Dies kann nur durch die Entdeckung der NEOs selbst und der Vorausberechnung ihrer Bahnen geschehen.

Eine weitere Unsicherheit ist der Anteil der Kometen an den Impakt-Ereignissen. Experten schätzen diesen auf maximal zehn Prozent aller Einschläge. Allerdings gibt es speziell bei den langperiodischen Kometen das Problem, dass die Vorwarnzeit zwischen ihrer Entdeckung in Jupiter-Entfernung und einem möglichen Einschlag auf der Erde sehr kurz ist. Je nach Bahnparametern und Entdeckungsentfernung liegt sie etwa im Bereich von einem halben bis zu zwei Jahren. Für eine Abwehrmaßnahme mit heutigen Mitteln reicht diese Zeit dann nicht aus.

Auf der Suche nach kleinen Körpern

Berechnungen aufgrund der bisherigen Beobachtungsergebnisse liefern die Anzahl der erdnahen Asteroiden. Daraus ergibt sich, dass es etwa zehn Millionen NEOs gibt, die größer als 30 Meter sind. Die Zahl der NEOs, die größer als 100 Meter sind, wird mit rund 300.000 beziffert. Darüber hinaus dürfte es etwa 1100 NEOs mit einer Größe von mindestens einem Kilometer geben.

Mit Stand vom 29. November 2010 sind bislang lediglich 7463 NEOs mit Durchmessern von wenigen Metern aufwärts bekannt. Die Zahl der potenziell gefährlichen Objekte (PHO - potentially hazardous object), die der Erde näher kommen als 7,5 Millionen Kilometer und die mehr als 140 Meter groß sind, beträgt derzeit 1162.

Bei der Definition der PHOs wählten die Forscher eine absolute visuelle Helligkeit von 22 mag als Grenzwert und eine minimale Entfernung der Objektbahn von der Erdbahn (Minimum Orbital Intersection Distance, MOID) von 0,05 Astronomischen Einheiten (AE). Daraus ergibt sich für typische Albedo-Werte ein Mindestdurchmesser von 140 Metern, wobei man bedenken muss, dass das Tunguska-Ereignis bereits von einem deutlich kleineren Objekt verursacht wurde. Daher empfiehlt sich eine Suche nach Objekten mit Durchmessern von 30 Metern und mehr, da diese bei einem Impakt nicht vollständig von der Erdatmosphäre abgefangen werden.

Kommende Einschläge lassen sich nur vorhersagen, indem man aus den Beobachtungsdaten der NEOs die zukünftigen Bahnen berechnet. Dafür reicht die Entdeckung allein aber noch nicht aus; es sind sehr viele Folgebeobachtungen erforderlich. Mit den heute gewonnenen optischen Beobachtungsdaten lässt sich für mehrere Jahrzehnte prognostizieren, ob ein NEO die Erde trifft oder verfehlt. NEOs, die in einem Abstand von mehreren Mondentfernungen oder weniger die Erde passieren, eignen sich auch gut für die Beobachtung mit Radarteleskopen. Dabei lassen sich sogar Oberflächenmerkmale von bis zu zehn Meter Größe erkennen. Zudem ergibt sich aus den Radardaten sehr exakt die radiale Geschwindigkeitskomponente. Kombiniert man die optischen Daten mit den Radar-Daten, so lässt sich der Vorhersagezeitraum auf bis zu 100 Jahre ausdehnen. Da es nicht viele dedizierte Suchteleskope gibt und sich die Suchprogramme oft nicht kontinuierlich betreiben lassen, gibt es derzeit kein lückenloses NEO-Frühwarnsystem. Dies zeigte sich am 7. Oktober 2008 auch beim ersten Einschlag eines NEOs, den man bislang vorhersagen konnte. Allerdings betrug die Vorwarnzeit zwischen Entdeckung und Impakt nur knapp 20 Stunden, so dass eine Abwehr- oder Evakuierungsmaßnahme nicht funktioniert hätte. Glücklicherweise war das Objekt 2008 TC₃ nur etwa drei Meter groß, so dass zwar einige Meteoriten den Erdboden erreichten, aber in der Wüste des Sudan keinen Schaden anrichteten (siehe SuW 5/2009, S. 18-20).

Es wurden bislang einige Suchprogramme initiiert - meist auf Initiative weniger Wissenschaftler hin - und aufgrund fehlender Finanzmittel oft auch wieder eingestellt. Die meisten Suchprogramme laufen in den USA. Ein hoffnungsvolles Beispiel ist das Projekt PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System). Im Jahr 2006 wurde das erste Teleskop, der Prototyp PS1, auf dem Vulkan Haleakala auf der Insel Maui, Hawaii, fertiggestellt und getestet. Seit März 2009 ist PS1 in Betrieb. Am 16. September 2010 entdeckte PS1 sein erstes PHO (»2010 ST3«). Der Bau des baugleichen PS2 geht voran. PS2 soll 2012 auch auf dem Haleakala in Betrieb gehen. Eine spezielle Software ermöglicht es, bewegte Objekte wie NEOs zu erkennen und zu vermessen. Die Grenzhelligkeit beträgt 22,7 mag bei einer Belichtungsdauer von 30 Sekunden. Eine Gruppe aus vier parallel arbeitenden Spiegelteleskopen (PS4) ist derzeit in der Planung. Es soll anstelle eines bestehenden Teleskops auf dem Mauna Kea auf der Nachbarinsel Hawaii errichtet werden, nachdem PS2 fertiggestellt ist.

Die NEO-Suche mit Satelliten hätte den Vorteil, dass sich damit bis auf etwa 15 Grad an die Sonne heran auch den Bereich innerhalb der Erdbahn absuchen lassen, was mit bodengebundenen Teleskopen wegen des hellen Taghimmels nicht möglich ist. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geplante Satellitenmission AsteroidFinder soll dies in einigen Jahren erproben und von einem erdnahem Orbit aus nach Asteroiden suchen. Am günstigsten wäre für eine Suchmission eine Kreisbahn um die Sonne etwa in Venus-Entfernung, da sich von dort aus alle NEOs optimal beleuchtet beobachten ließen. Der finanzielle Aufwand dafür wäre aber weit höher als bei bodengebundenen Teleskopen oder Erdsatelliten und die Lebensdauer wäre auf wenige Jahre begrenzt. Bei irdischen Systemen lässt sich zudem laufend die Leistung erhöhen, indem die neueste verfügbare (Sensor-)Technologie eingebaut wird - bei Satellitenmissionen ist ein solches Update kaum möglich und wenn - wie beim Weltraumteleskop Hubble - sehr aufwändig.

Wie lassen sich Einschläge vermeiden?

- Evakuierung: Prinzipiell ist es denkbar, bei NEOs, die kleiner als etwa ein Kilometer sind, einen Einschlag auf der Erde zu tolerieren. Man müsste dann rechtzeitig eine Evakuierung des Einschlaggebiets vornehmen, denn die Folgen wären ja nicht von globalem Ausmaß. Allerdings lassen sich wegen der vorhandenen Messungenauigkeiten der exakte Einschlagort und -zeitpunkt erst wenige Wochen vor dem Impakt ausreichend genau berechnen. Ob diese Zeit für eine Evakuierung aller Einwohner ausreicht, ist fraglich. Ferner ließen sich mobile Güter nur in begrenztem Umfang aus dem Einschlaggebiet entfernen. Alle immobilen Objekte, wie historische Gebäude und moderne Infrastruktur, wären auf jeden Fall unwiederbringlich verloren.

- Abwehrsysteme: Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten einen NEO-Impakt zu vermeiden: Man kann entweder das Objekt zerstören oder es auf eine ungefährliche Bahn umlenken. Weil eine Zerstörung eines NEO wiederum gefährliche Trümmer erzeugen kann, kommt diese Möglichkeit nur für kleine NEOs unter etwa 100 Meter Durchmesser in Betracht. Nur dann lässt sich hinreichend sicherstellen, dass alle Trümmer deutlich kleiner als 20 bis 30 Meter sind und somit weitgehend in der Erdatmosphäre verglühen. Neben einer Sprengung wäre auch eine Erhöhung der Rotationsrate durch ein Antriebssystem denkbar. Bei nicht massiven Objekten würde die Zentrifugalkraft bald die schwache Eigengravitation übertreffen und der NEO würde zerrissen werden. Wie effektiv dieses System allerdings funktionieren könnte, muss noch eingehend untersucht werden. Für eine Bahnänderung muss ein Abwehrsystem eine Geschwindigkeitsänderung des NEOs bewirken, die in Richtung und Betrag dem jeweiligen Fall angepasst sein muss.

Ein essentieller Faktor bei der Abwehrplanung ist die zur Verfügung stehende Zeit: Um ein Abwehrsystem zu entwickeln, zu bauen und zu testen, wird man sicher viele Jahre benötigen. Die Erfahrung aus bisherigen vergleichbaren Raumfahrtprojekten lehrt, dass hierfür je nach Komplexität der Mission drei bis zehn Jahre anzusetzen sind. Danach muss das Raumfluggerät starten und zum Ziel fliegen. Die Flugzeit kann je nach Bahnkonstellation zwischen einigen Wochen und mehreren Jahren liegen. Dann wird das Abwehrsystem in Betrieb genommen, was je nach Systemkonzept zwischen einigen Minuten und einigen Jahren dauern kann. Und anschließend folgt die Freiflugphase (englisch: cruise phase), in der das Zielobjekt von seiner ursprünglichen Bahn wegdriftet. Je länger die Freiflugphase dauern kann, desto weniger Energie muss vorher auf das Zielobjekt übertragen werden, um eine gewisse Vorbeiflugentfernung zu erreichen. Die minimale Vorwarnzeit sollte aus diesen Erwägungen heraus mindestens fünf Jahre, besser deutlich mehr als zehn Jahre betragen.

Ein Sonderfall ist dann gegeben, wenn der NEO vor seinem vorhergesehenen Einschlag noch einen nahen Vorbeiflug an der Erde oder einem anderen Himmelskörper vollführt. Dann lässt sich mittels eines relativ kleinen Impulses vor diesem Vorbeiflug eine größere Bahnänderung danach bewirken. Bedingung hierfür ist aber, dass die NEO-Bahn sehr genau bekannt ist. Man kann für den nahen Vorbeiflug so genannte Keyholes berechnen, also Bereiche im Raum, die den NEO nach dem Vorbeiflug auf eine zukünftige Kollisionsbahn führen, wenn er hindurchfliegt. Diese Bereiche sind meist nur wenige 100 Meter groß und die Geschwindigkeitsänderung, um sie zu verfehlen, ist bei entsprechendem zeitlichen Vorlauf sehr gering.

Dies wurde für den Asteroiden (99942) Apophis berechnet, und ein Team um den früheren Apollo-9-Astronauten Russell »Rusty« Schweickart schlug dafür das so genannte Gravitational Tractor (GT) System vor. Das Abwehrsystem wird vom NEO angezogen und gleicht dies durch Ionenantriebe mit geringer Schubkraft aus, deren Strahlen sich am NEO vorbei bewegen. Der NEO wird somit von seiner Ursprungsbahn weggezogen. Der Vorteil ist, dass beide sich nicht berühren und die Rotation des NEOs das Manöver nicht stört. Der Nachteil ist, dass die Betriebsdauer viele Monate bis Jahre betragen muss. Auch müssen die Betreiber sicher stellen, dass der NEO dadurch nicht bei einem späteren Vorbeiflug an der Erde durch ein anderes Keyhole gelenkt wird.

Eine Variante dieses Systems besteht in einem Transponder Gravitational Tractor System (t-GT). Diese Raumsonde mit einem Transponder flöge zur exakten Bahnbestimmung und -verfolgung frühzeitig zum NEO und arbeitet dort wie eine Funkboje. Die Abwehrmaßnahme würde je nach Anforderung beispielsweise mittels eines Impaktors erfolgen. Mit dem t-GT-System ließe sich danach die neue Bahn hochgenau bestimmen und es könnte dann für eine kleine zusätzliche Kurskorrektur nach dem Prinzip des GT zum Einsatz kommen.

Für den Fall, dass vor einem Einschlag kein Erdvorbeiflug stattfindet, sind verschiedene Abwehrsysteme denkbar, die einen deutlich höheren Impuls liefern müssen. Mittelfristig lassen sich aber nur die vier folgenden Abwehrkonzepte realisieren: chemische Raketenantriebe, Impaktoren, Nuklearsprengsätze und Sonnenspiegel.

Ein chemisches Raketenantriebssystem mit festen oder flüssigen Treibstoffen, wie es in heutigen Trägerraketen eingesetzt wird, ließe sich prinzipiell nutzen. Ein Vorteil dieser erprobten Technologie ist, dass der Impuls in wenigen Minuten Brenndauer übertragen wird. Dies ist langsam genug, um ein Zerbrechen des NEO zu vermeiden. Es ist aber auch deutlich schneller als bei Spiegelsystemen oder Ionenantrieben, die Monate bis Jahre in Betrieb sein müssen. Allerdings müsste man je nach Missionsszenario viele tausend Tonnen Treibstoff zum NEO transportieren, was mit heutigen Trägersystemen nicht möglich ist. Wegen ihrer dadurch begrenzten Leistung eignen sich diese Systeme nur für kleinere NEOs bis wenige hundert Meter Durchmesser bei einer jahrelangen Vorlaufzeit oder bei einem minimalen Antriebsbedarf für das Vorbeilenken an einem Keyhole.

Mit nuklear-thermischen Antrieben ließe sich eine Leistungssteigerung gegenüber den chemischen Antrieben erzielen. Hierbei wird Wasserstoff über einen Reaktorkern geleitet und stark erhitzt und strömt dann mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einer Triebwerksdüse. Solche Systeme wurden bereits Ende der 1960er Jahre getestet. Die Entwicklung wurde nach wenigen Jahren aufgrund des problematischen Umgangs mit den radioaktiven Stoffen und dem nur doppelt so hohen spezifischen Impuls gegenüber chemischen Antrieben wieder eingestellt. Daher wäre auch eine Anwendung für NEO-Abwehrmissionen nicht sinnvoll.

Impaktor-Abwehrsysteme sind für Abwehrmissionen aus mehreren Gründen besser geeignet. Sie bestehen einfach aus einem Geschoss, das mit hoher Geschwindigkeit den NEO trifft und dabei einen Krater formt, und daher nicht weich landen muss, wie konventionelle Antriebssysteme. Dies demonstrierte erstmals am 4. Juli 2005 die US-Raumsonde »Deep Impact«. Das dabei weggeschleuderte Material erzeugt einen Impuls in die Gegenrichtung. Auch lässt sich je nach Bahnkonstellation im Vergleich mit einem Raketenantriebssystem ein bis zu hundertfach höherer Impuls bei gleicher Systemmasse auf das NEO übertragen. Dieses Abwehrsystem wäre in einem Ernstfall am schnellsten verfügbar, denn als Impaktor kann auch gleich eine kom plette Raumsonde verwendet werden.

Nuklearsprengsätze lassen sich sowohl in einer gewissen Entfernung vom NEO als auch auf oder unter seiner Oberfläche zünden. Bei gleichen Randbedingungen bringt ein nuklearer Sprengsatz theoretisch einen bis zu 100.000-fach höheren Impuls auf den NEO auf als ein Raketenantriebssystem. Nach Aussage von David Dearborn, Mitarbeiter der Lawrence Livermore National Laboratories in den USA, eignen sich hierfür Neutronenbomben am besten. Diese sind bereits vorhanden - es wären also keine Neuentwicklungen oder weitere Atomwaffentests nötig.

Neuere Analysen zeigen, dass ein aus einem Stück bestehender NEO bei einem solchen Impaktor-Einschlag oder einer Nuklearexplosion in Fragmente zerbrechen könnte, während ein »fliegender Geröllhaufen« (englisch: rubble pile), wie der nur 500 Meter große Asteroid (25143) Itokawa, den Impuls teilweise wie ein Sandsack schlucken und seine Bahn entsprechend weniger stark ändern würde. Dieses Problem des Zerbrechens ließe sich dadurch umgehen, dass man viele kleine Impaktoren oder Sprengsätze einsetzt, statt eines großen. Ob und in welchem Umfang dies funktionieren würde, muss im Einzelfall untersucht werden.

Eine Alternative zu diesen Systemen könnte ein aus Folien bestehendes Spiegelsystem sein, ein Vorschlag von Jay Melosh und Ivan Nemchinov aus dem Jahr 1993: Es würde in der Nähe des NEOs stationiert und fokussiert Sonnenstrahlung auf die Oberfläche des NEO. Dadurch ergibt sich dort auf einer kleinen Fläche eine so hohe Temperatur, dass das Oberflächenmaterial verdampft und dabei wie ein Raketenmotor einen Schub erzeugt. Der absolute Schub wäre zwar gering, jedoch würde der Gesamtimpuls bei einer Betriebsdauer von mehreren Monaten ausreichen, um das Objekt nach einigen Jahren Freiflugphase in genügender Entfernung an der Erde vorbei driften zu lassen. Auch wäre das System unabhängig von der Rotation des NEOs. Problematisch ist jedoch die Anpassung der Fokussierung auf ein unregelmäßig geformtes Objekt und die anzunehmende Verschmutzung der Spiegeloberfläche durch den bei der Verdampfung erzeugten Staub in relativ kurzer Zeit. Zur Vermeidung der Spiegelverschmutzung sind einige technische Möglichkeiten angedacht worden, allerdings wird dadurch das System noch komplexer.

Gegenwärtig untersucht ein Team um Massimiliano Vasile an der University of Glasgow ein ähnliches Konzept, wobei konzentrierte Solarstrahlung einen Laser betreibt, der dann Asteroidenmaterial verdampfen soll. Der entscheidende Vorteil gegenüber dem Sonnenspiegel ist die optimale Fokussierbarkeit des Lasers. Auch wird ein Schwarm mehrerer relativ kleiner Systeme in Erwägung gezogen, um einerseits mit heutigen Trägersystemen starten zu können und andererseits das Ausfall-Risiko zu minimieren. Doch auch hier sind die Untersuchungen bislang nur theoretischer Natur.

Eine weitere Variante ist der Einsatz von so genannten Massebechleunigern (siehe Bild auf S. 33). Hier wird mechanisch Gesteinsmaterial aus dem Asteroiden herausgebrochen und mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum geschleudert. Der sich daraus ergebende Rückstoß drängt dann den Himmelskörper von seinem Kollisionskurs ab.

Was ergeben sich für Kosten?

Sollte die Vorwarnzeit zu kurz sein, um eine Abwehr durchzuführen oder sollte die Abwehr misslingen, so müsste man das voraussichtliche Einschlagsgebiet rechtzeitig evakuieren. Untersuchungen zur Frage nach dem Nutzen von Evakuierungsmaßnahmen im Vergleich mit Suchprogrammen und Abwehrmaßnahmen und ihren Kosten führten unter anderem Kai Dürfeld und Jan Kasper an der TU Dresden durch. Dürfeld ermittelte die Kosten von Evakuierungsmaßnahmen aufbauend auf verschiedene Impakt-Szenarien, während Kasper die Größe von zu evakuierenden Gebieten in Abhängigkeit von verschiedenen Vorwarnzeiten bestimmte. Diese Studienergebnisse sind in die Tabelle als Evakuierungskosten eingegangen. Die Angaben der geschätzten Kosten für die Suche und die Abwehrmissionen stammen aus Veröffentlichungen.

Aus der Tabelle auf S. 40 folgt, dass die Kosten für Evakuierungsmaßnahmen in der Größenordnung entsprechender Abwehrkosten liegen. Ein nennenswerter finanzieller Vorteil von Evakuierungsmaßnahmen ist also nicht gegeben. Dies spricht dafür, sich frühzeitig mit Abwehrmaßnahmen zu beschäftigen, um dann entsprechend reagieren zu können. Zudem muss man auch bei Evakuierungsmaßnahmen mit Todesfällen rechnen. Die Kostenschätzungen für Evakuierungen berücksichtigen nur die Kosten der Personenrettung - es fehlen die volkswirtschaftlichen Schäden durch den Einschlag, sowie die Kosten der Rettung von Tieren und Sachwerten. Diese lassen sich schwer beziffern und schwanken je nach Fall stark und liegen sicher weit über den angegebenen Evakuierungskosten. Verteilt man die Kosten einer komplexen Abwehrmission nur auf die reichsten eine Milliarde Erdenbürger, so würde dies lediglich 50 Euro pro Person kosten - ein winziger Betrag für die Vermeidung einer womöglich weltweiten Naturkatastrophe.

Vergleich der geschätzten Kosten für Suche, Evakuierung und Abwehr
Maßnahme	Geschätzte Kosten in Millionen Euro
Suchprogramm (Boden) Suchmission (Venus-Orbit) Evakuierung (NEO 150 m) Evakuierung (NEO 750 m) Abwehr-Mission (einfach) Abwehrmission (komplex)	5-100 300-1000 100-5000 4000-40.000 500-5000 5000-50.000

Wie geht es weiter?

Die Impaktproblematik wurde und wird von zahlreichen Organisationen als sehr bedeutend eingestuft: So beauftragte der US-Kongress 1991 die NASA, sich mit diesem Thema zu befassen. Im Jahr 1996 verabschiedete der Europarat eine entsprechende Resolution. Empfehlungen seitens der Vereinten Nationen, der European Science Foundation und anderer Organisationen folgten.

Die Suche nach den NEOs läuft auf einem gewissen Niveau, sie sollte aber unbedingt beschleunigt werden, um nicht durch einen Impakt mit unausreichender Vorwarnzeit überrascht zu werden. Dies wäre heute der wahrscheinlichste Fall. Die Untersuchung und Erprobung von Abwehrmethoden steht noch ganz am Anfang. Derzeit werden zwar verschiedene Konzepte studiert, aber entsprechende praktische Versuche fehlen fast gänzlich. Der erste nennenswerte Test war die US-Mission Deep Impact, deren Impaktor erfolgreich auf den Kometen Tempel 1 geschossen wurde. Aussagen über die Effektivität der Impulsübertragung ließen sich aber nicht ableiten.

Am Ames Research Center der NASA untersuchten Wissenschaftler in den Jahren 2006 bis 2007 die Möglichkeit bemannter Missionen zu NEOs. Das Ergebnis war sehr vielversprechend. Mit den derzeit geplanten neuen Trägerraketen sowie der Orion-Raumkapsel wäre ein Besuch von Menschen bei einem erdnahen Asteroiden technisch möglich. Inzwischen wird diese Möglichkeit in den USA als Alternative zu einer erneuten bemannten Mondlandung oder zu Marsmissionen in Erwägung gezogen. Eine solche Mission wäre natürlich mit Kosten in Höhe von einigen Milliarden US-Dollar verbunden. Zur Vorbereitung wären sicherlich unbemannte Vorbereitungsmissionen erforderlich, die auch der generellen NEO-Forschung dienen würden. Auch würde in diesem Zusammenhang die Gefährdungsproblematik durch NEO-Impakte mehr Beachtung erfahren.

Im April 2009 fand im spanischen Granada die erste Planetary Defense Conference der International Academy of Astronautics statt. Wissenschaftler aus der ganzen Welt präsentierten und diskutierten Konzepte zur Abwehr erdnaher Objekte und stellten ihre neuesten Forschungsergebnisse vor. Die Konferenzteilnehmer verständigten sich auf folgende Empfehlungen:

- Alle NEOs größer als 140 Meter sollen baldmöglichst entdeckt und verfolgt werden.

- Die Finanzierung des Arecibo-Radarteleskops und anderer Anlagen zur Bestimmung der physikalischen und dynamischen Eigenschaften von NEOs muss erhalten werden.

- Die internationale Beteiligung an der Finanzierung und Forschung hinsichtlich der Entdeckung, Bahnverfolgung und Abwehruntersuchungen von NEOs muss ansteigen.

- Tests von Abwehrtechnologien sollen in kommende wissenschaftliche Asteroiden- und Kometenmissionen mit einbezogen werden, um wichtige Informationen zu Abwehrvorgängen zu erhalten.

- Simulationen von Impaktvorgängen in der Atmosphäre, im Meer und auf dem Land sollen finanziert werden, um verlässliche Aussagen über Zusammenhänge zwischen NEO-Impaktenergien und Impaktfolgen treffen zu können.

- Zusätzliche Studien zur Effektivität der Energieübertragung der verschiedenen diskutierten Abwehrkonzepte - speziell der impulsiven Konzepte - sollen durch geführt werden.

- Es sollten in weltweiter Abstimmung Verantwortlichkeiten für verschiedene Aspekte der NEO-Abwehr festgelegt werden. Diese weltweite Koordination entsprechender Aktivitäten muss jetzt durchgeführt werden, bevor der Ernstfall eintritt.

Die zweite IAA Planetary Defense Conference wird vom 9. bis 12. Mai 2011 in Bukarest, Rumänien, stattfinden.

Ende 2009 lud Anatoli Perminow, der Vorsitzende der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos, andere Raumfahrtagenturen dazu ein, an Untersuchungen zu möglichen Abwehrmissionen am Beispiel des Asteroiden (99942) Apophis mitzuwirken. Gespräche hierzu laufen und es ist zu hoffen, dass eine internationale Kooperation erzielt werden kann. Neben der UNO zeigen in der jüngsten Zeit auch ESA und EU verstärkt Interesse an dieser Thematik und lassen entsprechende Studien durchführen (siehe den folgenden Beitrag).

Es lässt sich sagen, dass neben einer Verstärkung der weltweiten Suchaktivitäten die eingehende Untersuchung der NEOs vor Ort und die Analyse möglicher Abwehrmaßnahmen bereits heute von großer Wichtigkeit ist. Würde eines Tages ein Objekt mit Kollisionskurs mit der Erde entdeckt, so hätte die Menschheit zum ersten Mal in der Evolutionsgeschichte der Erde die Chance, diese Naturkatastrophe mit möglicherweise globalen Folgen zu verhindern. Es gilt nun, sich auf diesen Fall angemessen vorzubereiten, um für den Ernstfall vorbereitet zu sein. Wann dies sein wird, ist noch nicht bekannt - dass dies eines Tages kommen wird, ist unbestritten. Die Menschheit sollte sich dessen bewusst werden und ihre einmalige Chance nutzen!

Christian Gritzner studierte von 1986 bis 1992 an der TU Berlin Luft- und Raumfahrttechnik. Im Jahr 1996 promovierte er dort mit der weltweit ersten Dissertation über Asteroiden-Abwehrsysteme und befasst sich bis heute mit dieser Thematik.

Weblinks
http://earn.dlr.de/ Europäische Datenbank zu erdnahen Asteroiden
www.cfa.harvard.edu/iau/mpc.htmlNEODyS Zentrales Verzeichnis aller Asteroiden

Weitere Weblinks: www.astronomie-heute.de/artikel/1055741

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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 33:
Eine Möglichkeit, Asteroiden auf Kollisionskurs abzuhalten, ist der Einsatz von Massebeschleunigern. Maschinen schleudern aus der Oberfläche des Asteroiden tonnenweise Gesteinsbruchstücke ins All und verändern durch den Rückstoß die Bahn des Himmelskörpers. Sie benötigen sehr viel elektrische Energie und müssten einen großen Anteil des Asteroiden weg beschleunigen - für die nahe Zukunft sind sie daher nicht geeignet.

Abb. S. 34:
Mit dem Weltraumteleskop Hubble gelang diese Aufnahme des dunklen Impaktfleckens auf Jupiter vom 19. Juli 2009. Den Einschlag entdeckte der australische Amateurastronom Anthony Wesley.

Abb. S. 35:
Das Diagramm nach Chapman/Morrison aus dem Jahr 1994 stellt den Zusammenhang zwischen der mittleren Einschlaghäufigkeit und dem Durchmesser des Impaktors sowie den erwarteten Folgen dar. Die linke Ordinate bezieht sich auf die blaue Kurve, die rechte auf die lilafarbene. Im grünen Bereich links schützt uns die Erdatmosphäre vor kleinen Himmelskörpern. In der Mitte steigt die Opferzahl mit dem Durchmesser an, wobei Einschläge im Meer den Effekt verstärken. Bei Durchmessern zwischen 750 Metern und drei Kilometern werden die Folgen global, was mit einem sprunghaften Anstieg der Opferzahlen einhergeht.

Abb. S. 36 oben:
Das PanSTARRS-Teleskop PS1 auf Hawaii nahm im März 2009 seinen Betrieb auf.

Abb. S. 36 unten:
Mit der geplanten DLR-Mission AsteroidFinder sollen erdnahe Asteroiden entdeckt werden, die sich die meiste Zeit innerhalb der Erdbahn aufhalten und deshalb von der Erde aus kaum sichtbar sind. Der Start dieses 100 Kilogramm leichten Kleinsatelliten in eine erdnahe Umlaufbahn könnte im Jahr 2013 erfolgen.

Abb. S. 38:
In dieser schematischen Darstellung wird durch eine Impuls-Übertragung ein NEO von seiner Kollisionsbahn (rote Linie) abgelenkt und verfehlt auf seiner neuen Bahn (hellgrüne Linie) die Erde um eine gewisse Entfernung.

Abb. S. 39 oben:
Am 4. Juli 2005 schlug der Impaktor der US-Raumsonde Deep Impact auf dem Kometen Tempel 1 auf.

Abb. S. 39 unten:
Der nur etwa 500 Meter lange Asteroid (25143) Itokawa besteht aus einer losen Ansammlung von bis zu 30 Meter großen Felsbrocken und feinerem Material. Ein Impaktor oder eine Nuklearwaffe würde hier weniger bewirken als bei einem massiven Objekt, da der Asteroid aufgrund seiner losen Struktur einen Teil des Impulses verschlucken würde. Das Bild nahm die japanische Raumsonde Hayabusa auf.

© 2011 Christian Gritzner, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg

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Quelle:
Sterne und Weltraum 1/11 - Januar 2011, Seite 32-40
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
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Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Slevogtstraße 3-5, 69117 Heidelberg
Tel.: 06221/9126 600, Fax: 06221/9126 751
Internet: www.astronomie-heute.de

Sterne und Weltraum erscheint monatlich (12 Hefte pro Jahr).
Das Einzelheft kostet 7,90 Euro, das Abonnement 85,20 Euro pro Jahr.

veröffentlicht im Schattenblick zum 23. Februar 2011