211service.com
Ten statek kosmiczny jest przygotowywany do jednokierunkowej misji odbicia asteroidy
NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
W czystym pomieszczeniu w budynku 23 w Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) w Laurel w stanie Maryland statek kosmiczny o nazwie DART został rozłożony jak pęknięte, sześcienne jajo. Do rdzenia zamontowano instrument zwany tropicielem gwiazd – który, gdy DART znajdzie się w dalekim kosmosie, ustali, w którą stronę jest góra – wraz z bateriami i różnymi innymi czujnikami. System awioniki, centralny komputer DART, był wyraźnie przymocowany do kwadratowych, precyzyjnie obrobionych paneli, które będą tworzyć boki po złożeniu statku kosmicznego. Przewody biegły od komputera do systemu radiowego, którego DART będzie używał do komunikacji z Ziemią. Odsłonięte zostały żyroskopy i anteny. W sąsiednim pokoju czekał na swoją kolej eksperymentalny system silników o nazwie NEXT-C. Wielkie wiązki grubych wąsów owiniętych srebrną izolacją zwisały ze statku kosmicznego i biegły po podłodze do sterowni, gdzie łączyły się z olbrzymią baterią komputerów testowych obsługiwanych przez czterech inżynierów.
Zegar nad jednym z komputerów wskazywał: Dni do uruchomienia DART: 350:08:33.
Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2020 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
DART — test podwójnego przekierowania asteroidy — został zaprojektowany, aby zderzyć się z asteroidą o nazwie Dimorphos. Uderzenie zmieni prędkość Dimorphosa o około jeden milimetr na sekundę lub jedną pięćsetną mili na godzinę. Chociaż Dimorphos nie ma zamiaru zderzyć się z Ziemią, DART ma na celu zademonstrowanie zdolności do odbijania takiej asteroidy jest zmierzał w naszą stronę, gdyby ktoś kiedykolwiek został odkryty.
Odkąd 2 stycznia 1959 roku radziecka sonda o nazwie Luna 1 stała się pierwszym statkiem kosmicznym, który uciekł z orbity Ziemi, ludzkość wysłała około 250 sond do Układu Słonecznego. DART jest wśród nich wyjątkowy. Jest to pierwszy, który postanawia nie badać Układu Słonecznego, ale go zmieniać.
Do 1980 roku astronomowie określili orbity około 10 000 asteroid, w tym 51 asteroid bliskich Ziemi (wraz z 44 kometami znajdującymi się w pobliżu Ziemi). Dziś liczby wzrosły: Minor Planet Center śledzi łącznie około 800 000 asteroid, z których prawie 24 000 ma orbity zbliżające je do Ziemi. Ogromna większość z nich została odkryta od 1998 roku, kiedy Kongres dał NASA 10 lat na zidentyfikowanie każdego obiektu znajdującego się w pobliżu Ziemi o średnicy większej niż jeden kilometr. Dzięki analizom statystycznym astronomowie uważają, że znaleźli około 95% dużych asteroid bliskich Ziemi, które zniszczyłyby cywilizację, gdyby uderzyły w naszą planetę.
Zegar odliczający do uruchomienia w APL.
NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMANZiemia przemieszcza się na odległość swojej średnicy co siedem minut. Jeśli czas przybycia przychodzącego obiektu można zmienić o więcej niż około 10 minut, będzie nas omijał. (Szczegóły zależą oczywiście od konkretnej trajektorii; dodatkowe trzy minuty mają uwzględnić efekt przyciągania grawitacyjnego Ziemi).
Didymos ma około pół mili szerokości. Dimorphos ma około 500 stóp średnicy – mniej więcej wielkości małego stadionu sportowego. Nikt jeszcze nie wie, jak wygląda, ponieważ jest za mały i zbyt daleko, by prowadzić szczegółowe obserwacje z teleskopów na Ziemi lub w jej pobliżu. Dwie asteroidy są od siebie oddalone o około pół mili; Dimorphos okrąża większą asteroidę z prędkością mniejszą niż spacer człowieka.
W 2005 roku Kongres wydał NASA nowy rozkaz skatalogowania wszystkich bliskich Ziemi obiektów o średnicy powyżej 140 metrów (460 stóp) – obiektów, których wpływ byłby raczej katastrofalny niż apokaliptyczny. Prace te nadal trwają, a w 2016 r. NASA ustanowiła Biuro Koordynacji Obrony Planetarnej, aby koordynować niezliczone amerykańskie i międzynarodowe agencje, które zostałyby zmobilizowane, gdyby wykryto niszczycielski obiekt zmierzający w naszą stronę. DART to pierwsza misja grupy.
Nie musimy być ofiarami kosmosu, mówi Lindley Johnson, która kieruje biurem. Jeśli mamy do czynienia z taką sytuacją, nie chcemy, aby pierwsze rzeczywiste użycie odchylania asteroidy było czymś, co musi odnieść sukces. Cele DART są dwojakie: udowodnienie, że statek kosmiczny może z powodzeniem uderzyć w asteroidę, oraz zmierzenie skutków zderzenia.
Wcześniejsze propozycje przewidywały wykorzystanie dwóch pojazdów: jednego do zderzenia, a drugiego, wysłanego z wyprzedzeniem, do obserwacji kolizji i mierzenia jej skutków. Wydawało się to jedyną opcją, ponieważ przy asteroidzie poruszającej się z prędkością 30 kilometrów na sekundę, zmiana prędkości w milimetrach na sekundę spowodowana kolizją byłaby bardzo trudna do zmierzenia za pomocą teleskopów umieszczonych na Ziemi lub w jej pobliżu. Ale to było drogie: do 1 miliarda dolarów.
Następnie, na początku 2011 roku, Andy Cheng, główny naukowiec badający obronę planetarną w Laboratorium Fizyki Stosowanej, doznał objawienia. Zamiast wysyłać dwa statki kosmiczne, jego plan polegał na wysłaniu jednego statku, który zderzyłby się z małą asteroidą krążącą wokół większej. Astronomowie mogli wtedy zastosować sprytną sztuczkę, aby zmierzyć siłę uderzenia.
Co 12 godzin kręci się w kółko, zawsze tak samo. To, co robimy z DART, to uderzanie w zegar”.
Ta prostsza misja kosztowałaby tylko około 250 milionów dolarów — względna okazja. Zmiana była kluczowa, aby NASA zatwierdziła DART. W końcu Włoska Agencja Kosmiczna dostarczyła do DART statek kosmiczny wielkości pudełka po butach o nazwie LICIACube, który pomoże w obserwacjach bez znacznego zwiększania kosztów.
Cel Chenga, Dimorphos, został odkryty w 2003 roku na orbicie większej asteroidy. Po odkryciu większe ciało nazwano Didymos, co po grecku oznacza bliźniak. Jego księżycowi nadano nazwę w 2020 roku. Jak widać z Ziemi, jego orbita czasami przechodzi przed i za Didymosem, częściowo blokując większą asteroidę przy każdym obrocie. Używając teleskopów naziemnych, można bardzo precyzyjnie zmierzyć orbitę, obserwując spadki światła, mówi Cheng. Podobną technikę stosuje się do identyfikacji egzoplanet krążących wokół odległych gwiazd.
Orbita Dimorphos wokół Didymos jest jak tykający zegar, mówi Tom Statler, naukowiec programu misji DART w siedzibie NASA. Co 12 godzin kręci się w kółko, zawsze tak samo. To, co robimy z DART, to uderzanie w zegar. Wszystko, co astronomowie muszą zrobić, to zmierzyć, jak szybko zegar tyka przed uderzeniem, a następnie zmierzyć go ponownie. Oczekują, że okres orbitalny zmieni się o około 10 minut, czyli nieco ponad 1%.
Jest to wystarczająca informacja, aby mogli oszacować wartość, na której najbardziej im zależy: coś, co nazywa się wydajnością przenoszenia pędu, zwykle określaną grecką literą β. Jak sama nazwa wskazuje, jest to miara tego, jak duża część pędu statku kosmicznego jest przenoszona na asteroidę (w przeciwieństwie do, powiedzmy, zrzucania z niej kawałków skały). Im większe β, tym skuteczniejszy będzie DART w zmianie kursu Dimorphosa.
Ustalenie β jest ważne, ponieważ aby uchronić się przed uderzeniami asteroidy, musimy być w stanie przewidzieć, jak bardzo ktoś się uniesie, gdy uderzy w nią statek kosmiczny. Jak Cheng i współautorzy napisali w artykule z 2020 r., Określenie β na podstawie pomiarów i modelowania DART jest krytycznie ważnym celem nauki o obronie planetarnej.
Kilka założeń zostanie wykorzystanych w obliczeniach β przez zespół DART. Z grubsza oszacują rozmiar Dimorphosa, analizując zdjęcia, które zrobią DART i LICIACube. Ta liczba, w połączeniu z wykształconymi przypuszczeniami co do gęstości asteroidy, daje oszacowanie jej masy. To Liczba w połączeniu z obserwacjami zmiany okresu orbitalnego pozwala oszacować β. (W grę wchodzi, tak, dużo szacunków.)
NASA Double Asteroid Redirection Test (DART) będzie pierwszą w historii misją kosmiczną zaprojektowaną w celu przetestowania technologii obrony planetarnej. DART zmieni prędkość Dimorphos na tyle, by można ją było zmierzyć teleskopami naziemnymi. (Ilustracja nie w skali.)
NASA/JOHNS HOPKINS APLJednak nic z tego nie powie astronomom, dlaczego β przyjął tę szczególną wartość dla kolizji DART-Dimorphos. Asteroidy są zróżnicowane pod względem wielkości i składu. Niewiele wiadomo o ich wewnętrznej strukturze. Nikt nie wie na pewno, czy DART utworzy duży krater, czy mały. Oczekujemy, że te czynniki będą zależeć od topografii miejsca, w które trafia DART, mówi Andy Rivkin, który wraz z Chengiem kieruje zespołem naukowym DART.
Innymi słowy: czy statek kosmiczny uderzy w zbocze wzgórza lub w płaską ziemię? Czy będą głazy? Twardy czy miękki rock? Żwir? Brud? I w rezultacie, ile wyrzutów wytworzy DART? W jakim kierunku pójdzie ten wyrzut i jak szybko? Ejecta lecąca w jednym kierunku powoduje kopnięcie asteroidy w przeciwnym kierunku, więc odpowiedź wpływa na ostateczną wartość β.
Zespół planuje porównać dane gromadzone przez DART z komputerowymi symulacjami podobnych oddziaływań. Umożliwi im to ulepszenie modeli, co pozwoli im lepiej obliczyć, jakiego rodzaju pocisk musiałby odbić przyszłą asteroidę zmierzającą w kierunku Ziemi.
Budowa statku kosmicznego to testowanie statku kosmicznego. Dotarcie do kosmosu jest drogie; celowanie w odległą asteroidę jeszcze bardziej. Rzeczy muszą działać za pierwszym razem.
Pewnego sierpniowego dnia, kiedy odwiedziłem APL, Rosanna Smith, kierownik ds. testów napędu w DART, siedziała w sterowni, nadzorując testy silników hydrazyny statku kosmicznego. Każdy element był już wielokrotnie testowany – indywidualnie. Teraz były ponownie testowane, jako części całości. DART został podłączony do komputerów testowych, które zasilały go danymi, dzięki czemu te komponenty zachowywały się tak, jakby znajdowały się w kosmosie. Silniki nie odpalały, ale awionika statku kosmicznego reagowała tak, jakby miała. Smith wyjaśnił, że gdyby wykryto anomalię, inżynierowie przestaliby oceniać sondę. Mogą się ubrać i wejść do czystego pomieszczenia, podłączyć oscyloskop do statku kosmicznego i zobaczyć, co się dzieje.
Celem było uzyskanie danych o podstawowej skuteczności DART. W nadchodzących tygodniach inżynierowie planowali poddanie statku kosmicznego testom wibracyjnym: gwałtowne potrząsanie nim, fizyczne przybliżenie naprężeń podczas startu i manewrów w locie, aby zobaczyć, co, jeśli w ogóle, się zepsuło. Zaplanowali umieszczenie statku kosmicznego w termicznej komorze próżniowej, aby symulować kosmos, przeprowadzając go przez cykle gorącego i zimnego. Po każdym ćwiczeniu ponownie wykonywali testy z danego dnia, porównując wyniki z wartościami wyjściowymi, aby zobaczyć, co się zmieniło, a co nie.
Zwykle w pokoju może być kilkanaście osób przeprowadzających testy. Ale, podobnie jak wiele innych, procedury montażu DART zmieniły się w odpowiedzi na pandemię. APL zainstalowało kamery w całym obiekcie. Osoby pracujące w domu mogą zadzwonić, aby zobaczyć, co się dzieje. Ich głosy wydobyły się z głośników na górze, a inżynierowie w pomieszczeniu zareagowali od niechcenia, jakby rozmawiali z duchami.
Podróż z Ziemi do Didymos trwa 14 miesięcy. DART wystartuje na rakiecie Falcon 9 z bazy sił powietrznych Vandenberg na wybrzeżu Kalifornii, 130 mil na północny zachód od Los Angeles. Statek kosmiczny wystartuje na południe i okrąży Słońce przed spotkaniem asteroidów kilka tygodni po ich najbliższym zbliżeniu do Ziemi, kiedy Didymos i Dimorphos będą znajdować się około 6,8 miliona mil stąd, około 30 razy dalej niż Księżyc. Trajektoria została zaprojektowana tak, aby zminimalizować energię wymaganą do wystrzelenia DART i zsynchronizować uderzenie z bliskim podejściem, tak aby teleskopy na Ziemi mogły jak najlepiej przyjrzeć się kolizji.
Ale najpierw DART musi znaleźć Didymosa. Trzydzieści dni przed uderzeniem sonda zacznie zbierać obrazy nawigacji optycznej, zbliżając się do bliźniaczych asteroid z prędkością prawie 15 000 mil na godzinę. Astronomowie nie znają orbit asteroid z precyzją niezbędną do zaprogramowanego uderzenia i nadal nie będą wiedzieć, gdy przejmie kontrolę pokładowy system o nazwie SMART Nav. Plan misji wymaga, aby DART uderzył nie dalej niż 50 stóp od planowanego punktu docelowego, ale do tego czasu niepewność co do orbity Didymosa nadal będzie wynosić tysiące stóp, a dla znacznie mniejszych Dimorphos będzie jeszcze większa.
Po czterech godzinach włączamy SMART Nav, który identyfikuje Didymosa i zaczyna szukać Dimorphos, w które próbujemy trafić – mówi Elena Adams, główny inżynier misji DART. Promieniowanie w przestrzeni i szum w detektorze, więc algorytmy porównują piksele w jego polu widzenia. Na godzinę przed uderzeniem oprogramowanie powinno wskazać Dimorphos. Dodaje, że po ustaleniu, jakiego piksela chce i że znajduje się we właściwej lokalizacji, i że ma to sens, wtedy przełącza się z celowania na główną asteroidę na jej księżyc.
Nawet gdyby astronomowie znali pozycję Dimorphos z całkowitą dokładnością, DART nie mógł być zaprogramowany do wykonania wymaganego manewru z wystarczającą precyzją, aby w niego trafić. Żadne pędniki nigdy nie są idealnie wyrównane, a ich wydajność nigdy nie jest perfekcyjnie wymodelowana. Do każdego manewru statek kosmiczny potrzebuje dodatkowych manewrów korekcyjnych, aby uwzględnić odchylenia. SMART Nav robi to samodzielnie. Co więcej, DART będzie używał swoich silników do kierowania we właściwym kierunku; zmieni to jego trajektorię o kilka stóp. Wszystkie takie odchylenia będą stale oceniane i korygowane przez SMART Nav w ostatnich godzinach przed uderzeniem. Dla porównania, w przypadku typowych manewrów statków kosmicznych wykonywanych przez ludzi, ich obliczenie i wykonanie, a następnie ocena wydajności w celu zaprojektowania poprawki, zajmuje zwykle godziny lub dni. Dokonując korekt trajektorii, SMART Nav utrzymuje panele słoneczne statku kosmicznego skierowane na Słońce, a antenę o dużym wzmocnieniu skierowaną na Ziemię, wysyłając z powrotem obrazy Didymosa i Dimorphosa mniej więcej co dwie sekundy. Gdy statek kosmiczny zbliża się do asteroidy, silniki hydrazyny będą często strzelać, aby utrzymać cel w wąskim polu widzenia kamery.
SMART Nav przestanie wykonywać manewry na około dwie minuty przed uderzeniem, a statek kosmiczny wleci w asteroidę. Osiągamy wymaganą rozdzielczość miejsca uderzenia na około 20 sekund przed uderzeniem i wysyłamy ostatnie zdjęcie na Ziemię w ciągu ostatnich siedmiu sekund uderzenia, mówi Adams. A potem — bum!
Impaktory kinetyczne, takie jak DART, nie są jedynym sposobem na odwrócenie nadlatującej asteroidy. NASA rozważała zdetonowanie bomby atomowej w pobliżu asteroidy, aby ją odbić. Uwalnia to znacznie więcej energii, aby odepchnąć asteroidę, ale ryzykuje rozbicie jej na wiele mniejszych pocisków o nieprzewidywalnych trajektoriach; niektóre wciąż mogą uderzyć w Ziemię. Inne opcje obejmują holowniki, które łączą się z asteroidą i spychają ją z kursu za pomocą powolnego, stałego ciągu lub traktorów grawitacyjnych, statki kosmiczne, które przelatują w pobliżu asteroidy i na przestrzeni lat, a nawet dziesięcioleci powoli usuwają ją z kolizji oczywiście siłą własnej grawitacji.
Obie te alternatywy są bardziej skomplikowane technicznie niż impaktor kinetyczny, taki jak DART. Ale DART testuje również technologie, które można zastosować w kolejnych statkach kosmicznych.
Na przykład zademonstruje nowy silnik jonowy NEXT-C. Nie jest to konieczne w przypadku misji DART, która będzie opierać się głównie na konwencjonalnych rakietach chemicznych. Ale silniki jonowe, które wykorzystują energię elektryczną do generowania pędu, są znacznie wydajniejsze niż ich chemiczne odpowiedniki. Mając kilkaset funtów propelentu mogą osiągnąć to, co wymagałoby dziesiątek tysięcy funtów paliwa chemicznego, takiego jak hydrazyna. Tylko dwa statki kosmiczne — Deep Space One i Dawn — używały silników jonowych w głębokim kosmosie, a NEXT-C jest około trzy razy silniejszy niż te z tych misji.
Aby wytworzyć energię elektryczną do zasilania NEXT-C, DART wykorzysta również nową nierolowaną tablicę słoneczną, która jest lżejsza niż konwencjonalne składane panele słoneczne. Dając potencjalnym obrońcom planet więcej trajektorii do wyboru, wyrafinowane systemy napędowe pozwoliłyby impaktorom uderzać w nadlatujące asteroidy z większą prędkością.
Renderowanie statku kosmicznego DART z jego eksperymentalnym silnikiem jonowym NEXT-C.
NASA/JOHN HOPKINS APLIm szybciej uda się wykryć asteroidę – lub inny obiekt, na przykład kometę – zmierzającą w kierunku Ziemi, tym łatwiej będzie coś z tym zrobić. Odkryto już prawie wszystkie asteroidy, które mogą stanowić zagrożenie dla życia na Ziemi na poziomie wyginięcia. Są to ogromne skały o średnicy kilku mil i żadna ze znanych nie zagraża ludzkości w najbliższym czasie. (Przypuszcza się, że uderzenie w Chicxulub, które doprowadziło do wyginięcia dinozaurów, dotyczyło obiektu o średnicy rzędu 10 mil). Jednak astronomowie nie znaleźli wszystkich mniejszych, ale wciąż niebezpiecznych asteroid — takich jak meteor, który eksplodował powyżej. Czelabińsk, Rosja, w 2013 roku z siłą bomby atomowej średniej wielkości. Obiekt Czelabińsk miał około 20 metrów średnicy; jego strajk wybił okna na obszarze 200 mil kwadratowych w środku zimy na gęsto zaludnionym obszarze. Siedemset tysięcy osób zostało rannych, głównie przez potłuczone szkło.
Czterdzieści lat temu nie wiedzieliśmy, czy za tydzień od przyszłego wtorku możemy zostać zmieceni przez gigantyczną zabójczą asteroidę. To szczególne ryzyko ignorancji zostało wycofane, mówi Statler, naukowiec programu DART. Jednak obiekty mniejsze niż 500 stóp, mniej więcej wielkości Dimorphos, są trudne do wykrycia dla obecnych obserwatoriów, zarówno naziemnych, jak i satelitarnych. (Asteroida o średnicy 500 stóp uderzyłaby z grubsza siłą największej bomby atomowej w historii.) Obecnie, mówi Statler, zidentyfikowano może jedną czwartą całkowitej liczby potencjalnie niebezpiecznych małych obiektów. Jeśli nie wiemy, gdzie się znajdują, mówi, to nie jesteśmy w stanie przewidzieć, kiedy może nastąpić uderzenie i kiedy będziemy musieli wykonać ugięcie.
Warta pół miliarda dolarów misja obserwacji obiektów bliskiego Ziemi, orbitalny teleskop na podczerwień, finansowany przez Biuro Koordynacji Obrony Planetarnej, ma wystartować jeszcze w tej dekadzie i powinna pomóc rozwiązać ten problem. Ponieważ obserwuje w zakresie fal podczerwonych, będzie miał większą zdolność patrzenia w kierunku Słońca niż teleskopy w świetle widzialnym. Będzie w stanie wykrywać obiekty skąpane w słońcu, a przez to niewidoczne dla teleskopów naziemnych. Dodatkowo obserwatorium Vera Rubin, nowy teleskop budowany w Chile, będzie szukać niebezpiecznych obiektów za pomocą 3200-megapikselowej kamery, największej kiedykolwiek używanej w astronomii. Mamy nadzieję, że za kolejne 20 lat powiemy: „Tak, my też wycofaliśmy się z tego ryzyka i wiemy, które z nich warto mieć na oku” — mówi Statler.
Im szybciej zostanie znaleziony zbliżający się obiekt, tym słabszy musi być zaprojektowany przez człowieka impaktor, aby wykonać zadanie. Jeśli niebezpieczna asteroida lub kometa zostanie zauważona w 11. godzinie, potrzeba znacznie więcej energii, aby odpowiednio zmienić jej kurs.
LICIACube oddzieli się od przedziału na szczycie DART 10 dni przed uderzeniem i rozmieści swoje własne małe panele słoneczne. Gdy mały sześcian wisi z powrotem, aby oglądać, DART uderzy w Dimorphos.
Statek kosmiczny prawdopodobnie zostanie roztrzaskany na bardzo małe kawałki, niektóre zamienione w proszek. Większość jego pozostałości zostanie ponownie wyrzucona w postaci wyrzutów, gdy powstanie krater. Możliwe, że duże elementy konstrukcyjne mogą przetrwać, chociaż zostaną zakopane na głębokości 10 stóp w asteroidzie. LICIACube będzie obserwował pióropusz wyrzucanej substancji, gdy wychodzi, a także sfotografuje dalszą stronę Dimorphosa, gdy go mija. Ale nie będzie miał sposobu na spowolnienie — LICIACube będzie nadal pędzić obok Dimorphos w głębiny kosmosu.
Europejska Agencja Kosmiczna planuje misję o nazwie Hera, która ma wystartować w 2024 roku i ponownie odwiedzić Dimorphos na początku 2027 roku, aby wykonać dokładniejsze pomiary jego masy, zbadać jego skład i jeszcze dokładniej określić β. Hera będzie nosić dwa własne satelity i będzie podróżować po systemie Didymos-Dimorphos przez zaplanowane trzy do sześciu miesięcy, zbierając znacznie więcej danych.
Jeśli wszystko pójdzie dobrze, DART opuści Ziemię pod koniec lipca 2021 r. 30 września 2022 r. przestanie istnieć — lata wysiłków setek ludzi przemienionych w szturchnięcie, pierwszy w nowej erze.