Zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter liegt das Sonnensystem Haupt-Asteroidengürtel . Der Asteroidengürtel besteht aus Millionen von Objekten mit einer Größe von Hunderten von Kilometern (wie Ceres und Vesta) bis zu einem Kilometer oder mehr und ist seit langem eine Quelle der Faszination für Astronomen. Anfangs fragten sie sich, warum die vielen Objekte, aus denen es besteht, nicht zu einem Planeten zusammengefügt wurden. Aber in jüngerer Zeit haben die Menschen den Asteroidengürtel für andere Zwecke im Auge behalten.
Während sich die meisten unserer Bemühungen auf die Forschung konzentrieren – in der Hoffnung, zusätzliches Licht in die Geschichte des Sonnensystems zu bringen – versuchen andere, seinen beträchtlichen Reichtum zu erschließen. Mit genügend Ressourcen, um uns auf unbestimmte Zeit zu unterstützen, gibt es viele, die so schnell wie möglich mit dem Abbau beginnen möchten. Aus diesem Grund wird es zu einer Priorität, genau zu wissen, wie lange Raumschiffe für die Hin- und Rückfahrt benötigen.
Entfernung von der Erde:
Die Entfernung zwischen dem Asteroidengürtel und der Erde variiert erheblich, je nachdem, wohin wir messen. Basierend auf der durchschnittlichen Entfernung von der Sonne kann die Entfernung zwischen der Erde und dem ihr am nächsten liegenden Rand des Gürtels zwischen 1,2 und 2,2 AE oder 179,5 und 329 Millionen km (111,5 und 204,43 Millionen Meilen) betragen.
Die Asteroiden des inneren Sonnensystems und Jupiter: Der donutförmige Asteroidengürtel befindet sich zwischen den Bahnen von Jupiter und Mars. Quelle: Wikipedia Commons
Zu jedem Zeitpunkt befindet sich jedoch ein Teil des Asteroidengürtels relativ zur Erde auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne. Von diesem Aussichtspunkt aus reicht die Entfernung zwischen der Erde und dem Asteroiden Blt von 3,2 und 4,2 AE – 478,7 bis 628,3 Millionen km (297,45 bis 390,4 Millionen Meilen). Um dies in die richtige Perspektive zu rücken: Die Entfernung zwischen der Erde und dem Asteroidengürtel liegt zwischen etwas mehr als der Entfernung zwischen den Erde und Sonne (1 AE), gleich dem Abstand zwischen Erde und Jupiter (4,2 AE), wenn sie am nächsten sind.
Aber aus Gründen des Treibstoffverbrauchs und der Zeit werden Asteroiden-Miner und Explorationsmissionen natürlich nicht den weiten Weg nehmen! Daher können wir mit Sicherheit davon ausgehen, dass die Entfernung zwischen der Erde und dem Asteroidengürtel, wenn sie am nächsten sind, die einzige in Betracht zu ziehende Messung ist.
Vergangene Missionen:
Der Asteroidengürtel ist so dünn besiedelt, dass sich mehrere unbemannte Raumschiffe auf ihrem Weg zum äußeren Sonnensystem durch ihn hindurch bewegen konnten. In den letzten Jahren haben Missionen zur Untersuchung größerer Asteroidengürtel-Objekte dies ebenfalls zu ihrem Vorteil genutzt, indem sie zwischen den kleineren Objekten navigierten, um sich mit Körpern wie . zu treffen Ceres und Vesta . Tatsächlich wird die Wahrscheinlichkeit, dass eine Sonde auf einen Asteroiden trifft, aufgrund der geringen Materialdichte im Gürtel heute auf weniger als eins zu einer Milliarde geschätzt.
Die erste Raumsonde, die eine Reise durch den Asteroidengürtel machte, war die Pionier 10 Raumschiff, das am 16. Juli 1972 in die Region eindrang (eine Reise von 135 Tagen). Als Teil seiner Mission zum Jupiter navigierte das Raumfahrzeug erfolgreich durch den Gürtel und führte einen Vorbeiflug an Jupiter (im Dezember 1973) durch, bevor es das erste Raumschiff wurde, das eine Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem erreichte.
Künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Dawn, die sich Ceres nähert. Bild: NASA/JPL-Caltech.
Damals gab es Bedenken, dass die Schmutz würde eine Gefahr darstellen zumPionier 10Weltraumsonde. Aber seit dieser Mission haben 11 weitere Raumschiffe den Asteroidengürtel ohne Zwischenfälle passiert. Diese enthielten Pionier 11 , Reisen 1 zu nd 2 , Ulysses , Galilei , IN DER NÄHE VON , Cassini , Sternenstaub , Neue Horizonte ,die ESAs Rosetta , und zuletzt die Dämmerung Raumfahrzeug .
Zum größten Teil waren diese Missionen Teil von Missionen zum äußeren Sonnensystem, bei denen die Gelegenheiten zum Fotografieren und Studieren von Asteroiden kurz waren. Nur derDämmerung,IN DER NÄHE VONund JAXA´s Hayabusa Missionen haben Asteroiden über einen längeren Zeitraum im Orbit und an der Oberfläche untersucht. Dawn erkundete Vesta von Juli 2011 bis September 2012 und umkreist derzeit Ceres (und sendet Gravitationsdaten über die Gravitation des Zwergplaneten) und wird dort voraussichtlich bis 2017 bleiben.
Bisher schnellste Mission:
Die schnellste Mission, die die Menschheit je bestiegen hat, war dieNeue HorizonteMission, die am 19. Januar 2006 von der Erde aus gestartet wurde. Die Mission begann mit einem schnellen Start an Bord einer Atlas-V-Rakete, die sie auf eine Geschwindigkeit von etwa 16,26 km pro Sekunde (58.536 km/h; 36.373 mph) beschleunigte. Mit dieser Geschwindigkeit erreichte die Sonde im folgenden Sommer den Asteroidengürtel und näherte sich dem winzigen Asteroiden sehr genau 132524 APL bis 13. Juni 2006 (145 Tage nach dem Start).
Aber auch das verblasst im Vergleich zuReisen1, die am 5. September 1977 gestartet wurde und am 10. Dezember 1977 den Asteroidengürtel erreichte – insgesamt 96 Tage. Und dann war da noch dieReisen 2Sonde, die 15 Tage später gestartet wurdeReisen 1(am 20.09.), aber immer noch am gleichen Datum angekommen – was einer Gesamtreisezeit von 81 Tagen entspricht.
Für Voyager 2 am Rande unseres Sonnensystems funktionieren herkömmliche Navigationsmethoden nicht so gut. Bildnachweis: NASA
Nicht schlecht wie die Reisezeiten gehen. Bei dieser Geschwindigkeit könnte ein Raumschiff die Reise zum Asteroidengürtel antreten, mehrere Wochen damit verbringen, Forschung zu betreiben (oder Erz zu fördern) und dann in etwas mehr als sechs Monaten nach Hause kommen. Allerdings muss man bedenken, dass in all diesen Fällen die Missionsteams die Sonden nicht abgebremst haben, um ein Rendezvous mit irgendwelchen Asteroiden zu machen.
Ergo würde eine Mission zum Asteroidengürtel länger dauern, da das Raumschiff langsamer werden müsste, um eine Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Und für die Heimreise bräuchten sie auch eigene starke Motoren. Dies würde die Größe und das Gewicht des Raumfahrzeugs drastisch verändern, was unweigerlich bedeuten würde, dass es größer, langsamer und viel teurer wäre als alles, was wir bisher geschickt haben.
Eine andere Möglichkeit wäre, einen Ionenantrieb zu verwenden (der viel treibstoffeffizienter ist) und eine Schwerkraftunterstützung durch einen Vorbeiflug am Mars zu erhalten – genau das ist das, was dieDämmerungMission tat. Aber selbst mit einem Schub durch die Schwerkraft des Mars ist dieDämmerungMission dauerte immer noch über drei Jahre, um den Asteroiden Vesta zu erreichen – Start am 27. September 2007 und Ankunft am 16. Juli 2011 (insgesamt 3 Jahre, 9 Monate und 19 Tage). Nicht gerade guter Turnaround!
Vorgeschlagene zukünftige Methoden:
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die sowohl die Reisezeit als auch den Treibstoffverbrauch zum Asteroidengürtel drastisch reduzieren könnten, von denen viele derzeit für verschiedene Missionsvorschläge in Betracht gezogen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Raumfahrzeuge zu verwenden, die mit ausgestattet sind Nuklearmotoren , ein Konzept, das die NASA seit Jahrzehnten erforscht.
Das Crew Transfer Vehicle (CTV) nutzt seine nuklearthermischen Raketentriebwerke, um die Mars-Umlaufbahn zu verlangsamen und herzustellen. Bildnachweis: NASA
In einer Nuclear Thermal Propulsion (NTP)-Rakete werden Uran- oder Deuteriumreaktionen verwendet, um flüssigen Wasserstoff in einem Reaktor zu erhitzen und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umzuwandeln, das dann durch eine Raketendüse geleitet wird, um Schub zu erzeugen. Bei einer nuklearen elektrischen Antriebsrakete (NEP) wandelt derselbe Basisreaktor seine Wärme und Energie in elektrische Energie um, die dann einen Elektromotor antreiben würde.
In beiden Fällen würde die Rakete auf Kernspaltung oder -fusion angewiesen sein, um Antrieb zu erzeugen, und nicht auf chemische Treibstoffe, die bisher die Hauptstütze der NASA und aller anderen Weltraumbehörden waren. Nach Schätzungen der NASA hätte das ausgereifteste NTP-Konzept einen maximalen spezifischen Impuls von 5000 Sekunden (50 kN·s/kg).
NASA-Wissenschaftler schätzen, dass bei Verwendung dieses Triebwerks nur ein Raumschiff benötigt wird 90 Tage bis zum Mars als sich der Planet in „Opposition“ befand – d. h. nur 55.000.000 km von der Erde entfernt. Bereinigt um eine Entfernung von 1,2 AE bedeutet dies, dass ein mit einem NTP/NEC-Antriebssystem ausgestattetes Schiff die Reise in etwa 293 Tagen (etwa neun Monaten und drei Wochen) schaffen könnte. Etwas langsam, aber nicht schlecht, wenn man bedenkt, dass die Technologie vorhanden ist.
Eine weitere vorgeschlagene Methode der interstellaren Reise ist der Radiofrequenz (RF) Resonant Cavity Thruster, auch bekannt als EM-Antrieb. Ursprünglich im Jahr 2001 von Roger K. Shawyer vorgeschlagen, einem britischen Wissenschaftler, der mit Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), um es zu verwirklichen, basiert dieser Antrieb auf der Idee, dass elektromagnetische Mikrowellenhohlräume die direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Schub ermöglichen können.
Künstlerisches Konzept eines interstellaren Raumschiffs, das mit einem EM-Antrieb ausgestattet ist. Bildnachweis: NASA Spaceflight Center
Nach Berechnungen auf Basis des NASA-Prototyps (der eine Leistungsschätzung von 0,4 N/Kilowatt ergab) könnte eine mit dem EM-Antrieb ausgestattete Raumsonde in nur zehn Tagen zum Mars reisen. Bereinigt um eine Reise zum Asteroidengürtel würde ein mit einem EM-Antrieb ausgestattetes Raumschiff also schätzungsweise 32,5 Tage brauchen, um den Asteroidengürtel zu erreichen.
Beeindruckend, ja? Aber das basiert natürlich auf einem Konzept, das sich noch beweisen muss. Kommen wir also zu einem weiteren radikalen Vorschlag, der darin besteht, Schiffe zu verwenden, die mit einem Antimaterie-Motor ausgestattet sind. Antimaterie wird in Teilchenbeschleunigern erzeugt und ist der dichteste Brennstoff, den Sie verwenden können. Wenn Atome der Materie auf Atome der Antimaterie treffen, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei unglaublich viel Energie frei.
Laut NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), die die Technologie erforscht, würde es dauern nur 10 Milligramm Antimaterie eine menschliche Mission zum Mars in 45 Tagen zu befördern. Basierend auf dieser Schätzung könnte ein mit einem Antimaterie-Triebwerk und etwa doppelt so viel Treibstoff ausgestattetes Raumschiff die Reise zum Asteroidengürtel in etwa 147 Tagen schaffen. Aber natürlich lassen die schieren Kosten für die Herstellung von Antimaterie – in Verbindung mit der Tatsache, dass ein auf diesen Prinzipien basierender Motor zu diesem Zeitpunkt noch theoretisch ist – dies in weite Ferne rücken.
Grundsätzlich dauert es ziemlich lange, zum Asteroidengürtel zu gelangen, zumindest was die Konzepte angeht, die uns derzeit zur Verfügung stehen. Mit theoretischen Antriebskonzepten können wir die Reisezeit verkürzen, aber es wird einige Zeit (und viel Geld) dauern, bis diese Konzepte Realität werden. Im Vergleich zu vielen anderen vorgeschlagenen Missionen – wie z Europa und Enceladus – die Reisezeit ist kürzer und die Dividenden ganz klar.
Wie bereits erwähnt, gibt es im Asteroidengürtel genug Ressourcen – in Form von Mineralien und flüchtigen Stoffen – für uns auf unbestimmte Zeit. Und sollten wir eines Tages einen kostengünstigen Weg finden, um Raumschiffe schnell dorthin zu schicken, könnten wir diesen Reichtum anzapfen und ein Zeitalter der Postknappheit einleiten! Aber wie bei so vielen anderen Vorschlägen und Missionskonzepten sieht es so aus, als müssten wir vorerst warten.
Wir haben viele Artikel über den Asteroidengürtel für Universe Today geschrieben. Hier ist Woher kommen Asteroiden? , Warum der Asteroidengürtel Raumschiffe nicht bedroht , und Warum ist der Asteroidengürtel kein Planet? .
Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie erfahren, welche Größter Asteroid im Sonnensystem , und über den nach ihm benannten Asteroiden Leonard Nimoy . Und hier ist 10 interessante Fakten über Asteroiden .
Wir haben auch viele interessante Artikel über die Mission der Raumsonde Dawn Vesta und Ceres , und Asteroid Minin g.
Um mehr zu erfahren, besuchen Sie Lunar and Planetary Science-Seite der NASA auf Asteroiden, und die Hubblesites Pressemitteilungen über Asteroiden .
Astronomy Cast auch einige interessante Episoden über Asteroiden, wie Folge 55: Der Asteroidengürtel und Folge 29: Asteroiden machen schlechte Nachbarn .
Quellen:
- NASA: Erforschung des Sonnensystems – Asteroiden
- Die Planeten – Fakten zum Asteroidengürtel
- Cornell University, Dept. of Astronomy – Asteroidengürtel
- Sonnenstation – Haupt-Asteroidengürtel
- NASA Institute for Advanced Concepts
- NASA-Raumfahrt – Bewertung des futuristischen EM-Antriebs der NASA
- SPR GmbH
