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Double Asteroid Redirection Test (DART)

Einleitung

Spätestens seit als gesichert gilt, das das Massensterben zum Ende der Kreidezeit durch einen 10 bis 20 km großen Asteroiden verursacht wurde, ist sich die Menschheit bewusst, dass dies jederzeit wieder vorkommen kann. Nun ist kein Kleinplanet dieser Größe bekannt, der die Erde treffen könnte, doch es gibt zahlreiche Planetoiden, die kleiner sind und die Erdbahn kreuzen und auf ihr aufschlagen können. Auch sie können größere Verwüstungen anreichten. Typisch schlägt ein Körper einen Krater, dessen Durchmesser zehn bis zwanzigmal größer ist als der Durchmesser des Himmelskörpers. In einem noch größeren Umkreis, typisch hundertfacher Durchmesser gehen Gesteinstrümmer nieder, zerstört eine Druckwelle alles und verursachen die glühend heißen Gesteinsbrocken Brände. Daher kann schon ein 1 km großer Asteroid ein Bundesland zerstören, ein 100 m großer Asteroid eine Großstadt. Körper die kleiner als 20 bis 30 m sind zerbrechen oft beim Eintritt in die Atmosphäre durch die Reibung, doch nicht immer. Die seltenen aber sehr kompakten Eisenmeteoriten passieren die Atmosphäre nahezu ungebremst. Der bekannte Barringer-Krater in Arizona hat einen Durchmesser von 1.300 m, eine tiefe von 180 m. Obwohl er zum Teil in den 50.000 Jahren seit dem Einschlag erodiert ist, ist er immer noch imposant. Er wurde von einem nur 45 m großen Eisenmeteoriten erzeugt.

Die Wikipedia weist für jedes Jahr ab 2010 mehrere (bis zu 56) Kleinplaneten auf, welche die Erde näher als der Mond passierten, einige pro Jahr passieren die Erde in einer Distanz kleiner als die geostationäre Bahn, also innerhalb eines Radius in dem sich die meisten Satelliten befinden und ab und zu schlägt einer auch auf der Erde ein. Besonders spektakulär war dies am 15.2.2013 in Chelabinsk, als ein nur 20 m großer Planetoid sehr flach in die Atmosphäre eintrat. Die Feuerkugel wurde von vielen Menschen beobachtet, die Druckwelle zerstörte Fenster und beschädigte Gebäude. Dabei war der Asteroid in 29,7 km Höhe explodiert. Dieser kleine Körper setzte eine Energie von 400 bis 500 kT frei, vergleichbar dem eines thermonuklearen Sprengkopfes. Ein deutlich größerer Körper verwüstete 1908 in Tunguska 2.150 km² Fläche (zum Vergleich die Stadt Berlin hat eine Fläche von 891 km²). Seine Größe ist unbekannt, sie wird zwischen 50 und 200 m geschätzt. Auch er zerfiel schon in der Luft, denn ein Krater wurde nicht gefunden. Daneben findet man auf der Erde zahlreiche Reste von alten Einschlagskratern, wobei Wind und Wetter und die Plattentektonik kleinere Krater innerhalb von kürzester Frist einebnen, sodass man sie nicht mehr nachweisen kann.

Viele Asteroiden, die die Erde kreuzten, wurden erst entdeckt, nachdem sie die Erde passiert hatten. Das liegt zum einen daran, dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, sie nachzuweisen, wenn sie sich der Erde von der Sonne beschienen Seite aus nähern, und zum anderen sind die Körper so "klein" (aber immer noch in der Größenordnung der Tunguska und Chelabinsk-Körper, das auch Teleskope sie nur in Erdnähe aufspüren können. Seit Jahren wird eine Mission vorgeschlagen, die vom Weltraum aus systematisch nach allen NEO (Near Earth Orbit) Planetoiden suchen soll, um das Risiko zu benennen und rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, doch auch der letzte Vorschlag - Neocam - fiel bei der Selektion von neuen Missionen im Rahmen des Discoveryprogrammes durch.

Noch eine Bemerkung: ich verwende in diesem Artikel beide gängigen Bezeichnungen "Asteroiden" und "Planetoiden". "Asteroiden" ist die gängige Bezeichnung für alle Körper, welche die Sonne umkreisen und kleiner als ein Zwergplanet sind. Die Bezeichnung ist aber alt und die wörtliche Übersetzung "sternähnlich" gibt deren Natur nicht wieder. Sie ist vielmehr darauf zurückzuführen, dass die Körper so klein sind, das man bis vor wenigen Jahrzehnten sie nicht in einem Teleskop auflösen konnte und sie so anders als Planeten nur ein Punkt waren wie ein Stern. "Planetoiden", also "planetenähnlich" trifft die Sache schon eher. Im Prinzip sind Planetoiden Körper, die von der Planetenentstehung übrig blieben und die aus verschiedensten Gründen nicht in einem der Planeten aufgingen. Die offizielle und aussagekräftigere Bezeichnung "small solar system body" ist im Deutschen nicht gängig, die deutsche Bezeichnung "Kleinplaneten" ist eine starke Verkürzung des offiziellen Begriffs. Unter einem Meteorit versteht man einen kleinen Körper der auf der Erde einschlägt. Der Meteor ist die Leuchtspur eines solchen Körpers beim Passieren der Atmosphäre. Ganz kleine Körper die nur kurz aufleuchten (typischerweise von Staubkorngröße bis maximal einige Zentimeter) nennt man Sternschnuppen.

Technologisch können wir heute einen größeren Asteroiden nicht von einem Einschlag abhalten. Ein Atomsprengkopf, als die Maßnahme mit der größten Energiefreisetzung ist umstritten. Es wird bezweifelt, dass ein nahe des Asteroiden oder auf ihm gezündeter Atomsprengkopf seine Bahn wirksam ändern kann, da auf der Erde die Hauptwirkung von Atomsprengköpfen in ihrer Druckwelle durch die Hitze entsteht, die Druckwelle fällt im Weltraum aber weg. Ein wie im Spielfilm "Armageddon" in den Asteroiden eingelassener, unter der Oberfläche gezündeter Atomsprengkopf könnte den Asteroiden in kleinere Bruchstücke aufspalten, doch manche Forscher meinen, das man dadurch das Problem verschlimmert, weil man nun viele Buchstücke hat, die in der Summe mehr Verwüstungen auf einer größeren Fläche anrichten können. Zudem wäre, wenn man einen Kleinplaneten auf Kollisionskurs rechtzeitig erkennt und die Bahn genau bestimmen kann es möglich den Einschlagsort weiträumig zu evakuieren, das würde bei vielen kleinen Bruchstücken nicht möglich sein. Auf der anderen Seite ist die Chance groß, wenn die Bruchstücke kleiner 20 bis 30 m sind, das die meisten in der Atmosphäre vor dem Einschlag zerfallen.

Die Mission DART (Double Asteroid Redirection Test) widmet sich nun der Frage, inwieweit ein vergleichsweise kleiner Planetoid durch einen kinetischen Aufprall in seiner Bahn beeinflusst werden kann. Selbst wenn die Änderung klein ist, könnte sie ausreichen damit er die Erde passiert, anstatt aufzuschlagen, wenn die Änderung nur frühzeitig erfolgt, da die Abweichung in der Strecke quadratisch mit der Zeit zunimmt.

Geschichte

Ursprünglich war ein gemeinsames Programm AIDA (Asteroid Impact & Deflection Assessment) geplant, bei dem NASA und ESA gemeinsam untersuchen wollten, inwieweit man nur durch einen kinetischen Aufprall einen Asteroiden aus seiner Bahn ablenken kann. Neben dem Impaktor, der späteren Raumsonde DART, war eine europäische Raumsonde AIM (Asteroid Impact Mission) geplant, welche im Dezember 2020 vor DART (damals geplanter Start Juli 2021) aufbrechen sollte und den Planetoiden vor dem Impaktor erreichen sollte und in einen Orbit einschwenken. Von dort aus hätte sie nicht nur die Veränderungen der Oberfläche und Form durch den Einschlag genau protokollieren können. Da Raumsonden eine aktive Funkverbindung haben kann man mittels der Vermessung der Dopplerverschiebung (DDOR-Verfahren) heute ihre Position auf einige Hundert Meter und ihre Geschwindigkeit auf 0,1 mm/s genau vermessen. Durch die Verfolgung der Bahn von AIM und Auswertung der Aufnahmen über längere Zeit kann man so viel genauer eine Bahnänderung des Asteroiden, der ja nach wie vor umkreist wird, bestimmen als nur mittels Teleskop- und Radarbeobachtungen von der Erdoberfläche aus.

Leider blieb die europäische AIM Sonde nur eine Vision. Es fanden sich unter den ESA Mitgliedsstaaten nicht genügend Länder, welche diese Mission finanzieren wollten. Stattdessen wurde eine bescheidenere und später startende Mission, Hera aufgelegt, die 2024 starten soll. Sie wird Didymos nach dem Einschlag besuchen, das ist allerdings nicht so interessant wie den Einschlag selbst zu verfolgen. Hera ist nach der gleichnamigen griechischen Göttin und Gemahlin des Zeus benannt und anders als DART, AIDA und AIM kein Akronym. Der Autor hat allerdings Zweifel, das Hera wirklich 2024 startet, weil es zwei Jahre vor dem Start es praktisch keine Neuigkeiten von der Mission gibt.

Ohne Nachbeobachtung verliert die DART Mission aber viel Wissenschaft. So fand sich wenigstens Italien bereit, einen kleinen 6U Cubesat namens LILACUBE (Light Italian Cubesat for Imaging of Asteroids) beizusteuern. Er basiert auf dem Bus der Firma Argotec die ihn für die ArgoMoon Mission entwickelt hat. LILACUBE wird zehn Tage vor dem Einschlag von DART abgesetzt und ändert dann den Kurs, um nicht selbst zu kollidieren. Er soll den Einschlag selbst beobachten und auch Aufnahmen der abgewandten Seite von Didymos machen, die DART natürlich nicht beobachten kann.

DART schloss die Phase A Mitte 2017 ab, es folgte ein Jahr später Mitte 2018 Phase B.  Danach ging es an die Entwicklung der Raumsonde (phasse C) mit dem Abschluss des Critical Design Review (CDR) im Juni 2019. DART ist eine vergleichsweise preiswerte Raumsonde. Die Gesamtkosten liegen bei 324,9 Millionen Dollar. Die Kosten teilen sich wie folgt auf:

Die geringen Kosten hängen auch mit der kurzen Mission von unter einem Jahr zusammen, zum Vergleich die einen Monat vorher gestartete Lucy wird bis 2033 arbeiten. Daneben hat DART nur ein Hauptinstrument und beinhaltet einige Technologieerprobungen. Diese bedeuten auch das man für die entsprechenden Komponenten nichts bezahlen muss, eventuell sogar für die Tests Geld erhält. Das taucht im offiziellen Budget aber nicht aus. Mit Kosten unter 330 Millionen Dollar liegt DART weit unter dem Rahmen von Discovery Sonden, den normalerweise billigsten Sonden die in der aktuellen Runde 500 Millionen Dollar ohne Start kosten dürfen.

Die Raumsonde

DART wurde unter der Leistung der John Hopkins Universität entwickelt die schon federführend bei zahlreichen anderen Raumsonden des Discoveryprogramms beginnend mit der Raumsonde NEAR war.

Auch wenn primäres Ziel es ist, DART auf einem Kleinplaneten einschlagen zu lassen, setzt die Raumsonde einige neue Technologien um. Die Solarzellen sind vom ROSA-Typ. Die Roll-Out Solar Arrays /ROSA) verzichten auf einen starren Träger, wie er bei anderen Solarzellen verwendet wird. Stattdessen sind sie auf eine flexible Folie angebracht. Das verringert zum einen deren Masse, zum anderen können sie so platzsparend aufgerollt werden. ROSA Arrays erreichen eine Leistungsdichte von 100 bis 120 Watt pro Kilogramm Masse, dagegen erreichen gute Arrays mit einem festen Träger maximal 85 W/kg. ROSA-Solarzellen werden schon seit langem auf der ISS eingesetzt. Jenseits der Erdumlaufbahn ist es der erste Einsatz der ROSA-Arrays. ROSA Solarzellen sind nach NASA Angaben 20 Prozent leichter als konventionelle Solarzellen und benötigen verstaut (beim Start) viermal weniger Platz. Jedes der beiden ROSA-Paneele hat ausgefahren eine Länge von 8,6 m. Belegt ist eine Fläche von 22 m².

Die Solarzellen die zu Beginn der Mission 6,6 kW Leistung liefern, werden benötigt, um die zweite Neuerung, den ersten Einsatz des neuesten Ionentriebwerks der NASA: NASA's Evolutionary Xenon Thruster-Commercial (NEXT-C) benötigt. NEXT-C ist der Nachfolger des NSTAR Treibwerks das in den Raumsonden Deep Space 1 und Dawn eingesetzt wurde.

Die Verwendung von NEXT-C macht auch die großzügige Energieversorgung durch ROSA notwendig, denn mit nur einem Hauptinstrument würde DART normalerweise nur wenige Hundert Watt an Leistung benötigen.

NEXT-C hat eine dreimal höhere Leistungsaufnahme und die Fläche ist trotzdem nur 1,6 mal größer als bei NSTAR. Es ist gedacht für größere Raumsonden. Bei Dawn musste man (NEXT-C war noch nicht verfügbar) z. B. fünf NSTAR Antriebe einsetzen, um die Raumsonde anzutreiben. Gesteigert wurden auch der spezifische Impuls, die Effizienz und die Lebensdauer. Ein Prototyp arbeitete über 55.000 Stunden lang.

Bei DART wird NEXT-C nicht als primärer Antrieb eingesetzt. Schon beim Start wurde die Raumsonde auf einen Kollisionskurs gebracht. Feine Kurskorrekturen erfolgen durch den chemischen Treibstoff. Vielmehr geht es um den ersten Test des Triebwerks im Weltraum, z.B. ob es mit der vorhandenen elektrischen Leistung auskommt. Für das Triebwerk NEXT-C werden 60 kg Xenon mitgeführt von denen nach NASA-Angaben bis zu 10 kg verbraucht werden.

Eine weitere Technologie ist die Hauptantenne eine Spiral Radial Line Slot Array (RLSA) Antenne. Bisher setzten Raumsonden parabolisch geformte Antennen ein, bei denen durch die Form des Reflektor das Signal im Brennpunkt gebündelt ist. Bei RLSA-Antennen ist eine Scheibe mit einem Muster bedeckt, dass die Wellen in die Mitte reflektiert. Radial Line Slot Array (RLSA)-Antennen sind eine Art von Hohlraum- oder Wellenleiterantennen. Es gab schon diese Antennen, aber mit Maximalfrequenzen von 5,8 GHz und einem sehr schmalbandigen Arbeitsbereich von 3 bis 5 Prozent der Wellenlänge. Die RLSA Antenne von DART arbeitet im X-Band zwischen 7,2 und 8,4 GHz. Sie ist in zwei Richtungen schwenkbar.

Eine weitere Technologie sind Transformational Solar Array. Dies ist eine Variante der Solarkonzentratoren. Sie nehmen an den Enden der ROSA-Arrays eine kleine Fläche ein. Sie bestehen aus Solarzellen mit besonders hoher Energieeffizienz und reflektierende Konzentratoren welche das Licht auf die Solarzellen werfen. Funktioniert diese Technologie so können Solarzellenpaneele kleiner werden und mehr Strom liefern. Das ist vor allem für Missionen wichtig die zu Jupiter und weiter fliegen.

Neu und missionskritisch ist die Navigationssoftware an Bord. Traditionelle Navigation bringt DART auf einen Kurs mit einer Unsicherheit in der Position von 15 km. DDOR-Technologien, bei denen auch die ESA mit ihren 35 m DSN Antennen hilft, werden die Positionsgenauigkeit verbessern, doch um ein nur 160 m großes Ziel, möglichst am vorgesehenen Punkt der Oberfläche zu treffen reicht dies nicht. Der Bordcomputer wird die Bilder von Draco auswerten. Dies geschieht in den letzten vier Stunden mit Didymos. Erst eine Stunde vor der Passage ist Dimorphos durch die Kamera erfassbar. SMART-Nav, ein Algorithmus des Bordcomputers, wird dann DART autonom, ohne Eingriffe von außen auf Dimorphos steuern.

Ebenfalls neu ist die Architektur des Bordcomputers. CORE Small Avionics suiTe (CORESAT). Auf einer einzigen Platine ist sowohl ein herkömmlicher Prozessor, wie auch ein reprogrammierbares FPGA untergebracht. Ein FPGA erlaubt es einen Algorithmus in Hardware unterzubringen und so viel schneller auszuführen als nur durch Software. Dies ist bei der zeitkritischen Realzeitverarbeitung der Bilddaten um den Kurs zu korrigieren natürlich sehr wichtig.

DART misst mit ausgebreiteten Solarpaneelen 18 m und hat eine Höhe von 2,6 m. Der eigentliche Bus hat Abmessungen von 1,14 × 1,24 × 1,34 m. Ausleger und Strukturen vergrößern die Abmessungen der Sonde ohne Solarzellen auf 2,6 Höhe × 1,8 m Breite × 1,9 m Länge.

Gesteuert wird DART von 12 Hydrazintriebwerken Sie führen sowohl Lageänderungen wie auch Kurskorrekturen durch. Bis in die Endphase der Mission dienen zur Feststellung der Lage fünf Sonnensensoren und ein Star Tracker.

LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids

Der von der italienischen Raumfahrtagentur ASI bereitgestellte LICIACube ist der einzige Teil von DART der überlebt. Er wird 10 Tage vor der Kollision durch Federn abgestoßen und entfernt sich so mit 4 km/h von DART. Über zehn Tage addiert sich dies zu einer Distanz von rund 1.000 km, sodass er rund 164 Sekunden nach DART Dimorphos passiert - in einem sicheren Abstand von 55 km.

LICIACube ist ein 6U Cubesat. Cubesats sind in der Größe standardisiert. 6U entsprechen Abmessungen von 30 × 20 × 10 cm. Er wiegt 13,6 kg und trägt nur zwei miniaturisierte Kameras. Die erste, LEIA (LICIACube Explorer Imaging for Asteroid) ist eine monochrome Telekamera, die aus minimaler Distanz noch Bilder mit 1,4 m/Pixel anfertigt (Dimorphos ist dann ~ 120 Pixel groß, Didymos etwa ~ 560 Pixel) und die Kamera LUKE (LICIACube Unit Key Explorer), eine Kamera mit einem RGB-Muster (Bayer-Pattern) auf dem Sensor, die Farbaufnahmen macht, aber ein größeres Blickfeld hat.

Zwei Solarzellenpaneele an den Seiten haben jeweils Abmessungen von 20 × 30 cm. Sie liefern den Strom. Je eine omnidirektionale Sende- und Empfangsantenne senden die Daten im X-Band zur Erde. Ohne Richtwirkung und mit der kleinen Sendeleistung bedingt durch die geringe elektrische Leistung benötigt LICIACube für das Übertragen des ganzen Datensets Wochen bis Monate. Ein Star-Tracker liefert Referenzinformationen über die Ausrichtung im Raum, damit LICIACube korrekt ausgerichtet bleibt. Während des Vorbeiflugs dreht sich der Tochtersatellit programmgesteuert, indem er seine Kaltgasdüsen öffnet. Er kann sich nicht wie DART permanent auf Dimorphos ausrichten, dafür fehlen ihm die Fähigkeiten. Daher sind die Kameras so ausgelegt das sie ein größeres Gesichtsfeld erfassen und in jedem Falle Dimorphos abbilden.

Der LICIACube basiert auf dem Cubesat Bus HAWK von Argotec, da diese Firma an Cubesats, welche den Mond umkreisen sollen, arbeitet. Die Anforderungen sind ähnlich, auch beim Mond hat man es mit großen Distanzen von den Empfangsstationen auf der Erde zu tun.

Obwohl der Cubsat sehr leicht ist, hat er alle Subsysteme die auch große Satelliten haben:

• Solarzellenarray, angeschlossen an eine Batterie und eine Stromverteilungseinheit

• Bordcomputer mit integrierter Software, hier mitintegriert ist die Software für das Verarbeiten der Bilder, um Gewicht und Strom zu sparen

• Thermalkontrollsystem, dass die Elektronik und Optik in einem tolerierbaren Betriebstemperaturbereich hält. Es arbeitet rein passiv, indem die Oberfläche mit Spezialfarbe so versehen ist, das im Inneren erträgliche Temperaturen herrschen. Die Umlaufbahn von LICIACube hat nur eine geringe Exzentrizität, verändert also die Entfernung von der Sonne und damit deren Einstrahlung kaum.

• Je zwei Antennen für das Senden und empfangen an gegenüberliegenden Seiten mit Leistungsdaten von 22/6 und 12/2 dbi (Senden/Empfangen).

• Lageerfassung- und Korrektursystem, das die räumliche Lage feststellt und ändert, sowie alle nötigen Kurskorrekturen durchführt. Es steht in nichts größeren Satelliten nach und umfasst alle Teile die auch große Raumsonden haben. Die Lage wird durch einen Startracker, eine Kamera die den Weltraum aufnimmt und die gefundenen Sterne mit einem Katalog vergleicht, erkannt. Zusätzlich sorgen zwei Sonnensensoren dafür, dass die Solarzellen auf die Sonne ausgerichtet sind. Als Inertialsystem dient eine IMU, welche die absolute Lage im Raum wiedergibt. Die Lageänderung erfolgt primär durch ein Schwungrad. Kaltgasdüsen sind als Backup und zum Entsättigen des Schwungrads vorhanden. Mit den Kaltgasdüsen wird auch der Kurs geändert. Wie größere Raumsonden ist auch LICIACube dreiachstenstabilisiert. Die Kaltgas-Triebwerke, die mit Druckgas arbeiten haben eine Gesamtkorrekturkapazität von 56 m/s.

• Der Bordcomputer beinhaltet zwei Algorithmen, welche die Bilder der Kameras zuerst stark reduzieren und dann verarbeiten. Algorithmus 1 informiert den Bordcomputer darüber welche Objekte im Blickfeld sind und Algorithmus 2 errechnet die Korrekturmaßnahmen, wenn ein Objekt aus dem Bildfeld herauswandert (bei 2,9 × 2,9 Grad Größe der LEIA Kamera ist selbst in Minimaldistanz zu Dimorphos das Blickfeld 2,8 × 2,8 km groß, da Dimorphos maximal 1,19 km von der Mitte von Didymos entfernt ist, reicht im Prinzip eine Ausrichtung der Kamera auf das größere Objekt, das ist Didymos).

Experimente

Den geringen Kosten von DART geschuldet, hat die Raumsonde nur ein Experiment die Kamera DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation) die auf dem Design der LORRI Kamera von New Horizons basiert.

DRACO verwendet die Optik von LORRI, ein Cassegrain-Teleskop mit einer Öffnung von 20,8 cm. Sie erhält aber einen moderneren CMOS Sensor. Es ist der dritte Einsatz von LORRI nach New Horizons und leicht modifiziert als L'Lorri an Bord der Trojaner-Asteroidensonde Lucy.

Der CCD-Sensor von New Horizons, der in der fast zeitgleich gestarteten Raumsonde Lucy erneut verwendet wurde, (wie auch das Cassegrain-Teleskop) ist nicht geeignet, schnell ausgelesen zu werden. Kurz vor dem Einschlag sollen die Bilder aber sehr schnell übertragen werden, um möglichst viele Aufnahmen zu gewinnen. Der neue CMOS Sensor kann in weniger als 1 ms ausgelesen werden. Dies geht auch, weil DART sich niemals mehr als 1 AE (AE: astronomische Einheit, die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne, etwa 149,7 Millionen km) von der Sonne entfernt während New Horizons bei über 33 AE Entfernung und entsprechend rund 1.000-mal weniger Licht operieren musste. Verwendet wurde ein BAE CMOS CIS2521 Sensor, der bis 50 krad Strahlendosis qualifiziert ist. Durch Verwendung von fünf Transistoren pro Pixel erreicht er eine Quanteneffizienz von 60 Prozent. Durch die kleineren Pixel ist die Auflösung pro Pixel bei Draco sogar kleiner als der theoretische Wert von 2,7 der Optik von Mikrorad (Draco: 2,48 Mikrorad, LORRI / L'Lorri 4,94 Mikrorad). Der große Sensor mit 5 MPixel ergibt trotz des Teleskops mit einer großen Öffnung und langen Brennweite ein großes Blickfeld. Didymos und Dimorphos sind 1,19 km voneinander entfernt und haben Durchmesser von 780 bzw. 170 m. Wenn DRACO auf das Zentrum von Dimorphos ausgerichtet ist, so kann sie bis zu einer Entfernung von 540 km (Lange Achse des Sensors) bzw. 635 m (kurze Achse) beide Körper noch auf einem Bild abbilden. Das ist weniger als zwei Minuten vor dem Einschlag.

Ungewöhnlich ist die Verarbeitung der Sensordaten. Der Sensor hat zwei Busse. Einer liefert Bilddaten mit einer niedrigen Empfindlichkeit und ein Bus die Bilddaten mit einer hohen Empfindlichkeit. Beide haben 11 Bits Dynamikumfang. Die DPU (Data Processing Unit) von DRACO macht daraus einen Stream mit 16 Bit Dynamikumfang. Die DPU besteht aus einem UT700 LEON3 Processor. Dieser basiert auf dem für die ESA entwickelten LEON3 Prozessor, der wiederum auf der Sparc V8 Architektur basiert. Er leistet bei maximal 166 MHz maximal 200 DMIPS und entspricht in etwa der Leistung eines Pentium II Prozessors Mitte bis Ende der Neunziger Jahre. Unterstützt wir er bei der Verarbeitung der Bilddaten durch ein RTG4 FPGA von Mikrosemi. Der Prozessor beinhaltet auch nichtflüchtiges MRAM für das Image des FPGA, 32 MByte SRAM als Arbeitsspeicher und 16 GByte Flashspeicher für die Bilddaten.

Die DPU hat zahlreiche Modi um die Bilddaten zu reduzieren. Sie kann 2 × 2 Bildpunkte zusammenfassen ("binnen"), die Quantisierung auf 12 Bits reduzieren und nur Teile des Bildes "Fenster" übertragen. Die JHU spricht bei DRACO von einer "4 Mpixel Kamera", sodass wahrscheinlich nur ein quadratischer Ausschnitt übertragen wird.

DRACO's beste Aufnahmen werden 50 cm Auflösung pro Pixel erreichen. Durch Auswertungen der Aufnahmen sollte der Aufschlagsort auf 1 m genau bestimmt werden.

Der Tochtersatellit Lilacube trägt folgende zwei Experimente:

LEIA (LICIACube Explorer Imaging for Asteroid): eine hochauflösende Kamera die monochrome Aufnahmen von Dimorphos machen wird. Bein der größten Annäherung wird LEIA eine Auflösung von 1,4 m/Pixel erreichen. Felsen die beim Einschlag erzeugt werden, dürften bis hinab zu von 4 bis 7 m Durchmesser erkennbar sein. Nach Passage des nächsten Punktes wird die Rückseite von Dimorphos mit einer Auflösung von 1,5 bis 5 m aufgenommen und Felsen mit einer Größe von 4,5 m können erkannt werden.

Die zweite Kamera LUKE (LICIACube Unit Key Explorer) ist eine Weitwinkelkamera, die dafür Farbaufnahmen machen kann und damit die Spektraleigenschaften der Asteroiden charakterisieren kann. Da auch die DRACO monochrom ist, ist sie die einzige Farbkamera an Bord des Sondendoppels. Sie enthält einen Gecko Imager von SCS Space. Diese Kamera wurde schon bei zahlreichen Cubesats eingesetzt und ist sehr leichtgewichtig.

Das Ziel

Als Ziel für DART wurde das Doppelsystem 65803/Didymos gewählt. Didymos ist ein Doppalasteroid. Der Hauptkörper Didymos wurde 1996 entdeckt, im Jahre 2003 entdeckte man, dass der Körper eigentlich aus zwei Kleinplaneten besteht. Er wird von dem kleineren Planetoiden Dimorphos umrundet. Dimorphos konnte entdeckt werden, weil sich Didymos im November 2003 bis auf 7,18 Millionen km der Erde näherte. Von Didymos geht in mittlerer Zukunft keine Kollisionsgefahr für die Erde aus, im Jahre 2123 nähert er sich wieder stark der Erde, aber selbst dann trennen uns noch sichere 5,9 Millionen km von Didymos. Didymos hat eine Bahn mit einem Perihel in 1 AE Entfernung, also der Entfernung der Erdbahn und einem Aphel in 2,3 AE Entfernung, das ist jenseits der Marsbahn, die bis in 1,67 AE Entfernung reicht. Infolgedessen kommt Didymos auch dem Mars nahe, so auf 4,69 Millionen km im Jahr 2144. Didymos hat nach den bisherigen Untersuchungen einen geschätzten Durchmesser von 780 m. Dimorphos, der Satellit einen von 160 bis 170 m. Aufgrund der Umlaufszeit von 11,9 Stunden konnte die Masse relativ genau auf 5 × 10¹¹ kg (500 Mrd. Kilogramm) bestimmt werden. DART wird aber auf dem kleineren Himmelskörper, dem Satelliten Dimorphos einschlagen. Dimorphos ist ungefähr so groß wie ein Hochhaus, der Durchmesser wird auf 164 ± 18 m geschätzt. Wenn er eine Dichte von 2,17 g/cm³ (dieselbe wie Didymos) aufweist, so hat er eine Masse von etwa 4 × 10⁹ kg (4 Mrd. Kilogramm) . DART hat beim Aufprall noch eine Masse von 550 kg und ihre Geschwindigkeit beträgt 6,6 km/s. Sie hat daher nach E=½ mv² eine kinetische Energie von 1,2 × 10¹⁰ Joule (etwa 2,9 kt als TNT-Äquivalent).

Der Missionsablauf

DART startete am 24.11.2021 mit einer Falcon 9 Trägerrakete. Ursprünglich war geplant, das DART aufgrund ihrer kleinen Masse als sekundäre Nutzlast bei einer kommerziellen Mission mitgeführt wird. Der Auftrag hat einen Umfang von 69 Millionen Dollar. Der geplante Starttermin war der Juni 2021, er verschob sich aber auf den November.

DART gelangte auf eine erdnahe Bahn mit Bahndaten von 0.938 × 1.069 AE × 3.8 Grad Neigung. Auf dieser Bahn bleibt DART immer nahe der Erde, entfernt sich in den knapp 11 Monaten bis zum Aufschlag niemals mehr als 0,3 AE von der Erde. Bei der Ankunft sind es nur 11,2 Millionen km. Diese geringe Distanz erhöht die Datenmenge nicht nur von DART selbst, sondern auch von dem Cubesat, der aufgrund seiner Größe keinen Sender mit hoher Leistung oder eine das Signal stark bündelnde Antenne mitführen kann. Didymos passiert kurz nach dem Aufschlag von DART am 24.10.2022 sein Perihel in 11 Millionen km Distanz von der Erde. Die Bahn wird während des "kurzen" Flugs von 11 Monaten kaum geändert werden. Das Ionentriebwerk wird nur sporadisch eingesetzt und wenn, dann so, das es die Bahn nicht ändert. Am 6. März 2022 wird die flugkritische Software für das Ausrichten auf ein Objekt, bei einem entfernten Vorbeiflug an dem 578 m großen Asteroiden 2001 CB1 getestet.

Der zehn Tage vor dem Einschlag wird der LICIACube abgesetzt. Dies erfolgt mit einer definierten Geschwindigkeit von 1,14 ± 0,07 m/s, das sind rund 4,1 km/h. 30 Minuten lang sind die Treibstoffsysteme und Lageänderungssysteme blockiert, um einen erneuten Kontakt mit der DART-Hauptsonde zu verhindern. Nach Absetzen fährt LICIACube seine Subsysteme hoch, mit Ausnahme des Sende-/Empfangssystems, das erst 45 Minuten nach Abtrennung aktiv wird. Von jetzt an kann die Bodenkontrolle Telemetrie empfangen und auch Kommandos senden. Nach Vermessen der Bahn von LICIACube über den Doppler-Shift findet 55 Stunden nach dem Aussetzen das erste Antriebsmanöver statt. LICIACube ändert seine Geschwindigkeit um 1,319 m/s und vor allem die Trajektorie damit er nicht wie DART auf Dimorphos aufschlägt. Dann wird erneut die Bahn vermessen. Die Geschwindigkeit sollte dann auf 0,83 m/s genau bekannt sein und 24 Stunden vor dem Aufschlags DARTS kann LICIACube ein zweites Korrekturmanöver durchführen, sofern nötig. Ziel der Vorbeiflugbahn ist eine minimale Distanz von 55 km mit einem 3 Sigma Intervall von 5 km. Das heißt mit 99 % Wahrscheinlichkeit passiert LICIACube Dimorphos in einer Distanz zwischen 51 und 60 km.

Aktiv ist der Tochtersatellit nur 45 Sekunden vor dem Einschlag bis 200 Sekunden danach. In dieser Zeit nimmt er eine Reihe von Bildern auf. Die kurze Frist ergibt sich durch die hohe Relativgeschwindigkeit von rund 6 km/s relativ zu Dimorphos und dessen Größe. LICIACube wird nach den Planungen 165,41 s nach DART Dimorphos passieren, ist also etwa 1.000 km hinter DART. Die minimale Distanz zu Dimorphos beträgt 55 km.

DART selbst beginnt 30 Tage vor dem Aufschlag Didymos vor dem Himmelsgrund zu fotografieren. Diese Bilder für die optische Navigation werden länger belichtet, sodass mindestens neben dem Ziel drei Sterne zu sehen sind. Sie werden zur Erde übertragen und ausgewertet. Damit ist die genaue Position von Didymos relativ zu den Sternen feststellbar.

Erst 4 Stunden vor dem Einschlag kann die Kamera DRACO die beiden Körper räumlich trennen, zeigt sie also als zwei Objekte. Nur eine Stunde vor der Kollision ist Dimorphos ein Objekt, nimmt also mehr als ein Pixel ein.

Ebenfalls 4 Stunden vor dem Vorbeiflug beginnt die Raumsonde sich selbst auf Dimorphos auszurichten und verarbeitet selbstständig in einem geschlossenen Kreislauf (ohne Eingriff durch die Bodenkontrolle) die Bilder von Draco und korrigiert eigenständig den Kurs durch die Triebwerke. In dieser Endphase sollen so viele Bilder wie möglich übertragen werden, man erwartet eines alle 5 Sekunden. Die letzten Bilder zeigen die Dimorphos zugewandte Hemisphäre von Didymos mit einer Auflösung von etwa 1 m. Das letzte Bild Dimorphos mit einer Auflösung von 20 cm - er nimmt dann aber immer noch nicht mal die ganze Chipfläche ein, sondern nur 820 × 820 von 2.560 × 2.160 Pixeln.

Der Smart-Nav Algorithmus für die autonome Navigation arbeitet zuerst mit Blob-Detection. Das Bild wird dazu mittels Blob Detection in mehrere kleine rechteckige Bilder unterteilt. Ein Blob oder auch Klecks, ist eine Menge zusammenhängender Pixel mit der gleichen Farbinformation. In dem Graustufenbild wird jedes Pixel untersucht, ob seine Helligkeit ungleich Null ist. Ist dies der Fall, gehört es zu einem Blob. Ist der Wert eines unmittelbaren Nachbarn dieses Pixels auch ungleich 0, so gehört dieses ebenfalls zu diesem Blob. So verfährt man, bis keine unmittelbaren Nachbarn mehr dem Blob angehängt werden können. Nun kann ein Rechteck um diesen Blob gelegt werden.

Als nächster Schritt wird beim Centroiding die geometrische Mitte des Blobs bestimmt. Beim Targeting sucht der Algorithmus den kleineren der beiden Blobs auf den Bildern und markiert ihn als den relevanten. Damit ist der Teil der Bildverarbeitung erledigt, nun ist die Guidance and Navigation Software dran. Sie macht eine Voraussage, wo der Blob in nächster Zukunft sein könnte. (Guidance Filter). Bevor aber die Antriebsdüsen für eine Kurskorrektur gezündet werden, findet die Manaever Logic heraus, wie dies am besten geht. Man darf nicht vergessen das durch Ausleger, vor allem die Solarzellen der Schwerpunkt nicht in der Mitte der Sonde ist. Jedes Korrekturmanöver wird bei der stark vergrößernden Kamera ein Verschwimmen / Zittern der Aufnahmen bedeuten, weshalb in den letzten Minuten vor dem Einschlag, wenn vor allem gute wissenschaftlich aussagekräftige Bilder entstehen sollen, SMART-Nav abgeschaltet ist. Das wird etwa 800 km von Dimorphos entfernt der Fall sein. DRACO bildet dann eine Szene von 4 x 4 km ab. Zuletzt führt der Autopilot noch die ermittelten Korrekturen durch.

Der Aufschlag ist nach den derzeitigen Planungen am 26. September 2022 um 7:14 EST, das ist um 13:14 MEZ deutscher Zeit oder (falls wir 2022 nochmals Sommerzeit bekommen) um 12:14 MESZ. Der Aufprall findet unter einem Phasenwinkel von etwa 60 Grad statt (0 Grad bedeutet DART und Sonne befinden sich in einer Linie, 90 Grad entspricht einer Beleuchtung wie bei Halbmond) und unter einem Winkel von 16 Grad zur Bahnebene von Dimorphos.

Es wird erwartet, das sich die Rotationsperiode von Dimorphos durch den Einschlag um rund 10 Minuten ändert. Gemessen am übertragenen Impuls durch DART ist dies wenig. Würde der gesamte Impuls von DART auf Dimorphos übertragen werden, so würde Dimorphos um 0,07 m/s beschleunigt werden, was bei einer Kreisbahngeschwindigkeit von 0,17 m/s leicht über der Fluchtgeschwindigkeit liegt. Tatsächlich entspricht eine Veränderung der Rotationsperiode um 10 Minuten aber weniger als 2 Prozent des Gesamtimpulses der Sonde.

Die Veränderung der Rotationsperiode verändert die Lichtkurve des Gespanns da der größere Didymos regelmäßig Dimorphos verdeckt. So ist auch ohne das beide Körper in einem Foto räumlich getrennt werden können die Umlaufszeit von Dimorphos bestimmbar.

Unterschiede zu Deep Impact

Bei der Mission fallen etliche Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zu der Mission Deep Impact auf. Deep Impact lenkte einen Zielkörper am Unabhängigkeitstag der USA 2005 (4.7.2005) auf den Kometen Tempel 1. Anders als bei DART war der Zielkörper aber vor allem tote Masse, er bestand aus einem massiven Kupferblock und nur wenigen Instrumenten. Die Hauptsonde passierte dagegen den Kometen in sicherer Entfernung. Hier sind die Rollen gerade vertauscht. Bei DART schlägt die Hauptsonde auf dem Asteroiden auf, nur eine kleine Tochtersonde filmt dies. Dies ist dem geschuldet, dass ursprünglich die Sonde als Sekundärnutzlast starten sollte, dafür muss sie sehr leicht sein. Man entschloss sich zwar im April 2019 einen eigenen Start für DART zu buchen, doch da war die Raumsonde schon zu weit in der Entwicklung fortgeschritten, um das Konzept noch zu ändern.

Das ist schade. Die verwendete Trägerrakete Falcon 9 hätte sicherlich über 2 t zu Didymos befördern können. Das ist die dreifache bis vierfache Masse von DART. So hätte DART anstatt eines kleinen Cubesats auch einen schweren Impaktor mitführen können der, dann eine Kopie der Draco Kamera trägt. Dadurch das die Hauptsonde mit ihrem vollwertigen Sende- und Empfangssystem überlebt, es hätte es mehr Bilder des Impaktors gegeben, die DART empfangen und zwischengespeichert hätte, und auch die Bilder von DART nach dem Aufschlag wären besser als die des italienischen Cubesats gewesen. Vor allem aber wäre die Auswirkung näher bei einem späteren Szenario gewesen. Denn dann würde man sicher nicht eine Raumsonde, die vor allem aus filigranen Strukturen besteht, auf einen Kleinplaneten lenken, sondern ein schweres Projektil, das möglichst tief eindringt und so viel Impuls auf das Ziel überträgt aber wenig Impuls auf Auswurfmaterial.

Links / Quellen

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/dart-fact-sheet.pdf

https://brand.redwirespace.com/wp-content/uploads/2021/10/MIS21-010-ROSA_Fly-Sheet_R6_JSR_21_OCT_2021.pdf

https://redwirespace.com/newsroom/dss-to-provide-rosa-solar-array-for-nasas-double-asteroid-redirection-test-dart-mission/

https://www1.grc.nasa.gov/space/sep/gridded-ion-thrusters-next-c/

https://dart.jhuapl.edu/Mission/Impactor-Spacecraft.php

http://www.johnstonsarchive.net/astro/astmoons/am-65803.html

https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/NEXT-C_FactSheet_11_1_21_rev4.pdf

https://scilogs.spektrum.de/go-for-launch/dart_start/

https://www.fairchildimaging.com/products/scmos-sensors/cis2521

https://caes.com/product/ut700#tech-specs

https://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/2016/abstracts/4043.pdf

https://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2021/EPSC2021-160.html?pdf

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2021/pdf/2051.pdf

https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=4620&context=smallsat

https://www.jhuapl.edu/interactive/navigating-double-asteroid-redirection-test-on-its-own

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/experiment/display.action?id=2021-110A-01

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=2021-110A

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-awards-launch-services-contract-for-asteroid-redirect-test-mission

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/d/dart-asteroid

https://az659834.vo.msecnd.net/eventsairwesteuprod/production-atpi-public/ead2de48c5e244d8b8b1506375a60de6

Artikel verfasst am 28.1.2022

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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