Armada naar Apophis: wetenschappers recyclen oude ideeën voor zeldzame ontmoeting met asteroïde

Wetenschappers wisten al bijna 20 jaar dat een asteroïde genaamd Apophis op vrijdag 13 april 2029 ongewoon dicht langs de aarde zou scheren. Maar de meeste functionarissen bij de ruimtevaartorganisaties besteedden er niet veel aandacht aan toen bijgewerkte metingen uitsloten dat Apophis binnenkort de aarde zou raken.

Nu staat Apophis weer op de agenda, maar dit keer als een wetenschappelijke kans, niet als een bedreiging. Het probleem is dat er niet veel tijd is om een ​​ruimtevaartuig te ontwerpen, bouwen en lanceren om in minder dan vijf jaar in de buurt van Apophis te komen. Het goede nieuws is dat er ontwerpen zijn, en in sommige gevallen bestaande ruimtevaartuigen, die regeringen kunnen hergebruiken voor missies naar Apophis, een rotsachtige asteroïde ter grootte van ongeveer drie voetbalvelden.

Wetenschappers ontdekten Apophis in 2004 en de eerste metingen van zijn baan gaven aan dat er een kleine kans was dat hij de aarde zou raken in 2029 of 2036. Met behulp van meer gedetailleerde radarobservaties van Apophis sloten wetenschappers in 2021 elk gevaar voor de aarde uit voor ten minste de komende 100 jaar.

“De drie belangrijkste dingen over Apophis zijn: Het zal de aarde missen. Het zal de aarde missen. Het zal de aarde missen,” zei Richard Binzel, hoogleraar planetaire wetenschap aan het MIT. Binzel heeft sinds 2020 meerdere conferenties voorgezeten die erop gericht waren steun te vergaren voor ruimtemissies om te profiteren van de Apophis-kans in 2029.

“Een asteroïde van deze omvang komt slechts eens per 1000 jaar zo dichtbij, of minder vaak,” vertelde Binzel aan Ars. “Dit is een experiment dat de natuur voor ons doet, waarbij een grote asteroïde zo dichtbij komt, dat de zwaartekracht en getijdenkrachten van de aarde deze asteroïde gaan trekken en mogelijk schudden. De reactie van de asteroïde is verhelderend voor het binnenste ervan.”

Binzel betoogt dat het belangrijk is om een ​​glimp op te vangen van Apophis voor en na zijn dichtstbijzijnde nadering in 2029, wanneer hij op een afstand van minder dan 32.000 kilometer van het aardoppervlak passeert. Dat is dichterbij dan de banen van geostationaire satellieten.

“Dit is een natuurlijk experiment dat zal onthullen hoe gevaarlijke asteroïden in elkaar zitten, en er is geen andere manier om deze informatie te verkrijgen zonder enorm ingewikkelde ruimteschipexperimenten,” zei Binzel. “Dus dit is een eens-per-vele-duizenden-jaren-experiment dat de natuur voor ons doet. We moeten erachter komen hoe we moeten kijken.”

Deze week maakte de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA de voorlopige goedkeuring bekend voor een missie met de naam RAMSES. Deze missie zou in april 2028 worden gelanceerd, een jaar voor de flyby van Apophis, om begin 2029 een ontmoeting te hebben met de asteroïde. Als de lidstaten van ESA volgend jaar volledige goedkeuring verlenen voor de ontwikkeling, zal het RAMSES-ruimtevaartuig Apophis vergezellen tijdens zijn flyby met de aarde en beelden en andere wetenschappelijke metingen verzamelen voor, tijdens en na de dichtstbijzijnde nadering.

De uitdaging om RAMSES in minder dan vier jaar te bouwen en te lanceren, zal dienen als goede oefening voor een mogelijk toekomstig scenario in de echte wereld. Als astronomen een asteroïde vinden die echt op ramkoers ligt met de aarde, kan het nodig zijn om snel te reageren. Als er genoeg tijd is, kunnen ruimtevaartorganisaties een verkenningsmissie opzetten en indien nodig een missie om de asteroïde af te buigen of om te leiden, waarschijnlijk met behulp van een techniek die vergelijkbaar is met die welke in 2022 door NASA’s DART-missie werd gedemonstreerd.

“RAMSES zal aantonen dat de mensheid een verkenningsmissie kan inzetten om een ​​inkomende asteroïde binnen een paar jaar te ontmoeten,” zei Richard Moissl, hoofd van het planetaire verdedigingskantoor van ESA. “Dit type missie is een hoeksteen van de reactie van de mensheid op een gevaarlijke asteroïde. Een verkenningsmissie zou eerst worden gelanceerd om de baan en structuur van de inkomende asteroïde te analyseren. De resultaten zouden worden gebruikt om te bepalen hoe de asteroïde het beste kan worden omgeleid of om niet-inslagen uit te sluiten voordat een dure deflectormissie wordt ontwikkeld.”

Het afschudden van de spinnenwebben

Om een ​​lancering van RAMSES in 2028 haalbaar te maken, zal ESA het ontwerp van een ruimtevaartuig van ongeveer een halve ton, genaamd Hera, hergebruiken. De lancering hiervan staat gepland voor oktober, met als missie om het binaire asteroïdensysteem te onderzoeken dat het doelwit is van het DART-impactexperiment in 2022. Door het ontwerp van Hera te kopiëren, wordt de tijd die nodig is om RAMSES naar het lanceerplatform te krijgen, verkort, aldus ESA-functionarissen.

“Hera heeft laten zien hoe ESA en de Europese industrie strikte deadlines kunnen halen en RAMSES zal dit voorbeeld volgen”, aldus Paolo Martino, die bij ESA leidinggeeft aan de ontwikkeling van Ramses, wat staat voor Rapid Apophis Mission for Space Safety.

ESA’s ruimteveiligheidsraad heeft onlangs voorbereidend werk voor de RAMSES-missie goedgekeurd met behulp van fondsen die al in het budget van het agentschap zitten. OHB, de Duitse ruimtevaartuigfabrikant die Hera bouwt, zal ook het industriële team leiden dat aan RAMSES werkt. De kosten van RAMSES zullen “aanzienlijk lager” zijn dan de 300 miljoen euro ($380 miljoen) kosten van de Hera-missie, schreef Martino in een e-mail aan Ars.

“Er is nog zoveel dat we nog moeten leren over asteroïden, maar tot nu toe moesten we diep het zonnestelsel in om ze te bestuderen en zelf experimenten uitvoeren om interactie met hun oppervlak te krijgen”, aldus Patrick Michel, planetoloog bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en hoofdonderzoeker van de Hera-missie.

“Voor het eerst ooit brengt de natuur er een naar ons toe en voert het experiment zelf uit,” zei Michel in een persbericht. “Het enige wat we hoeven te doen is toekijken hoe Apophis wordt uitgerekt en samengeperst door sterke getijdenkrachten die aardverschuivingen en andere verstoringen kunnen veroorzaken en nieuw materiaal van onder het oppervlak kunnen onthullen.”

Ervan uitgaande dat het volgend jaar definitief groen licht krijgt, zal RAMSES zich aansluiten bij NASA’s OSIRIS-APEX-missie om Apophis te verkennen. NASA stuurt het ruimtevaartuig, dat zich al in de ruimte bevindt na zijn gebruik op de OSIRIS-REx-missie om asteroïdemonsters terug te brengen, naar een rendez-vous met Apophis in 2029, maar het zal pas een paar weken na zijn dichte flyby langs de aarde bij zijn nieuwe doelwit aankomen. De complexiteit van de orbitale mechanica verhindert een eerdere rendez-vous met Apophis.

Observaties van OSIRIS-APEX, een groter ruimtevaartuig dan RAMSES met een geavanceerde reeks instrumenten, “zullen een gedetailleerd beeld geven van hoe Apophis eruitziet na de ontmoeting met de aarde”, aldus Binzel. “Maar totdat we de toestand van Apophis voor de ontmoeting met de aarde hebben vastgesteld, hebben we slechts één kant van het plaatje.”

Wetenschappers dringen er bij NASA ook op aan om te overwegen om een ​​paar in de mottenballen gelegde wetenschappelijke sondes te lanceren op een traject om Apophis te passeren, enige tijd voor de ontmoeting met de aarde in april 2029. Deze twee ruimtevaartuigen werden gebouwd voor NASA’s Janus-missie, die het agentschap vorig jaar annuleerde nadat de missie ten prooi viel aan vertragingen bij de lancering van NASA’s grotere asteroïde-explorer Psyche. De Janus-sondes zouden op dezelfde raket worden gelanceerd als Psyche, maar problemen met de Psyche-missie zorgden voor een vertraging van de lancering van meer dan een jaar.

Ondanks de vertraging kon Psyche nog steeds zijn bestemming in de asteroïdengordel bereiken, maar de nieuwe lanceerbaan betekende dat Janus de twee binaire asteroïden die wetenschappers oorspronkelijk met de sondes wilden verkennen, niet zou kunnen bezoeken. Nadat ze bijna $ 50 miljoen aan de missie hadden uitgegeven, zette NASA de twee Janus-ruimtevaartuigen, elk ongeveer zo groot als een koffer, in langdurige opslag.

Tijdens de meest recente workshop over Apophis-missies in april luisterden wetenschappers naar presentaties over meer dan 20 concepten voor ruimtevaartuigen en instrumentmetingen bij Apophis.

Ze omvatten een idee van Blue Origin, het ruimtevaartbedrijf van Jeff Bezos, om zijn Blue Ring-ruimtesleepboot te gebruiken als een hostplatform voor meerdere instrumenten en landers die naar het oppervlak van Apophis zouden kunnen afdalen, ervan uitgaande dat onderzoeksinstellingen genoeg tijd en geld hebben om hun ladingen te ontwikkelen. Een startup genaamd Exploration Laboratories heeft voorgesteld om samen te werken met NASA’s Jet Propulsion Laboratory voor een kleine ruimtemissie naar Apophis.

“Aan het einde van de workshop was het mijn taak om te proberen consensus te bereiken, want als we geen consensus hebben over onze topprioriteit, eindigen we misschien met niets,” zei Binzel. “De consensusaanbeveling voor ESA was om meer door te gaan met RAMSES.”

Deelnemers aan de workshop duwden NASA ook zachtjes aan om de Janus-sondes te gebruiken voor een missie naar Apophis. “Apophis is een missie op zoek naar een ruimteschip, en Janus is een ruimteschip op zoek naar een missie,” zei Binzel. “Vanwege efficiëntie en basislogica heeft Janus naar Apophis de hoogste prioriteit.”

Een kwestie van geld

Maar NASA’s wetenschapsbudget, en met name de financiering van zijn planetaire wetenschapsvisie, staat onder druk. Eerder deze week annuleerde NASA een reeds gebouwde maanrover genaamd VIPER nadat hij $ 450 miljoen aan de missie had uitgegeven. De missie had de oorspronkelijke ontwikkelingskosten met meer dan 30 procent overschreden, wat leidde tot een automatische annuleringsbeoordeling.

Het financieringsniveau voor het directoraat voor wetenschappelijke missies van NASA ligt dit jaar bijna 500 miljoen dollar lager dan het budget van vorig jaar en 900 miljoen dollar lager dan het budget dat het Witte Huis heeft aangevraagd voor het begrotingsjaar 2024. Vanwege het krappe budget hebben NASA-functionarissen gezegd dat ze voorlopig niet beginnen met de ontwikkeling van nieuwe planetaire wetenschappelijke missies, omdat ze zich richten op het afronden van projecten die al in de pijplijn zitten, zoals de Europa Clipper-missie, de Dragonfly-quadcopter voor een bezoek aan de maan Titan van Saturnus en de Near-Earth Object (NEO) Surveyor-telescoop voor het zoeken naar potentieel gevaarlijke asteroïden.

NASA heeft het Janus-team gevraagd om te kijken naar de haalbaarheid van een lancering op dezelfde raket als NEO Surveyor in 2027, aldus Dan Scheeres, de hoofdonderzoeker van Janus aan de University of Colorado. Met zo’n lancering in 2027 zou Janus de eerste close-upbeelden van Apophis kunnen vastleggen voordat RAMSES en OSIRIS-APEX er zijn.

“Dit is iets dat we momenteel in een aantal gesprekken met NASA presenteren, gewoon om er zeker van te zijn dat ze begrijpen wat de mogelijkheden zijn,” zei Scheeres vorige week tijdens een vergadering van de Small Bodies Advisory Group, die de asteroïdewetenschappelijke gemeenschap vertegenwoordigt.

“Deze ruimtevaartuigen zijn in staat om toekomstige wetenschappelijke flyby-missies uit te voeren naar asteroïden in de buurt van de aarde,” zei Scheeres. “Elk ruimtevaartuig heeft een hoogwaardige Malin-zichtbare imager en een thermische infrarood-imager. Elk ruimtevaartuig heeft de mogelijkheid om een ​​asteroïdensysteem te volgen en in beeld te brengen door middel van een snelle flyby.”

“De wetenschappelijke terugkeer van een Apophis-flyby langs Janus zou een van de beste kansen kunnen zijn die er zijn”, aldus Daniella DellaGiustina, hoofdwetenschapper van de OSIRIS-APEX-missie van de Universiteit van Arizona.

Binzel, die de leiding heeft gehad over de Apophis-missies, zei dat er ook een symbolische waarde zit in het feit dat een ruimteschip de asteroïde langs de aarde begeleidt. Apophis zal zichtbaar zijn in de lucht boven Europa en Afrika wanneer het het dichtst bij onze planeet is.

“Als 2 miljard mensen dit bekijken, zullen ze zich afvragen: ‘Wat doen onze ruimtevaartorganisaties?’ En als het antwoord is: ‘Oh, we zullen er zijn. We komen er’, wat OSIRIS-APEX is, denk ik niet dat dat een heel bevredigend antwoord is,” zei Binzel.

“Als internationale ruimtevaartgemeenschap willen we op 13 april 2029 laten zien dat we er zijn en dat we toekijken, en dat we toekijken omdat we zoveel mogelijk kennis en begrip willen vergaren over deze objecten, omdat het ooit van belang kan zijn,” zei Binzel. “Op een dag zou onze gedetailleerde kennis van gevaarlijke asteroïden een van de belangrijkste kennisbases zijn voor de toekomst van de mensheid.”