Asteroid Retrieval – Die Entscheidung ist gefallen

Die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA plant, einen erdnahen Asteroiden einzufangen und in den Mondorbit zurückzuführen, damit er dort von Astronauten erforscht werden kann. Nun wurden weitere Details dieses Konzeptes bekanntgegeben.

Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NASA, SpaceNews.

Sie sind Boten aus der Frühzeit unseres Sonnensystems: Asteroiden. Bei ihnen handelt es sich um Himmelskörper, die sich zu Zeiten der Entstehung der Planeten gebildet haben, sich jedoch nicht zu Planeten weiterentwickelt haben. Vielmehr sind sie unterschiedlich große Gesteinsbrocken, die sich seit ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren kaum verändert haben. Forscher hoffen deshalb, durch Untersuchungen von Asteroiden Genaueres über die Entstehung unseres Sonnensystems herauszufinden. Deshalb statteten bereits zahlreiche Raumsonden Asteroiden einen Besuch ab. Um Asteroiden noch genauer zu untersuchen, ist auch geplant, mithilfe von Sonden Proben zu entnehmen und diese Proben auf der Erde zu landen, damit Wissenschaftler sie in irdischen Labors analysieren können. Zu einer solchen Mission (auch Sample Return genannt) ist momentan die japanische Sonde Hayabusa 2 unterwegs, 2016 soll die amerikanische Osiris-REx-Mission folgen. Doch die aufwendigste Mission, um einen Asteroiden zu erforschen, steht noch bevor: Asteroid Redirect.

Diese Mission wurde 2013 der Öffentlichkeit vorgestellt und besteht aus zwei Teilen: Als erstes startet eine unbemannte Sonde (ARV, Asteroid Retrieval Vehicle) und fliegt zu einem erdnahen Asteroiden (NEA, Near Earth Asteroid). Dieser wird in eine Art Beutel verfrachtet, der sich an der Vorderseite des ARV befindet. Dann fliegt das ARV mitsamt dem eingefangenen Asteroiden wieder zurück und schwenkt in eine Umlaufbahn um den Mond ein. Daraufhin fliegen Astronauten mithilfe von Orion und dem Space Launch System, das neue Raumschiff und die neue Schwerlastträgerrakete der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur NASA, zu dem ARV und erforschen den Asteroiden. Diese Mission wurde noch nicht von dem US-Kongress bewilligt, ihr endgültiger Ablauf wurde nun festgelegt. Am 25. März wurde dann in einer Telefonkonferenz bekanntgegeben, dass die Wahl auf Option B (Entnahme eines kleinen Brockens von der Oberfläche eines größeren Asteroiden) gefallen ist.

2020 soll das ARV (Asteroid Retrieval Vehicle) zu einem erdnahen Asteroiden starten. Momentan gibt es drei Kandidaten für den genauen Zielasteroiden: Itokawa, Bennu und 2008 EV5. Itokawa besteht zum größten Teil aus Silikaten, der Asteroid wurde bereits 2005 von der japanischen Raumsonde Hayabusa erforscht. Aufnahmen zeigen, dass sich auf seiner Oberfläche hunderte von kleinen Brocken befinden, geeignet zur Rückführung durch das ARV. Bennus genaue Zusammensetzung ist noch unbekannt, er wird jedoch ab 2018 von der amerikanischen Raumsonde Osiris-REx genauer untersucht werden. 2008 EV5 besteht zum hauptsächlich aus Kohlenstoff, er wurde bisher nur von der Erde aus mithilfe von Radar untersucht. Welcher dieser Asteroiden letztendlich ausgewählt wird, wird 2019 entschieden, bis dahin wird weiterhin nach anderen geeigneten Kandidaten gesucht.

Zunächst wird der Zielasteroid mithilfe von mehreren optischen Kameras an Bord des ARVs während mehreren Vorbeiflügen in etwa einem Kilometer Entfernung genauer untersucht, um geeignete Brocken auf der Oberfläche zu finden. Danach werden zunächst zwei Trockenläufe an bis zu drei verschiedenen Stellen des Asteroiden durchgeführt. So wird die Gravitation an diesen Orten genauer bestimmt, außerdem können schärfere Bilder aufgenommen werden. Dann wird mit dem Einsammeln eines Brockens begonnen. Das ARV steuert auf den Felsen zu und landet dann mithilfe von drei Landebeinen über ihm. Zwei Roboterarme, an deren Enden mehrere kleine Schaufeln angebracht sind (Microspines), greifen sich dann den Brocken. Ist diese Aufgabe abgeschlossen, stößt sich das ARV mithilfe der Landebeine wieder von der Oberfläche des Asteroiden ab. Dabei wird der Brocken sozusagen von dem Asteroiden abgerissen. Sollte die Entnahme des Brockens beim ersten Anlauf scheitern, sind vier weitere Versuche möglich.

Nachdem die Probe entnommen wurde, wird sie zunächst drei Tage lang mithilfe der Kameras untersucht. Danach beginnt der nächste Teil der Mission: Die Demonstration einer Technik zur planetaren Verteidigung. So sollen potenziell gefährliche Asteroiden davon abgehalten werden, auf die Erde einzuschlagen. Zu diesem Zweck fliegt das ARV mehrmals um den Asteroiden herum. Die Schwerkraft des Raumfahrzeuges bewirkt dabei eine minimale Bahnänderung, die im realen Einsatz den Asteroiden von seinem Kollisionskurs mit der Erde ablenken könnte. Nachdem die Ergebnisse dieser Demonstration bestätigt wurden, führt das ARV den Asteroidenbrocken in einen Mondorbit zurück, damit er dort von Astronauten eingehend untersucht werden kann. Dazu verfügt das ARV über eine innovative Antriebstechnologie: Einen Solar-elektrischen Antrieb.

Bei konventionellen Raketenantrieben wird der Treibstoff zusammen mit dem Oxidator verbrannt, die Verbrennungsgase werden nach hinten ausgestoßen. Der Rückstoß treibt das Raumfahrzeug nach vorne. Bei einem Solar-elektrischen Antrieb wird dagegen ein elektrisch geladenes Gas (häufig wird Xenon verwendet) mithilfe eines Elektromagnetfeldes nach hinten ausgestoßen und so das Raumfahrzeug angetrieben. Die nötige elektrische Energie wird von Solarzellen produziert. Zwar ist der Schub relativ gering, der mithilfe eines solchen Antriebes erzeugt werden kann, der Antrieb ist jedoch wesentlich effizienter als ein gewöhnlicher Raketenantrieb. So kann das Gewicht des Raumfahrzeuges erheblich reduziert werden, da nun weniger Treibstoff benötigt wird. Solar-elektrische Antriebe werden bereits in Erdsatelliten eingesetzt, der Antrieb des ARVs ist jedoch um ein vielfaches leistungsstärker. Es wird etwa sechs Jahre dauern, bis das ARV mithilfe dieser Antriebstechnologie in einen Orbit 70.000 km über der Mondoberfläche eingeschwenkt ist. Unterdessen wird der Brocken weiterhin untersucht.

Dann, Ende 2025, soll es soweit sein: Das Space Launch System (SLS), die neue Schwerlastträgerrakete der NASA, hebt von dem Startplatz LC-39B des Kennedy Space Centers in Florida ab. Es transportiert Orion, das neue Raumschiff der Behörde, an Bord von ihm sind zwei Astronauten. Die Oberstufe der Rakete transportiert das Raumschiff zum Mond. Orion schwenkt in denselben Orbit wie das ARV ein und dockt dort an dem Raumfahrzeug mitsamt dem Asteroiden an. Die beiden Astronauten führen daraufhin mehrere Außenbordeinsätze in ihren Raumanzügen durch, bei denen sie den Asteroidenbrocken genauer untersuchen und Bodenproben von ihm entnehmen. Nach etwa sieben Tagen dockt Orion wieder von dem ARV ab und fliegt zurück zur Erde. Das kapselförmige Crewmodul tritt in die Erdatmosphäre ein und landet daraufhin sanft mithilfe von Fallschirmen im pazifischen Ozean. Die Mission wird insgesamt 24 bis 25 Tage dauern.

Das wichtigste Ziel von Asteroid Retrieval ist es, Technologien zu testen, die für das Fernziel der NASA von großer Bedeutung sein könnten, nämlich einer bemannten Landung auf dem Mars. Dazu zählt etwa der solarelektrische Antrieb des ARVs, der auch ein Marsraumschiff antreiben könnte. Auch wird es geübt, große Objekte in einen Mondorbit zu befördern und diese Umlaufbahn dann als Brückenkopf für eine Mission zu nutzen. Außerdem werden Außenbordeinsätze jenseits des niedrigen Erdorbits und das Einsammeln von Bodenproben trainiert. Des weiteren kann das ARV die technische Basis für ein Raumschiff darstellen, mit dem die Marsmonde Phobos und Deimos erforscht werden. Insgesamt wird das ARV wohl 1,25 Milliarden Dollar plus die Trägerrakete kosten, die gesamte Mission dürfte wohl mit drei bis vier Milliarden Dollar zu Buche schlagen. SLS und Orion werden bereits entwickelt, hier arbeitet man gegenwärtig auf eine wichtige Designprüfung hin, bei der das Design eingefroren und mit der Produktion der Hardware begonnen wird. Für die Entwicklung des ARVs hat die NASA bei dem Kongress für das Fiskaljahr 2016 220 Millionen Dollar angefragt, diese Geldmittel sind jedoch noch nicht bewilligt.

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