MIT inžinieriai sugalvojo geriausią būdą nukreipti Žemei grasinantį asteroidą

2029 metų balandžio 13 dieną už Eifelio bokšto aukštį didesnio skersmens apledėjusi uola 30 kilometrų per sekundę greičiu,praskries pro Žemę, greta planetos geostacionarių palydovų sferos. Tai bus arčiausiai praskriejęs vienas iš didžiausių kitą dešimtmetį Žemės orbitą kirsiančių asteroidų.

Anksčiau iškelta idėja, kad asteroidas, Senovės Egipto chaoso dievo vardu pavadintas 99942 Apophis, praskriedamas 2029 metais, gali pataikyti į gravitacinę rakta skylę — Žemės gravitacijos lauko vietą, kurioje asteroido trajektorija būtų pakeista taip, kad kito praskridimo metu, 2036-aisiais, jis tikriausiai trenktųsi į mūsų planetą.

Laimei, naujesni tyrimai parodė, kad asteroidas praskries pro Žemę tiek 2029-ais metais, tiek ir 2036-aisiais. Tačiau, kaip bebūtų, dauguma mokslininkų mano, kad niekada nėra pernelyg anksti kurti mūsų gimtajai planetai grasinančių asteroidų nukreipimo strategijas.

Tad, MIT tyrėjai sukūrė algoritmą, pagal kurį galima nuspręsti, kokia atskriejančio asteroido nukreipimo misija būtų sėkmingiausia. Jų sprendimo priėmimo metodas atsižvelgia į asteroido masę ir impulsą, atstumą nuo gravitacinės raktaskylės, ir turimo laiko — visa tai turi tam tikrą neužtikrintumo laipsnį, kurį tyrėjai taip pat įvertina, vertindami konkretaus asteroido nukreipimo misijos sėkmės tikimybę.

Tyrėjai pritaikė savo metodą Apophiui ir kitam artimam asteroidui, Bennu, kuris yra 2023 metų NASA misijos OSIRIS-RExs, planuojančios pargabenti į Žemę šio asteroido paviršiaus medžiagos, taikinys. MIT studentų sukurtas ir pagamintas instrumentas REXIS irgi yra šios misijos dalis ir jo užduotis – nustatyti paviršiuje esančių cheminių elementų gausą.

Šį mėnesį žurnale Acta Astronautica pasirodysiančiame straipsnyje, tyrėjai savo sprendimo algoritmą naudoja nustatyti, kokios misijos sėkmingiausiai nukreiptų Apophį ir Bennu pagal įvairius jų skrydžio link gravitacinės raktaskylės scenarijus. Jie sako, kad ši metodika galėtų būti panaudota rengti optimalią misiją ir nukreipti potencialiai pavojingus netoli Žemės skriejančius asteroidus.

„Žmonės daugiausiai svarstė paskutinės minutės nukreipimo strategijas, kai asteroidas jau praskriejo per rakto skylutę ir skrieja susidurti su Žeme,” sako Sung Wook Paek, tyrimo vyr. autorius ir buvęs MIT Aeronautikos ir astronautikos padalinio studentas. „Norėčiau išvengti praskridimo pro raktaskylę anksčiau, iki susidūrimo su Žeme dar likus daug laiko. Tai yra lyg prevencinis smūgis, kurį atlikti lengviau.”

Paeko straipsnio bendraautoriai MIT yra Olivier de Weck, Jeffrey Hoffman, Richard Binzel, ir David Miller.

Planetos žudiko nukreipimas

2007 metais JAV Kongresui pateiktame pranešime NASA apibendrino, kad jei asteroidas skrietų link Žemės, efektyviausiai jį nukreipti būtų galima į kosmosą pasiuntus branduolinę bombą. Detonacijos jėga nublokštų asteroidą į šoną, tačiau planetai tektų susitaikyti su visais branduolinio sprogimo likučiais. Branduolinių bombų, kaip susidūrimo su asteroidais išvengimo priemonės naudojimas, planetos gynybos bendruomenėje tebėra kontroversiškas.

Antras pagal gerumą variantas – pasiųsti „kinetinį smogtuvą” — erdvėlaivį, raketą, ar kokį kitą sviedinį, kuris tinkama kryptimi ir greičiu pataikęs į asteroidą, dalį savo impulso perduotų asteroidui ir pakeistų jo kursą.

„Čia pagrindinis fizikos principas lyg žaidžiant biliardą,” aiškina Paekas.

Tačiau, kad bet kokio kinetinio smogtuvo misija būtų sėkminga, tokios asteroido ypatybės kaip masė, impulsas, trajektorija ir paviršiaus sudėtis turi būti žinomi „taip tiksliai, kaip tik įmanoma“, pažymi de Weckas, aeronautikos, astronautikos ir inžinerijos sistemų profesorius. Todėl, rengdami nukreipimo misiją, mokslininkai ir misijos vadovai privalo atsižvelgti į neužtikrintumą.

„Ar svarbu, jei misijos sėkmės tikimybė yra 99,9 procentai ar tik 90 procentų? Kalbant apie potencialaus planetos žudiko nukreipimą, tai tampa velnioniškai svarbu,” pabrėžia de Weck. „Todėl, vertindami misijas kaip neužtikrintumo lygio funkciją, privalome būti išmanūs. Taip šios problemos niekas nėra vertinęs.”

Užverti skylę

Paekas ir jo kolegos sukūrė simuliacijos kodą, nustatantį didžiausios sėkmės tikimybės asteroido nukreipimo misijos tipą, pateikiant neužtikrintų asteroido savybių rinkinį.

Jie svarsto misijas, kuriose asteroido kurso pakeitimui naudojamas iš bazės paleidžiamas kinetinis smogtuvas. Dar svarstoma iš pradžių į asteroidą pasiųsti zondą, pagal kurio surinktus duomenis būtų suderintas vėliau pasiunčiamas sviedinys, arba nusiųsti du zondus, iš kurių vienas matuotų asteroidą, o kitas šiek tiek pakeistų asteroido kursą, o galiausiai būtų paleistas didesnis sviedinys, kuris asteroido trajektoriją pakeistų taip, kad jis garantuotai nepataikytų į Žemę.

Tyrėjai atliko simuliacijas, pateikdami konkrečius kintamuosius, tokius, kaip asteroido masė, momentas ir trajektorija, o taip pat kiekvieno kintamojo reikšmės paklaidos ribas. Svarbiausia, jie įtraukė asteroido atstumą iki gravitacinės raktaskylės, bei laiką, likusį iki asteroido praskridimo pro ją.

„Raktaskylė yra kaip durys — jeigu jos atviros, didelė tikimybė, kad asteroidas netrukus trenksis į Žemę,” sako Paekas.

Tyrėjai išbandė savo simuliaciją su Apophiu ir Bennu, dviem iš nedaugelio asteroidų, kurių gravitacinės raktaskylės vieta Žemės atžvilgiu yra žinoma. Jie simuliavo įvairius atstumus tarp asteroidų ir jų raktaskylių, o taip pat paskaičiavo kiekvieno atstumo „saugių apylinkių“ ribas, kur asteroidas turėtų būti nukreiptas taip, kad išvengtų tiek susidūrimo su Žeme, tiek ir praskridimo per bet kurią kitą gretimą raktaskylę.

Tada jie palygino, kuris iš trijų pagrindinių misijos tipų sėkmingiausiai nukreiptų asteroidą į saugias apylinkes, priklausomai nuo laiko, kurį mokslininkai gali ruoštis.

Pavyzdžiui, jei Apophis per raktaskylę praskries per penkis ar daugiau metų, tada pakaktų laiko nusiųsti du zondus — vienu būtų išmatuojami asteroido matmenys, o kitas šiek tiek stumtelėtų jį į šoną bandymui — prieš siunčiant pagrindinį smogtuvą. Jei iki raktaskylės praskridimo būtų likę nuo dviejų iki penkių metų, laiko užtektų nusiųsti vieną zondą, kuris išmatuotų asteroidą ir suderintų didesnio smogtuvo, nukreipiančio asteroidą, parametrus. Jei Apophis pro savo gravitacinę raktaskylę praskrietų po metų ar greičiau, jau būtų per vėlu, sako Paekas.

„Per tokį laiką asteroido negalėtų pasiekti net ir pagrindinis smogtuvas,” teigia Paekas.

Bennu atvejis panašus, nors mokslininkai apie jo sandarą žino kiek daugiau, tad, prieš siunčiant pagrindinį smogtuvą, nebūtinai reikėtų siųsti žvalgybinį zondą.

Nauju komandos simuliatoriumi Peakas planuoja ateityje įvertinti ir kitų nukreipimo misijų sėkmės tikimybę.

„Užuot keitę smogtuvo dydį, galėtume keisti paleidimų skaičių ir susidurti su asteroidu po vieną pasiųsti daug mažesnių zondų. Arba galėtume juos paleisti iš Mėnulio, ar kaip kinetinius smogtuvus panaudoti nebenaudojamus palydovus,” sako Paekas. „Sukūrėme sprendimų priėmimų algoritmą, kuris gali padėti kurti misijas.”

Šį tyrimą iš dalies rėmė NASA, Draper Laboratory, ir Samsung Foundation of Culture.