Астероиды и мы, часть II09.01.2017 02:53

В первой части я много рассказывал о том, как современные методы наблюдательной астрономии, завязанные на гигапиксельные камеры и суперкомпьютеры петафлопного масштаба, изменяют подход к астероидной опасности, переводя ее из теоретической в более-менее практическую плоскость.

Прежде чем поговорить о методах отклонения потенциальных импакторов, необходимо еще раз посмотреть на ситуацию с тем, какие из малых тел Солнечной системы представляют опастность. Для начала разобьем все малые тела, вращающиеся вокруг Солнца, на группы по орбитальным параметрам и выделим из них несколько групп — Околоземные Астероиды, Астероиды главного пояса, Кентавры, объекты пояса Койпера.

Крупнейший из потенциально опасных околоземных астероидов — 4179 Таутатис

Орбиту Земли в 99,5% случаев пересекают околоземные астероиды, орбита которых лежит где-то между поясом астероидов и внутренней частью Солнечной системы (очевидно, внутри орбиты Земли). Однако количественно это одна из самых малочисленных групп астероидов. Так, на сегодня известно около 15000 околоземных астероидов и более 800000 астероидов главного пояса. Однако орбиты астероидов главного пояса стабилизируются Юпитером и Ураном, и только в результате довольно редких столкновений достаточно большие обломки могут перейти на опасные орбиты. Поэтому, несмотря на большую численность, астероиды главного пояса не представляют значительной опасности Земле.

Следующим по значимости источником опасных тел является группа Кентавров — внутренняя часть пояса Койпера, расположенная между орбитами Юпитера и Нептуна. Это динамически нестабильная территория, из которой малые тела во взаимодействии с планетами-гигантами рано или поздно расшвыривает внутрь или наружу Солнечной Системы, и именно Кентавры являются основным источником короткопериодических комет. Эта группа тел, гораздо более сложная для обнаружения, чем астероиды главного пояса или тем более околоземные, является источником почти 0,5% пересечений малыми телами орбиты Земли (речь идет о тех Кентаврианцах, перигелий которых сдвинулся внутрь орбиты Земли, а афелий остался где-то возле орбиты Юпитера, в случае если афелий тоже сдвигается внутрь Сол. Системы, то объект переходит в группу околоземных астероидов).

Различные группы внешних астероидов. Светло-коричневыми являются объекты Рассеянного диска, Синие — пояса Койпера. Светло- и темнозеленые — Кентавры, серые — Троянцы. Красные точки — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, желтый круг, хотя и соотвествует Солнцу, примерно в 1,5 раза больше, чем орбита Земли. Можно понять, что астероиду из внешних частей Солнечной системы сложно попасть в Землю, которая в 10000 раз меньше диаметра своей орбиты.

Наконец, внешние части Солнечной Системы — пояс Койпера, рассеянный диск и облако Оорта тоже периодически присылают «подарки» к центру, называемые долгопериодическими кометами (их определяют, как кометы с периодом обращения более 200 лет). Однако, несмотря на гигантские оценки общего количества тел в этих группах, орбитальная динамика и низкие скорости приводят к тому, что во внутрь Земной орбиты каждый год залетает не более 3 подобных объекта с потенциально опасными размерами — фактически, на фоне тысяч пересечений орбиты околоземными астероидами вероятность получить столкновение с такой кометой составляет около 0,1%. Однако к объектам из пояса Койпера и облака Оорта мы еще вернемся, а сейчас поговорим про методы отклонения нового «стандартного» астероида…

После того, как астрономы «отфильтровали» все околоземные объекты размером >1 км (на сегодня на пересекающихся с Землей орбитах известно 157 тел размером более 1 км, и это число уже несколько лет практически не растет), стандартной мишенью, на которых стали тренировать свою мысль изобретатели различных способов отклонения астероидов стал нашумевший Апофис — наибольшая из вероятных по размерам и орбите мишень, которую скорее всего найдут рано или поздно астрономы.

В настоящее время придумано несколько десятков способов изменения орбиты астероидов. Давайте перечислим наиболее проработанные из них в порядке возрастания эффективности. Эффективность будем определять, как массу космического аппарата, который осуществляет отклонение астероида в точке нужного отклонения (минимум ~20000 км).

Химические ракетные двигатели, установленные на астероиде. Из плюсов только то, что они есть под рукой и хорошо известны. Для придания минимального импульса (обычно он оценивается в ~0,3 м/с) 10–50 миллионам тонн астероида нужно доставить несколько десятков тысяч тонн топлива — что означает подъем на низкую орбиту земли уже сотен тысяч тонн. В целом у этого варианта нет каких-либо плюсов, нивелирующих такие запредельные затраты.
Электрореактивные двигатели, также установленные на астероиде. С одной стороны, масса топлива может быть порядка десятков тонн, т.к. удельным импульс ЭРД настраивается. С другой стороны — есть серьезный минус в виде вращения астероидой — выдавать импульс в нужном направлении двигатели смогут малую часть времени. Обычно наряду с импульсным воздействием рассматривают еще варианты предварительной остановки вращения астероида или прецессии оси вращения так, чтобы она совпала с направлением, куда выдается тяга (т.е. ДУ переместиться на полюс при этом, точнее полюс на ДУ). В целом, если у нас есть много десятков лет, то это самый реалистичный вариант — технологии более менее готовы.

Результат моделирования применения космического аппарата с ЭРД к потенциальному Апофису. По одной оси отложено время с момента обнаружения, причем первые 1000 дней — создание, запуск и полет к астероиду, а дальше идет время воздействия. По другой оси — доступная масса аппарата в десятках тонн. По третьей — достигнутое отклонение астероида от начальной траектории.
Однако есть довольно интересное переиначивание данного решения, называемое «гравитационный буксир». Здесь мы не устанавливаем двигательную установку с баками на поверхности, а подвешиваем недалеко от астероида, не давая ей притянуться к астероиду тягой двигателей. Взаимное притяжение постепенно стаскивает камень с орбиты (да-да!), выполняя нужную нам работу. Самое главное тут — не давать струям из двигателей ударять в астероид, необходимо расположить нашу ДУ под углами к линии соединяющей КА и астероид. В целом эффективность на килограмм пониже, чем у решения №2, но зато нас не волнует вращение космического тела — и работа выполняется 24×7, поэтому таким образом можно сократить время, за которое тело будет уведено с опасной траектории.

Аналогичное моделирование для гравитационного буксира.
Ударное воздействие. Просто разогнанная болванка на скорости несколько км/с врезается в астероид, придавая ему импульс. Всем хорошее решение (и уже один раз реализованное в учебно-тренировочных целях на комете Темпель в 2005 году), кроме как низкой эффективности. Если взять все тот же многострадальный Апофис, то космический аппарат массой 100 тонн, правильно загнанный в него аж за 20 лет до столкновения (напомню, что изначально у НАСА было 25 лет от обнаружения до возможного столкновения, которое потом стало невозможным) вызвал бы его отклонение всего на 12000 км. Хотя это равно диаметру Земли, т.е. вроде бы заведомо достаточно, такие точности где-то на грани погрешностей измерения и моделирования, т.е. хотелось бы иметь возможность увода тела на 20–30–40 тысяч км.

Моделирование для ударного космического аппарата.
Следующая идея имеет гораздо меньшую проработанность, но весьма красива. Располагаем рядом с удаляемым астероидом фокусирующее зеркало, которое нагревает точку на поверхности до, скажем, 1600С — при этом даже оливин, из которого в основном состоят S и C астероиды, начинает интенсивно испаряться в вакуум, создавая тягу. Принципиальной проблемой может быть только быстрое вращение астероида — если пятно не будет успевать прогреваться, то и тяги мы не получим. Тем не менее технических проблем здесь вагон: необходимо точно удерживать зеркало в нужном положении, перефокусировать наш луч на разные расстояния (т.к.астероид не идеальная сфера, а бугристый камень), в конце концов надувные зеркала диаметром 50…100 метров с оптическим качеством поверхности никто не выводил в космос. Но теоретическая эффективность такого способа весьма высока, она выше, чем у ядерной бомбардировки (!).

Моделирование для солнечного концентратора. «Плато» здесь — превышение дистанции отклонения опасного объекта за пределы орбиты луны, после чего моделирование останавливалось. Видно, что при одной и той же массе аппарата в ~10 тонн он способен справлятся с весьма немаленькими астероидами.
Еще более теоретической является идея «масс-драйвера» — электромагнитной катапульты, кидающей куски астероида, и таким образом придающей ему импульс в нужном направлении. На первый взгляд хорошая идея, так же обходящаяся без привезенной с Земли реактивной массы, однако, очевидно, требующая большого количества разнообразных машин, работающих на астероиде — сама катапульта, «роботы-шахтеры», завод, изготавливающий снаряды, ремонт всего этого. На сегодня не существует даже прототипов подобной техники, впрочем ее разработка не помешает, даже если астероиды таким способом никогда отклонять не понадобится.

Моделирование для катапульты — видно, что эффективность этой схемы быстро падает с уменьшением массы космического аппарата, но тем не мене является весьма высокой.
Впрочем, если мы хотим минимизировать не только реактивную массу, но и машинерию, то есть вариант передвижения астероидов за счет YORP-эффекта. Грубо, речь идет о том, что вращающийся камень с одной стороны нагрет, а с другой холодный, поэтому возникает асимметрия тяги за счет своеобразного «фотонного двигателя» на ИК-фотонах. Этот эффект невелик, однако за счет раскраски астероида отражающей и поглощающей краской можно добиться смещения на тысячи и десятки тысяч километров за десятилетия. Но только для небольших астероидов, размером не выше 150 м, т.к. для YORP-эффекта важно соотношение площади к объему. Подсчитано, что для опасного астероида размером ~100 метров нужно всего 2–3 тонны краски двух цветов, т.е. такой космический аппарат-маляр скорее всего получится запустить имеющимися носителями.

Пояснение одной из основных частей YORP — эффекта Ярковского, вызывающего смещение орбиты.
Подбираемся к тематике блога — надповерхностный ядерный взрыв. Плотность энергии в ядерном боеприпасе позволяет творить чудеса и передавать в одно мгновение весьма приличный импульс. Ядерные боеголовки, особенно против тел диаметром меньше 1 километра, дают эффект даже если времени до возможного столкновения с Землей осталось немного. Однако, интересно, что результат заметно зависит от высоты подрыва над поверхностью, и каналов выхода энергии из ядерного взрывного устройства. Если предположить, что боеголовка имеет параметры ББ МБР Р-36М, т.е. мощность 750 кт и вес 600 кг, то передаваемый импульс астероиду Апофис составит ~0,3 м/с при оптимальной высоте подрыва 48 метров. Значит, на расстояние 20000 км после этого астероид уйдет за ~2 года. Удивительно, но заметная часть импульса передается путем прогрева и сублимации поверхности нейтронным излучением — рентген поглощается в слишком тонком слое от поверхности, и скорее перегревает его, а вот нейтроны оказываются оптимальными. Т.е. сразу виден путь оптимизации — двухступенчатые термоядерные боеголовки максимальной массы, которую технически возможно отправить к астероиду, в предельном варианте — с дейтерий-тритиевым топливом, а не дейтерий-литиевым (которое дает гораздо меньше нейтронов).

Аналогичное моделирование для ядерной бомбардировки.
Наконец, последний отобранный вариант — заглубленный ядерный взрыв. Если раньше под этим понимали бурение на астероиде некой скважины, куда закладывается заряд, то сейчас моделирование показывает, что расположение ЯБ внутри импактора, влетающего в тело на скорости в несколько км/с и подрыв буквально в нескольких метрах ниже поверхности в кратере обеспечивает примерно тот же импульс. В этот раз он обеспечивается массой обломков со средней скоростью ~80–100 м/с, что означает гораздо более высокое использование энергии ядерного заряда — отогнать астероид массой с многострадальный Апофис (надеюсь, на Апофисе никто не читает профильную литературу по защите от астероидов) на расстояние 20000 км от точки прицеливания в Землю теперь можно за 10–15 дней (!). В настоящее время подобный вариант является ультимативным, в том числе обеспечивающим возможное спасение от долгопериодических комет. Напомню, что что такие кометы, хоть и очень маловероятные кандидаты на Апокалипсис, необнаружимы раньше чем за 9–12 месяцев до даты импакта, хотя обзорный телескоп диаметром метров 12–15 или космического базирования мог бы заметно расширить этот срок.

Небольшой сферический астероид в вакууме и начальные стадии взрыва импактора мощностью 50 кт. Через 30 миллисекунд от камня останутся рожки да ножки.

Необходимо, правда, вспомнить и пару минусов заглубленного ядерного взрыва. Прежде всего это зависимость импульса действия взрыва от внутренней структуры тела, некое количество обломков, все равно попадающее на землю (впрочем, тела размером меньше 10 метров, как мы знаем, практически полностью безопасны — вряд ли в результате взрыва будут появляться фрагменты больше этого размера), ну и традиционная слабая проработанность подобных космических аппаратов, хотя тут как посмотреть — у военных похоже есть ядерные перентраторы, которые заглубляются в грунт на скорости в несколько км/с (помните испытание такого с разгоном на ракетной тележке на рельсовом пути до 2 км/с?).

Расчетное выпадение обломков (неясного размера) при отклонении Апофиса заглубляемым ядерным пенетратором за 20 дней до столкновения.

Еще, одним, довольно фатальным минусом ядерного оружия для отражения астероидной угрозы, является множество политических и безопасностных ограничений по использованию ядерного оружия в космосе. Пока существуют только механизмы противодействия запуску ядерной бомбы к астероиду, и не существует механизмов по быстрому воплощению этой задачи в жизнь. А если время не важно — то как мы видим, есть методы и не хуже, и где-то интереснее.

Металлический астероид Психея в представлении художника.

Пока же деньги получают только телескопы и исследовательские миссии к астероидам — на сегодня на орбите находятся посетивший Цереру и Весту Dawn, китайский аппарат Чаньэ-2, совершивший пролет астероида 4179 Таутатис, программы по возврату образцов с астероидов «Хаябуса-2» к 162173 Рюгу (тоже потенциально опасный объект) и OSIRIS-REx к 101955 Бенну (еще один крупнейший из потенциально опасных для Земли астероидов — замечаете тенденцию?).

Буквально на днях НАСА выбрала для финансирования также орбитер к одному из крупнейших астероидов главного пояса 16 Психея (его особенность в том, что он практически полностью состоит из металла — железа, никеля и кобальта, при весе в несколько сот миллиардов тонн) и миссию пролета 6 астероидов из Троянцев — тел запертых в точках Лагранжа на орбите Юпитера. В этом отборе, кстати, проиграл космический телескоп NEOCam, предназначенный для поиска околоземных астероидов в ИК-диапазоне из точки Лагранжа L1, однако было решено продолжить его разработку.

P.S. Существует довольно забавный симулятор импактов, позволяющий расчитать последствия от столкновений Земли с астероидами. Не очень наглядный (выводы текстом), но весьма подробный в плане последствий.