Ein beliebtes Thema in der Filmwelt ist das eines kommenden Asteroiden, der das Leben auf dem Planeten auslöschen könnt, und die Helden werden in den Weltraum geschickt, um ihn zu sprengen. Aber ankommende Asteroiden können schwieriger zu zerstören sein, als Wissenschaftler bisher dachten. Das ergab eine Johns Hopkins-Studie, die ein neues Verständnis von Gesteinsfrakturen und eine neue Computermodellierungsmethode zur Simulation von Asteroidkollisionen verwendete.
Die Ergebnisse, die in der Printausgabe der Icarus vom 15. März veröffentlicht werden, können bei der Erstellung von Asteroidenauswirkungs- und Ablenkungsstrategien helfen, das Verständnis für die Entstehung des Sonnensystems verbessern und helfen, die Entwicklung des Asteroidenbergbaus zu konzipieren.
“Wir glaubten früher, dass je größer das Objekt ist, desto leichter würde es zerbrechen. Denn größere Objekte haben eher Schwachstellen. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass Asteroiden stärker sind, als wir früher dachten, und dass mehr Energie benötigt wird, um vollständig zerstört zu werden”, sagt Charles El Mir. Er ist Doktorand am Department of Mechanical Engineering der Johns Hopkins University und Erstautor der Studie.
Forscher verstehen physikalische Materialien wie Gesteine im Labormaßstab (etwa die Größe der Faust), aber es war schwierig, dieses Verständnis auf Objekte in Stadtform wie bei Asteroiden zu übertragen. In den frühen 2000er Jahren erstellte ein anderes Forschungsteam ein Computermodell, in das sie verschiedene Faktoren wie Masse, Temperatur und Materialbrüchigkeit einfließen ließen und simulierte einen Asteroiden mit einem Durchmesser von etwa einem Kilometer, der frontal in einen Ziel-Asteroiden mit einem Durchmesser von 25 Kilometern bei einer Aufprallgeschwindigkeit von fünf Kilometern pro Sekunde einschlug. Ihre Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der Ziel-Asteroid durch den Aufprall vollständig zerstört werden würde.
In der neuen Studie gaben El Mir und seine Kollegen K.T. Ramesh, Direktor des Hopkins Extreme Materials Institute, und Derek Richardson, Professor für Astronomie an der University of Maryland, das gleiche Szenario in ein neues Computermodell namens Tonge-Ramesh-Modell ein, das die detaillierteren, kleineren Prozesse berücksichtigt, die während einer Asteroidkollision ablaufen. Frühere Modelle haben die begrenzte Geschwindigkeit von Rissen in den Asteroiden nicht richtig berücksichtigt.
“Unsere Frage war, wie viel Energie benötigt man, um einen Asteroiden tatsächlich zu zerstören und in Stücke zu zerlegen?” sagt El Mir.
Die Simulation wurde in zwei Phasen unterteilt: eine kurzzeitige Fragmentierungsphase und eine langzeitige gravitative Reakkumulationsphase. Die erste Phase betrachtete die Prozesse, die unmittelbar nach dem Treffer eines Asteroiden beginnen, Prozesse, die in Bruchteilen einer Sekunde ablaufen. Die zweite, langzeitstabile Phase betrachtet den Einfluss der Schwerkraft auf die Teile, die nach dem Aufprall von der Oberfläche des Asteroiden fliegen, wobei die Reakkumulation der Schwerkraft über viele Stunden nach dem Aufprall stattfindet.
In der ersten Phase, nachdem der Asteroid getroffen wurde, bildeten sich Millionen von Risse und Wellen im gesamten Asteroiden, Teile des Asteroiden flossen wie Sand und es entstand ein Krater. Diese Phase des Modells untersuchte die einzelnen Risse und prognostizierte Gesamtmuster, wie sich diese Risse ausbreiten. Das neue Modell zeigte, dass der gesamte Asteroid nicht durch den Aufprall zerstört wird, im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde. Stattdessen hatte der betroffene Asteroid einen großen beschädigten Kern, der dann in der zweiten Phase der Simulation eine starke Anziehungskraft auf die Fragmente ausübte.
Das Forschungsteam stellte fest, dass das Endergebnis des Aufpralls nicht nur ein “Schutthaufen” war – eine Ansammlung von schwachen Fragmenten, die durch die Schwerkraft lose zusammengehalten wurden. Stattdessen behielt der betroffene Asteroid eine signifikante Stärke, da er nicht vollständig zersplittert war. Dies deutet darauf hin, dass mehr Energie benötigt würde, um Asteroiden zu zerstören. Unterdessen wurden die beschädigten Fragmente nun über den großen Kern verteilt, was denjenigen, die bei zukünftigen Weltraumprojekten Asteroiden bergmännisch abbauen wollen, als Orientierung dient.
“Es mag wie Science Fiction klingen, aber viele Forschungen befassen sich mit Asteroidenkollisionen. Wenn zum Beispiel ein Asteroid auf die Erde trifft, sind wir dann besser dran, ihn in kleine Stücke zu zerbrechen oder ihn anzuschubsen, um die Umlaufbahn zu verändern? Und wenn letzteres der Fall ist, mit wie viel Kraft müssen wir ihn treffen, um ihn wegzubewegen, ohne ihn zum Zerreißen zu bringen? Das sind aktuelle Fragen, die zur Diskussion stehen”, ergänzt El Mir.
“Wir werden ziemlich oft von kleinen Asteroiden heimgesucht, wie beim Ereignis in Tscheljabinsk vor einigen Jahren”, sagt Ramesh. “Es ist nur eine Frage der Zeit, bis diese Fragen von der Akademisierung zur Definition unserer Antwort auf eine große Bedrohung führen. Wir müssen eine gute Vorstellung davon haben, was wir tun müssen, wenn diese Zeit kommt – und wissenschaftliche Anstrengungen wie diese sind unverzichtbar, um zu helfen, diese Entscheidungen zu treffen.”
Veröffentlichung: Charles El Mir, KT Ramesh, Derek C. Richardson: A new hybrid framework for simulating hypervelocity asteroid impacts and gravitational reaccumulation, Icarus, Volume 321, 2019,
Pages 1013-1025, ISSN 0019-1035,DOI: https://doi.org/10.1016/j.icarus.2018.12.032.
Quelle: off. Pm der JHU
Titelbild: Die Kollision in der Simulation (Bild: Charles El Mir/Johns Hopkins University)
Pia Gaupels
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