sciencetalk

Gisteren een paginagroot artikel van Bard van de Weijer in de VK over een gezamenlijke missie van Nasa en Esa: Aida (Asteroïd Impact & Deflection Assessment).

Doel: Een kamikasesonde (Dart) van 300 kg met een snelheid van 6,25 km/s op het planetoïdenmaantje Didymoon (150 meter) te pletter laten slaan, en met een tweede sonde (AIM) te bestuderen wat er allemaal plaatsvindt. Geplande datum voor impact 2022.

 

Een van de hoofddoelen van het onderzoek is of het op deze manier mogelijk is de baaneigenschappen van het maantje voldoende te veranderen. Dit in het kader van het onderzoek hoe het mogelijk is de Aarde in de toekomst te beschermen tegen een catastrofale inslag van een echt grote meteoriet, planetoïde of een komeet.

 

Ook in dat artikel lees ik, zoals zo vaak beweerd wordt, dat het 'simpel' een (of een paar) atoombommen op of in zo'n enorm stuk ruimtepuin laten exploderen 'een slecht idee' is. "Dat is vergelijkbaar met een schot hagel op de Aarde afvuren in plaats van een enkele kogel, dat wordt van de regen in de drup belanden". Althans dat wordt beweerd door andere waarschuwende journalisten en wetenschappers in nogal wat media.

 

Ik heb daar zo mijn twijfels bij.

 

Allereerst moeten we aannemen dat een plotseling op kortere afstand opdoemend groot stuk ruimtepuin een geval is van jammer maar helaas. Als er geen tijd is om er wat aan te doen, dan kunnen we beter die paar maanden die we nog hebben aardig tegen elkaar zijn. We zullen toch minimaal een paar jaar tevoren zekerheid moeten hebben over een catastrofale inslag. Tientallen jaren tevoren zou mooi zijn, maar daarbij zijn weer problemen: Weten we de baan zo lang tevoren al zo nauwkeurig te berekenen dat we precies weten waar en hoe we die berg in de ruimte moeten afbuigen?

 

En dan de middelen, er is van alles geopperd:

• Giga zeil aan het kreng hangen, of een zijde wit verven en de lichtkracht van de Zon gebruiken om het ding langzaam uit haar baan te drijven
• Met een joekel van een laser, of met een enorme spiegel een zijde van de berg verhitten, zodat het uitgestoten gas en Newton de baan voldoende wijzigen
• Een grote raketmotor (conventionele of ionen motor) op de klont zetten en de komeet of planetoïde zo uit haar baan drijven
• Iets op de komeet materie laten wegwerpen, ook weer Newton
• Een zwaartekrachtslinger gebruiken. Iets zwaars in een omloopbaan van de asteroïde brengen en daarmee de baan van de rots wijzigen.

Nadelen van al deze opties zijn, dat het (te) veel voorbereidingstijd kost,  mogelijk (veel) te ingewikkeld is, en dat we bij de lichtkracht, laser, spiegel en zwaartekrachtslinger er wel heel ruim tevoren bij moeten zijn, willen we voldoende baanafwijking bewerkstelligen.

 

Dan de relatief simpele bom:

Stel dat we met een granaat een cirkel van 1 meter diameter moeten raken op een afstand van 40 km. Dit is ongeveer gelijk aan de diameter van de Aarde op een afstand van 500 miljoen kilometer. We kiezen een ballistische baan (wrijving laten we buiten beschouwing). De baan van het massacentrum van de granaat wordt louter bepaald door de richting en de snelheid van het schot. Ook als die granaat ergens onderweg ontploft, wijzigt het massacentrum niet, dat blijft die gegeven baan volgen want alle explosieve energie is interne energie. Alle fragmenten bewegen zich idealiter van dat massacentrum af. Als dat centrum de cirkel heeft bereik, is daar idealiter helemaal geen scherfje te vinden. Wellicht dat een enkel deeltje na de ontploffing op zeg eens 25 kilometer afstand zodanig van snelheid en richting wijzigt dat het precies de cirkel van een meter raakt, maar die kans is niet groot en toch ruim te verkiezen boven de hele granaat.

 

M.i. gaat dat ook op voor een ontploffende komeet op 500 miljoen kilometer afstand (pakweg een half jaar reistijd naar de Aarde), en ik denk dat het heel erg meevalt hoeveel energie er nodig is, c.q. hoe zwaar die bom ook bij een forse komeet zou moeten zijn.

 

Zie ik dit nu verkeerd of wordt er door de media, maar ook door sommige wetenschappers, maar wat gezegd?

 

Ik zal straks eens een model opzetten, met een komeet ter grootte van 67p, een atoombom en een realistische omgeving.

In een simulatie van het zonnestelsel (alle planeten tm Jupiter, en de maan) met de juiste massa's afstanden en snelheden heb ik een komeet door Jupiter van baan laten veranderen. Hij schiet richting Zon, en de baan is zodanig dat hij over drie jaar op ramkoers ligt met de Aarde. De massa komeet is 10¹³ kg (gelijk aan 67p-CG).

 
(Klik op de afbeeldingen voor grotere weergave)

 
De komeet (k) heeft na de baanverstoring een volledige baan afgelegd, zodat deze nauwkeurig bekend is. Hij bevindt zich op het moment van interventie, 179 dagen voor impact, op ongeveer 450 miljoen kilometer van de Aarde.

 
De komeet is voor het model opgebouwd uit 8 stukken (het middendeel is voor tracking in mijn simulatiesoftware en heeft geen massa). De delen zijn naar de windstreken genoemd voor het onderscheid.

 
Is er geen interventie, dan zal de komeet vlak voor hij inslaat op de Aarde door de getijdenkrachten uiteenvallen en de Aarde raken met een kracht gelijk aan 2,7 miljoen atoombommen van een megaton. Voorwaar geen pretje.

 
Met een relatief lichte atoombom (of wellicht meerdere goed geplaatste bommen), van 0,5 MT (w88, 360 kg, zo van het schap) wordt de komeet opgeblazen. Ideaal geeft dat voldoende energie (2500TJ) om de hele komeet een snelheidsverandering van 22,4 meter per seconde te geven, maar dat is wishfull thinking. Ik ben er van uit gegaan dat de bom voor maar 0,1% effectief is in de zin van dat hij materie (door opbouw van gasdruk) een andere snelheid of richting geeft. Alle overige energie gaat als straling of nutteloze verhitting verloren. Dat is voldoende om de acht delen van de komeet een versnelling van 0,7 m/s te geven. Welke richting deze extra versnelling heeft is niet zo belangrijk, ze zal altijd afwijken van de vector van het massacentrum.

 
Hier het perigeum van de komeetresten. Het noordelijk segment mist de Aarde op ongeveer 40.000 km. Duidelijk is ook dat het westelijk en oostelijk deel de grootste afstand krijgen, en dat afremmen of vergroten van de baansnelheid het meest effectief is.

 
Twee jaar na het perihelium draaien de fragmenten duidelijk verschillende banen rond de Zon. Ik heb de simulatie 150 jaar laten lopen, maar geen merkbare interactie met een planeet waargenomen.

 

Hoe sterk het effect van die geringe snelheidsvariatie tussen de komeetsegmenten kan uitgroeien tot grote verschillen, blijkt wel uit deze afbeelding. Hierin heb ik het referentieframe in het massacentrum van de komeet gehouden, en laten plotten wat de banen van de segmenten zijn tot aan het perihelium van het massacentrum:
 

Vraag is, of het denkbaar is dat op een of andere wijze een deel van de komeet ondanks deze explosie totaal niet van baansnelheid en richting zal wijzigen en dus toch zal inslaan. Dat lijkt mij zeer onwaarschijnlijk.

Hier is wat NASA er over denkt: http://www.nasa.gov/pdf/171331main_NEO_report_march07.pdf
 
Ik dacht dat het probleem met nuclear is om het uranium/plutonium in de ruimte te krijgen (lanceringen mislukken regelmatig nogal eens, misschien is het dan beter om er geen nucleaire ramp van te maken.)
 
Het is eerder een probleem van wat we technologisch al kunnen, dan van de basis achter het nuke-idee.

De "schot hagel theorie" werd gisteren op tv verkondigd.
Ik vroeg me af in hoeverre zo'n bom het brok steen zou verpulveren of uit elkaar laten vallen. Misschien dat zo'n bom alleen maar een krater slaat.  Los daarvan zou de druk van de explosie denk ik wel invloed op de richting van de meteoriet of van de brokstukken kunnen hebben, afhankelijk van aan welke kant de impact is.

Interesante vraag! Ik denk dat je met 2 dingen rekening moet houden:

Ten eerste, Hoeveel energie is nodig om de komeet zelf te laten barsten? Er moeten immers wat interactiekrachten worden overwonnen vóór je de brokstukken hebt en ze een snelheid meegeeft.

Los van of het overwonnen móet worden zal een deel van de energie in verdamping c.q. sublimatie gaan zitten.

De sublimatie-enthalpie van water is ongeveer 50 kJ/mol, 3 kJ per g dus.

Met een bom van 2500 TJ kun je 50 Gg oftewel 50 miljoen kg ijs laten sublimeren. Ik vind dat niet zo veel, 50.000 kuub, een stukje van 20 bij 50 bij 50 m.

Het tweede punt is de snelheid die je noemt, 0.7 m/s. In een half jaar zitten ongeveer 14.4 miljoen seconden, dus zouden de brokstukken ongeveer 10 miljoen m = 10.000 km hebben afgelegd. Stel dat de komeet recht op ons afvliegt, dan zijn de brokstukken die loodrecht op de baan worden weggeschoten dus een stuk uit de buurt. De brokstukken die meer in het verlengde worden weggeschoten zitten echter nog steeds op ramkoers met (een deel van) de Aarde!

317070: misschien is het dan beter om er geen nucleaire ramp van te maken.

 
Zo vaak gaan lanceringen niet meer mis. Maar ook kunnen nucleaire bommen zodanig beschermd worden dat ze niet desintegreren bij re-entry. Verder is het natuurlijk altijd het afwegen van risico's.
Bedankt voor het paper!

 

Anton_v_U: Misschien dat zo'n bom alleen maar een krater slaat.

 

Hangt natuurlijk ook af van het materiaal. Bij een forse nikkel-ijzer meteoriet is het laten ontploffen geen optie. Maar aan het oppervlak een krater laten slaan, en die krater als nozzle gebruiken voor een tweede bom, zou wel eens prima kunnen werken. Timing is dan natuurlijk van groot belang.
 

Marco: Los van of het overwonnen móet worden zal een deel van de energie in verdamping c.q. sublimatie gaan zitten.

 
Ik denk niet dat dat een probleem is, er ontstaat dan gasdruk die de komeet (die geacht wordt uit zeer los samengepakt materiaal met een korst te bestaan) uiteen drijft. Bovendien heb ik voor de kinetische energie slechts 0,1% van de totale energie gebruikt. Een zwaardere bom, of meerdere slim geplaatste bommen is natuurlijk ook nu een haalbare optie.

 

Dus zouden de brokstukken ongeveer 10 miljoen m = 10.000 km hebben afgelegd.

 
Dat hoeft niet zo'n lineair verband te zijn. Onder invloed van gravitatie kunnen de afwijkingen veel groter worden, het zijn seriële processen en kleine afwijkingen kunnen vanzelf tot zeer grote- uitgroeien. Kijk maar naar de banen na een paar jaar, daar zit zo'n 200 miljoen kilometer tussen de aphelia.
 

De brokstukken die meer in het verlengde worden weggeschoten zitten echter nog steeds op ramkoers met (een deel van) de Aarde!

 
Dat zou alleen kunnen als het stuk ruimtepuin dezelfde (maar retrograde) baan als de Aarde volgt, anders is het voorste deel al voorbij de Aardbaan voor dat deze ter plekke is, en het laatste deel is te laat bij de bushalte. Dat valt ook wel op te maken uit het perigeum plaatje. Juist west en oost, waarbij alleen de snelheid in de omlooprichting is aangepast, zijn het verst van de Aarde af. Natuurlijk is e.e.a. wel afhankelijk van baanhoeken en snelheden. Voor een andere ramkoers zou ik een ander modelletje op moeten zetten.
 
Maar wat mij betreft blijft de hamvraag, de debunker van 'het is een slecht idee' dat door zovelen wordt beweerd: Is het waarschijnlijk dat bij een explosie, of gedeeltelijke desintegratie van een fors stuk ruimtepuin er een (zeer aanmerkelijk) deel is dat volkomen onaangedaan door de interventie de oorspronkelijke baan blijft vervolgen? Vooralsnog lijkt het mij niet waarschijnlijk bij slim gebruik van explosies.
 
Ik ga eerst dat paper eens doorlezen, en kom er dan op terug.

Dat paper en wat ik schreef komen in hoge mate overeen:

Explosies zijn het meest effectief en qua techniek, kosten, reactietijd en ontwikkelingstijd het meest haalbaar. 

Alle licht/warmte/gravitatie technieken zouden (vele) tientallen jaren tevoren moeten worden toegepast om voldoende effect te sorteren, veel duurder, complexer en nog buiten bereik van de huidige techniek.

Terecht gaat erg veel aandacht uit naar het tijdig opsporen en bepalen van de karakteristieken van objecten, maar helaas besteedt Nasa in dit stuk geen aandacht aan de gevolgen van een gefragmenteerd object en de eventuele risico's daarvan.

 

Bong Wie, principal investigator van het Asteroid Deflection Research Center vat het kernachtig samen:

 

Als we voldoende nauwkeurig de baan kennen bij:

10 jaar tevoren, lichtjes afbuigen baan dmv een of meer oppervlakte explosies of via een impact van een zwaar object

2 jaar tevoren, afbuigen baan via explosies of object laten exploderen

korter, object laten exploderen (indien op tijd te bereiken, anders helaas).

In alle gevallen is het risico dat er een aanmerkelijk deel van het ruimtepuin op Aarde terecht komt laag tot zeer laag.

 

In bijgevoegd paper inzake het opblazen van een gedeeltelijk granieten object van 270 meter diameter, massa 2.10¹⁰ kg  met een 30 KT bom, wordt van 1,4 miljoen fragmenten de baan berekend. De interventie zou pas 15 dagen voor impact plaatsvinden. 

 
 

Ondanks dat er zeer weinig fragmenten zijn met 0 m/s relatieve snelheid (overeenkomstig mijn verwachting), zullen door de late interventie en dientengevolge geringe afstand toch een aantal fragmenten de Aarde raken. Maar dat blijft zelfs nu beperkt tot 0,1% van de totale massa.

 

Bijlage: 

Michel Uphoff schreef: Maar dat blijft zelfs nu beperkt tot 0,1% van de totale massa.

Maar die stukken zullen dan ook zwaar radio-actief (kunnen) zijn.

Het zijn risico's die je voor lief moet nemen, vrees ik. Als je met zekerheid weet dat zo'n stuk ruimtepuin een extinctie-level ramp gaat veroorzaken zijn alle middelen om dat te voorkomen of te mitigeren verantwoord.

Lanceren van atoombommen is uiteraard gevaarlijk, al heeft men ook best wat radioactief materiaal de ruimte in geschoten (RTGs en dergelijke). Als het mis gaat is dat echter helemaal niet ZO erg: een atoombom die terecht komt in een explosie/vuurzee/etc zal nooit detoneren. Wel komt het splijtbare materiaal naar beneden, met een beetje geluk heb je een paar kilo verrijkt uranium in zee liggen en is er verder niets loos.

Maar wat het aan flarden bombarderen van inkomende astroiden en dergelijke betreft: Aan de berekeningen te zien klopt het, en gevoelsmatig klopt het ook: Die schot-hagel-theorie gaat alleen op als je zodanig laat fragmenteert dat alles op aarde terecht komt. Zodra een aanzienlijk deel 'mist', ben je met explosie beter af dan zonder.

Het idee van met hagel schieten is in de praktijk ook dat het meeste ernaast gaat, maar wel verspreid over een groot gebied. Prima om vogeltjes mee te schieten - die gaan tenslotte ook dood als slechts een klein deel van de massa van het hagelpatroon ze raakt.

@31707: Maar die stukken zullen dan ook zwaar radio-actief (kunnen) zijn.

 
Dat zou wel eens erg mee kunnen vallen denk ik. Natuurlijk zal die 0,1% in dit tamelijk worst-case scenario (interventie pas 15 dagen voor impact) deels radioactief besmet materiaal bevatten. Maar als het klein grut is, verdampt het volledig op tientallen kilometer hoogte in de atmosfeer en zal het sterk verspreiden en slechts een zeer geringe verhoging van de straling veroorzaken. Als het grote besmette brokken zijn die de reis door de atmosfeer overleven, dan zijn ze bij inslag vrijwel ontdaan van hun radioactieve buitenlaag, die is er onderweg afgedampt.
 
Wat we ook niet moeten vergeten is dat bij een moderne fusiebom, de splijtingskern 'slechts' het slaghoedje is en dat ruwweg 95% van de energie door fusie ontstaat. Dat slaghoedje bevat dan rond de 5 kg plutonium, vergelijkbaar met de bom op Hiroshima. Als daarvan 5 gram in de hoge atmosfeer terecht komt en over een groot gebied verspreidt, is dat m.i. geen echt probleem.
 
De kans dat er ergens op de grond een stuk zwaar radioactief materiaal terecht komt is zeer klein en de eventuele schade is naar mijn mening vergeleken met een inslag extreem gering.

Het is in ieder geval een probleem van een heel andere orde.

Dat bij een modern fissie-fusie atoomwapen (tellar ulam ontwerp oid) de meeste energie uit fusie komt doet niet zoveel af aan wat er aan fissieproducten ontstaat: en explosie is door de fusie aanzienlijk energieker, maar de fall-out van de fissiecomponent is niet echt lager dan wanneer je de hele 2e fusietrap achterwege zou laten.

Ik heb het idee dat er een beeld bestaat dat kernwapens een wereldwijde impact hebben als ze worden ingezet, terwijl dat helemaal niet het geval is. Uiteraard zijn ze extreem dodelijk wanneer ze worden toegepast op de stad waar je in woont, dan was al zo met de WW-2 modellen en is er met de fissie-fusie en fissie-fusie-fissie wapens bepaald niet minder op geworden.

Anderzijds is het zo dat wanneer je de grootst beschikbare atoombom zou ontsteken ergerns midden op de stille oceaan je er hier in nederland praktisch helemaal niets van zult merken: geen straling, geen fall out, je ziet de flits niet eens. Op termijn kan het best problemen geven met pakweg radioactieve isotopen in vis, maar dat lijkt van geen enkele zorg vergeleken met de inslag van een forse meteoriet.

Ik begrijp toch een aantal dingen niet.
 
Stel men brengt zo'n bom tot ontploffing op aarde ontstaat dan een enorme drukgolf die in een grote omtrek alles weg/om blaast.
Waar zou uit die drukgolf moeten worden opgebouwd op een steenklomp?
Is het het een komeet dan kan het komen uit verhit water.
 
Wel geeft me dat een nieuwe vraag.
Als de stukken inderdaad uit elkaar vliegen (wat ik niet zeker weet)
dan moet het resultaat voor wat later de aarde nog raakt afhankelijk zijn waar de bom op het oppervlak is ontploft?
 
Het berekende model doet mij denken aan een bom die diep is ingegraven, is dit zo?
 
Ik heb zelf nog een variant bedacht:
Twee bommen kort achter elkaar, de eerste kraakt het object de tweede drukt de stukken uit elkaar.
 
PS.
Het lijkt me zinvol om simulaties te ontwikkelen wat het effect van degelijke bommen eigenlijk is.
Zal niet gemakkelijk zijn, daar de simulatie niet aan de werkelijkheid getoetst kan worden.

Ik vermoed dat je een bom behoorlijk diep moet ingraven om iets helemaal te fragmenteren. Beetje het idee hoe je met dynamiet gesteente verpulveren: erop leggen werkt niet, je moet gaten boren en het op diepte ontsteken.

Dat maakt overigens het idee van een tweede bom niet slecht: eenmaal gefragmenteerd zou je mogelijk die fragmenten verder uit elkaar kunnen blazen door een explosie (of een andere chemische reactie) die veel gas oplevert. Dat zou fragmenten die zijdelings van het massacentrum liggen aan de kant kunnen krijgen, al helpt het niets voor stukken die precies voor of achter het massacentrum liggen. Niet dat dat uitmaakt, die zouden sowieso zijn ingeslagen.

al helpt het niets voor stukken die precies voor of achter het massacentrum liggen. Niet dat dat uitmaakt, die zouden sowieso zijn ingeslagen.

 
Als die stukken een snelheid krijgen t.o.v. het massacentrum, zullen ze ook een andere baan gaan volgen dan dat massacentrum. Een grotere voorwaartse snelheid dan het massacentrum betekent in deze situatie een wijdere baan en een kleinere voorwaartse snelheid een minder wijde baan. Op de laatste wijze is bijvoorbeeld Philae afgeleverd op 67P. Rosetta draaide in een baan rond de komeet en heeft niets anders gedaan dan Philae met een snelheid van ongeveer 1 meter per seconde achterwaarts te drukken (ongeveer tegen de bewegingsrichting in). De verminderde baansnelheid was voldoende voor een sterke baanverandering, en de uiteindelijke landing na 7 uur.
 
Kometen zijn mogelijk goed op te blazen omdat ze erg poreus zijn, en een bom zich waarschijnlijk vrij diep kan ingraven. Dat gaat niet op voor massieve planetoïden of erger, nikkel-ijzer meteorieten. Maar een bom aan het oppervlak zal een grote hoeveelheid materiaal doen verdampen, en de uit de krater geworpen gassen en deeltjes zullen actie = - reactie het ruimtepuin van koers doen veranderen. Een tweede bom in de krater van de eerste tot ontploffing gebracht, biedt de mogelijkheid het uitgeworpen materiaal te richten als bij de nozzle van een raketmotor en zo de efficiency op te voeren.

Is het voor een komeet niet veel eenvoudiger, om ergens in een baan om de aarde een grote parabolische spiegel op te hangen en die op de komeet te gericht te houden, als brandglas ? Dan verdampt ie vanzelf.
 
Bij zwaarder spul helpt dat natuurlijk niet... Interessant topic !