Missão HERA: estudar o desvio de um asteroide em potencial colisão com a Terra

A missão Hera da ESA é projetada para testar a tecnologia do espaço profundo enquanto explora um asteroide distante e investiga uma cratera artificial feita pelo homem, testando um método de deflexão que pode um dia ser literalmente salvador da Terra.

Se tudo correr conforme planejado, outubro de 2022 marcará uma conquista significativa na vida de nossa espécie: a primeira vez que o Homo sapiens muda a órbita de um corpo no Sistema Solar de maneira mensurável. O alvo é um asteróide de aproximadamente 170 m de diâmetro – mais ou menos do mesmo tamanho da Grande Pirâmide de Gizé – que está em órbita em torno de outro asteroide maior: o asteróide near-Earth, de 780m de diâmetro, Didymos (grego para “gêmeo”). é uma espaçonave da NASA chamada Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos (DART), que voará autonomamente no corpo menor a 6 km / s, nove vezes mais rápido que uma bala.

Espera-se que o resultado da colisão com esta sonda do tamanho de um refrigerador seja uma alteração na órbita apertada de 11,9 horas de ‘Didymoon’ em torno de seu asteroide-pai. Essa mudança deve ser observável a partir de telescópios baseados na Terra, porque o par binário Didymos estará em uma aproximação excepcionalmente próxima ao nosso planeta naquele ponto, chegando apenas a 11 milhões de quilômetros de distância.

O grau de mudança orbital de Didymoon dará aos pesquisadores insights essenciais sobre a estrutura interna dos asteróides e o potencial de desviá-los como um meio de defesa planetária. Mas monitorar esse evento histórico à distância não será suficiente, por si só, se quisermos aprender todas as suas lições.

Por sua própria natureza, o Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos é uma missão suicida, que apresenta algumas desvantagens inevitáveis. A última coisa que a Terra verá antes da colisão será um close-up das características da superfície de Didymoon – e então nada. Potencialmente, o DART também pode realizar um pequeno ‘selfie-sat’ que implanta antecipadamente para capturar imagens do momento do impacto – mas, mesmo assim, experiências anteriores sugerem que nada será visível diretamente naquele ponto e apenas dados muito limitados serão disponível nas propriedades de superfície de Didymoon.

Impacto profundo

Em 4 de julho de 2005, a sonda Deep Impact da Nasa disparou um projétil de cobre de 370 kg no cometa Tempel 1. Mudar a órbita desse gigantesco corpo de 7,6 km × 4,9 km nunca esteve na agenda; em vez disso, o objetivo era expor o interior do cometa. No entanto, no rescaldo do impacto, milhões de quilos de poeira e gelo continuaram a sair da zona de impacto por dias a fio.

O sobrevôo da Deep Impact não mostrou nada; Em 2011, foi necessária uma nova visita de uma espaçonave separada, a Stardust da NASA, para finalmente medir a cratera de 150m de diâmetro que está cicatrizando a superfície do cometa. Além disso, a distância envolvida significa que a medida dos observatórios terrestres da órbita alterada de Didymoon ficará presa com uma incerteza residual de 10%. A única maneira de melhorar isso, e realmente aprimorar nossa compreensão deste experimento espacial em grande escala, e ver como o impacto do Teste de Redirecionamento Duplo Asteróide afetou a superfície da Didymoon, é se aventurar muito, muito mais perto.

Missão Hera da ESA

Essa é a tarefa da missão Hera da ESA, cujo projeto otimizado beneficia-se de vários estudos ESA de missões de asteróides nas últimas duas décadas – mais recentemente a proposta Missão de Impacto de Asteróides (AIM), que foi planejada em conjunto com o Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos. . Hera é uma missão de pequena escala em termos planetários, uma espaçonave de tamanho de mesa pesando menos de 800 kg totalmente abastecida (comparada, por exemplo, com a caçadora Rosetta de cometas de três toneladas). Mas também é altamente ambicioso e ambicioso.

O primeiro CubeSat de espaço profundo da Europa

Além de seus objetivos primários de defesa planetária, a Hera demonstrará a capacidade de operar próximo a um asteroide de baixa gravidade com alguma autonomia a bordo semelhante a um carro autônomo, passando a implantar o primeiro espaço profundo da Europa. CubeSat, e potencialmente também um micro-lander, para testar uma nova tecnologia multi-ponto de ligação entre satélites.

Hera também fornecerá a primeira visão da humanidade de um sistema binário de asteróides, mapeando toda a superfície de Didymoon até uma resolução de poucos metros e o décimo da superfície que circunda o impacto do Teste de Redirecionamento de Asteroide Duplo a mais de 10cm, através de um série de flybys ousados. Quão grande uma cratera será o Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos acabará saindo? Haverá efeitos morfológicos maiores, como rachaduras no solo, ou pedras e poeira espalhadas amplamente em comparação com as imagens pré-impacto do DART, implicando em tremores pós-colisão?

Defesa planetária

O mapeamento preciso do volume de Didymoon será combinado com experimentos de rádio-ciência para avaliar como a gravidade de Didymoon influencia a trajetória da espaçonave, para derivar a densidade do asteróide e restringir nossos modelos de estrutura interna. Hera também será pioneira no novo campo da defesa planetária: ao apontar a mudança na órbita de Didymoon para uma precisão muito maior do que a alcançável na Terra, a missão dará a mais completa visão possível do resultado final do Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos. colisão – servindo dados concretos que podem um dia ser usados ​​para proteger a Terra, demonstrando como desviar um corpo entrante antes que ele se torne uma ameaça.

O que é o Asteroid Framing Camera (AFC) da Hera?

A carga de base de Hera começa com um instrumento chamado Ateroid Asteroid Framing Camera (AFC), para ser usado para orientação e navegação, bem como observação científica, que é um voo já existente de uma contribuição alemã para a missão Dawn da NASA ao cinturão de asteróides. Esta câmera foi distinguida, retornando imagens notáveis ​​do maior asteróide, Ceres, e seus misteriosos pontos brilhantes.

Agora, sua câmera irmã está programada para pesquisar o menor asteróide que a humanidade também visitou. O AFC é acompanhado por um instrumento de manufatura (ou laser radar) para medição de altimetria de superfície, além de um ou mais nanosatélites CubeSat de seis unidades para carregar um imager hiperespectral e um segundo instrumento ainda a ser finalizado.

No momento em que escrevo, Hera ainda tem outros 40kg de capacidade de carga disponível, o que poderia tomar a forma de um radar de alta frequência para medição de propriedades subterrâneas, um mini-impactor proposto pelo Japão (um gêmeo da versão atualmente em voo A missão de asteróides Hayabusa-2 do Japão, ver abaixo) ou um mini-lander, atualmente em estudo pela Airbus e DLR, o Centro Aeroespacial Alemão (baseado em uma versão também em voo a bordo do Hayabusa-2).

Veículos de manutenção espacial

A ESA tem uma longa tradição de missões de teste de tecnologia sendo usadas para metas científicas ambiciosas, exemplificadas desde a virada do século pela série de minissatélites Proba, várias vezes encarregada de coletar dados para a ciência ambiental e solar. Hera segue a mesma filosofia, embora vá mais longe que a família Proba, partindo completamente da órbita da Terra.

A única e mais significativa tecnologia que Hera demonstrará durante sua missão ao binário Didymos é intangível por natureza, um algoritmo de software em vez de hardware físico, mas considerado como essencial para uma classe próxima de “veículos de serviço espacial” autônomos.

A natureza simplificada de Hera significa que ele executará suas atividades de orientação, navegação e controle (GNC) por meio de uma estratégia inovadora de fusão de dados, combinando entradas de vários sensores para criar um quadro detalhado de seus arredores no espaço. Isso significaria reunir o segundo por segundo de rastreamento visual de características distintas na superfície do asteróide com distâncias de altímetro e medições de rastreio inercial e estrela. Os futuros veículos de manutenção precisariam realizar uma fusão de dados comparável quando se trata de encontro e atracação com satélites destinados a serem reformados, reabastecidos ou potencialmente desorbitados. Qualquer erro neste cenário levaria a uma colisão catastrófica e a um monte de detritos espaciais.

Falhar não é uma opção

No caso de Hera, o fracasso não será uma opção quando se trata de manobras importantes, como a implantação do CubeSat (e, possivelmente, da sonda), ou a aproximação dos voos de Didymoon, até alguns metros acima da superfície. Mas e se uma ou mais das entradas do sensor estiverem com erro ou se um atuador fornecer a correção errada para a trajetória ou atitude da nave espacial? É aí que entra a técnica de Detecção, Isolamento e Recuperação de Falhas (FDIR) da Hera.

O FDIR é uma abordagem amplamente aplicada na engenharia espacial, desde a proteção de componentes eletrônicos individuais à salvaguarda de toda espaçonave: por exemplo, os modernos chips de computador espaciais que buscam compensar os “flips” de memória devido à radiação espacial podem realizar cálculos em múltiplos Paralelamente, às vezes votando para decidir o resultado verídico mais provável. De maneira semelhante, o GNC FDIR baseado em fusão de dados da Hera é projetado para identificar erros em tempo real através de verificações cruzadas de sensores, isolando-os e compensando-os ativando reconfigurações de sensores ou atuadores ou mesmo, em caso de extrema emergência. , desencadeando uma manobra autônoma de evitar colisão.

A combinação de GNC e FDIR usando sensoriamento baseado em visão foi alcançada pela ESA pela primeira vez no caso relativamente simples, mas crítico de segurança, de acoplamento semi-autônomo pela espaçonave de carga Automated Transfer Vehicle para a Estação Espacial Internacional (ISS). Expandir a técnica para encontros mais desafiadores no espaço e aumentar o seu grau de autonomia tem sido trabalhado durante anos no contexto desta missão, mais recentemente pela GMV em Espanha. O sucesso marcará um salto gigantesco para a autonomia de missão crítica.

Que novas descobertas as missões de asteróides farão?

Muitas novas descobertas podem ser esperadas de Hera. Cada novo encontro com um asteroide levou a uma nova transformação em nossa compreensão. Há uma década atrás, a Europa fez seu primeiro close de asteroide, enquanto a sonda Rosetta da ESA realizava um sobrevôo de 2867 Šteins, um asteróide em forma de diamante do tamanho de um Gibraltar no principal cinturão de asteróides. Dezenas de crateras foram vistas, incluindo um buraco no pólo sul de Steins – uma grande cratera de impacto com cerca de dois quilômetros de largura e quase 300 metros de profundidade. Uma cadeia de várias crateras correu em direção ao pólo norte desta cratera. A baixa densidade de Šteins sugere que é um asteróide de “cascalho”, quebrado pelos impactos anteriores e mantido unido pela sua gravidade – e provavelmente destinado a um dia de separação. Um segundo sobrevôo de asteroide do Cinturão Principal ocorreu em 2010, quando a Rosetta passou pelo gigantesco 100 km de 21 Lutetia.

A Europa desempenha um papel fundamental em um novo encontro de asteróides programado para este mês de julho, quando o Hayabusa 2 do Japão atinge o asteroide 162173, próximo da Terra Ryugu. Ele colocará um micro-lander chamado Mobile Asteroid Surface Scout (Mascote), desenvolvido pelo Centro Aeroespacial Alemão (que anteriormente contribuiu com o Philae para Rosetta) e a agência espacial francesa CNES, carregando um espectrômetro infravermelho, um magnetômetro, um radiômetro. e câmera. Uma versão de seguimento do lander Mascot, conhecido como Mascot +, está atualmente em estudo a ser realizado por Hera.

Além disso, a Hayabusa 2 executará sua própria versão em miniatura de um experimento de impactor, chamado de pequeno Impactor de Carga (SCI), consistindo de um pequeno projétil de cobre de 2,5 kg que recebe força adicional por uma carga altamente explosiva. A SCI atingirá uma velocidade de 2km / s, oferecendo uma ponte valiosa entre o tipo de testes simulados de impacto realizados em laboratórios terrestres e a colisão de Teste de Redirecionamento Duplo-Asteróide em larga escala, permitindo o teste das leis de escala de impacto. Uma carga de acompanhamento de SCI também está sendo considerada para Hera, não para tentar mudar a trajetória de Didymoon, mas para produzir uma segunda cratera em um nível de energia diferente do DART. Este experimento fornecerá dados valiosos para validar totalmente os algoritmos de impacto numérico que serão fundamentais para projetar quaisquer futuras missões de defesa planetária.

A exploração desses asteróides e os muitos outros já pesquisados ​​destacaram sua variedade impressionante em termos de tamanho, forma, características de superfície e materiais constituintes. Da mesma forma, os asteróides giram de várias maneiras, da rotação simples para retardar a precessão ou a queda rápida. É possível que a rotação de asteróides seja restringida por “limites de rotação” fundamentais, além dos quais a aceleração centrífuga levaria o material a escapar da superfície dos corpos de entulho. De fato, tais escapes podem explicar a origem de muitos sistemas de asteróides binários, que compõem 15% do total conhecido.

Nova luz sobre a dinâmica colisional

A estrutura interna dos asteróides continua sendo um lugar vazio no entendimento científico. Há grandes vazios dentro de seu interior profundo ou são compostos de regolitos soltos ou conglomerados de rochas monolíticas? Em particular, não há como saber como um asteroide real responderia ao estímulo externo específico de um impacto – a menos que tentasse de verdade.

Ao lançar novas luzes sobre a dinâmica colisional, a combinação do Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos mais Hera irá adicionar à nossa compreensão não apenas a formação e evolução de asteróides, mas a criação e história contínua de todo o nosso Sistema Solar – uma história gravada em impactos.

Abaixo, em escalas menores, as observações de superfície de Hera revelarão a variedade de fenômenos físicos, além da gravidade, que governam as superfícies de asteróides, influenciam suas propriedades materiais e as mantêm unidas. Quais são os papéis relativos das forças eletrostáticas e de Van der Waals, por exemplo? Uma proposta é que os asteróides mais finos podem se parecer com “castelos de fadas”, desintegrando-se ao toque. Tais descobertas teriam relevância para a mineração de asteróides, bem como para a defesa planetária, ao mesmo tempo em que ofereceriam insights sobre os primeiros processos de acréscimo em escala microscópica, logo no início deste e de outros sistemas planetários.

Momento histórico

A Hera está atualmente se preparando para o estudo da Fase B1, juntamente com um conjunto de desenvolvimentos tecnológicos. A decisão sobre se a missão vai progredir para o voo será tomada pelos líderes da Europa no final do próximo ano. Mas certamente a defesa planetária é uma responsabilidade global, e a ESA está atualmente preparando um novo programa para ser apresentado no próximo Conselho Ministerial chamado Segurança Espacial, que coloca a defesa planetária junto com tópicos relacionados, como detritos espaciais e clima espacial.

O DART e o Hera foram originalmente concebidos como um só – a origem das duas missões remonta a um estudo da ESA 2002 sobre uma missão de deflexão de asteróides em duas espaçonaves chamada Don Quijote. Se aprovada, Hera está a caminho de um lançamento em 2023, chegando à Didymos para sua ‘investigação da cena do crime’ alguns anos depois. A experiência da cratera Stardust – bem como a recentemente descoberta cratera da espaçonave Smart-1 da ESA na Lua – sugere que o ponto de impacto do DART será praticamente inalterado desde o momento da colisão. Ou, no caso de um atraso na missão do Teste de Redirecionamento de Asteróides Duplos, o par pode alcançar o Didymos ao mesmo tempo. De qualquer maneira, um momento histórico está chegando na forma do impacto do DART. A humanidade extrairá o máximo de benefícios através de uma visão de perto.

Fonte: Scitech Europe