Warum es bei der Raumfahrt unvermeidlich ist, von Weltraumstaub getroffen zu werden

Am 8. Juni gab die NASA bekannt, dass ihr neues leistungsstarkes Weltraumobservatorium, das James-Webb-Weltraumteleskop, jetzt eine kleine Vertiefung in einem seiner Hauptspiegel aufweist, nachdem es von einem größer als erwarteten Mikrometeoroiden im Weltraum beschossen wurde. Die Nachricht kam ein bisschen wie ein Schock, da der Aufprall nur fünf Monate nach Beginn der Weltraumzeit des Teleskops stattfand – aber solche Streiks sind einfach ein unvermeidlicher Aspekt der Raumfahrt, und weitere Schläge stehen sicherlich bevor.

Anders als der Name vermuten lässt, ist der Weltraum nicht gerade leer. Innerhalb unseres Sonnensystems sausen winzige Partikel von Weltraumstaub mit enormen Geschwindigkeiten, die bis zu Zehntausende von Kilometern pro Stunde erreichen können, durch die Regionen zwischen unseren Planeten. Diese Mikrometeoroiden, die nicht größer als ein Sandkorn sind, sind oft kleine Stücke von Asteroiden oder Kometen, die weggebrochen sind und jetzt um die Sonne kreisen. Und sie sind überall. Eine grobe Schätzung kleiner Meteoroiden im inneren Sonnensystem schätzt ihre kombinierte Gesamtmasse auf etwa 55 Billionen Tonnen (Wenn sie alle zu einem Felsen kombiniert würden, wäre er etwa so groß wie eine kleine Insel).

Das bedeutet, wenn Sie ein Raumschiff in den Weltraum schicken, wird Ihre Hardware sicher irgendwann von einem dieser kleinen Stückchen Weltraumgestein getroffen. In diesem Wissen werden Raumfahrzeugingenieure ihre Fahrzeuge mit bestimmten Schutzvorrichtungen konstruieren, um sie gegen Mikrometeoriteneinschläge abzuschirmen. Sie enthalten oft eine sogenannte Whipple-Abschirmung, eine spezielle mehrschichtige Barriere. Wenn der Schild von einem Mikrometeoroiden getroffen wird, durchdringt das Partikel die erste Schicht und zersplittert noch weiter, sodass die zweite Schicht von noch kleineren Partikeln getroffen wird. Eine solche Abschirmung wird normalerweise um empfindliche Komponenten von Raumfahrzeugen für zusätzlichen Schutz verwendet.

Aber mit dem James Webb Space Telescope der NASA oder JWST ist es schwieriger. Die goldbeschichteten Spiegel des Teleskops müssen der Weltraumumgebung ausgesetzt werden, um das Licht aus dem fernen Universum richtig zu sammeln. Und obwohl diese Spiegel gebaut wurden, um einigen Einschlägen standzuhalten, sind sie mehr oder weniger leichte Beute für größere Mikrometeoriteneinschläge, wie den, der JWST im Mai traf. Obwohl der Mikrometeoroid immer noch kleiner als ein Sandkorn war, war er größer als von der NASA erwartet – genug, um einen der Spiegel zu beschädigen.

Betreiber von Raumfahrzeugen modellieren die Mikrometeoroidenpopulation im Weltraum, um besser zu verstehen, wie oft ein Raumfahrzeug in einem bestimmten Teil des Sonnensystems getroffen werden könnte – und welche Partikelgröße ihre Hardware treffen könnte. Aber selbst dann ist es kein narrensicheres System. „Alles ist wahrscheinlich“, sagt David Malaspina, ein Astrophysiker an der University of Colorado, der sich auf die Auswirkungen von kosmischem Staub auf Raumfahrzeuge konzentriert Der Rand. „Man kann nur sagen: ‚Ich habe diese Chance, von einem Partikel dieser Größe getroffen zu werden.‘ Aber ob du es jemals tust oder nicht, das ist dem Zufall überlassen.“

Beispiele für verschiedene Arten der Whipple-Abschirmung
Bild: NASA

Mikrometeoroide haben eine breite Palette von Entstehungsgeschichten. Sie können die Überbleibsel von Hochgeschwindigkeitskollisionen im Weltraum sein, die Weltraumfelsen in winzige Stücke pulverisieren. Asteroiden und Kometen werden im Laufe der Zeit auch von Weltraumpartikeln und Photonen der Sonne bombardiert, wodurch winzige Stücke abbrechen. Ein Asteroid kann auch einem großen Planeten wie Jupiter zu nahe kommen, wo die starke Anziehungskraft Gesteinsbrocken abreißt. Oder ein Objekt kann der Sonne zu nahe kommen und zu heiß werden, wodurch sich das Gestein ausdehnt und in Stücke zerbricht. Es gibt sogar interstellare Mikrometeoroide, die gerade aus weiter entfernten kosmischen Nachbarschaften durch unser Sonnensystem ziehen.

Wie schnell sich diese Teilchen bewegen, hängt davon ab, in welcher Region des Weltraums sie sich befinden und welchen Weg sie um unseren Stern nehmen, im Durchschnitt etwa 45.000 Meilen pro Stunde oder 20 Kilometer pro Sekunde. Ob sie auf Ihr Raumschiff treffen oder nicht, hängt auch davon ab, wo sich Ihr Fahrzeug im Weltraum befindet und wie schnell es sich bewegt. Zum Beispiel ist die Parker Solar Probe der NASA derzeit das sonnennächste von Menschenhand geschaffene Objekt, das sich mit einer Höchstgeschwindigkeit von mehr als 400.000 Meilen pro Stunde bewegt. „Es reicht bis zur 4-Yard-Linie, verglichen mit der Erde, die ganz in einer Endzone liegt“, sagt Malaspina, die sich auf die Untersuchung von Mikrometeoriteneinschlägen auf der Parker Solar Probe konzentriert hat. Es bewegt sich auch durch den dichtesten Teil einer Region, die Zodiakalwolke genannt wird, eine dicke Scheibe aus Weltraumpartikeln, die unser Sonnensystem durchdringt. Die Parker Solar Probe wird also häufiger sandgestrahlt als JWST – und sie trifft diese Partikel mit unglaublich hoher Geschwindigkeit, als das Teleskop getroffen würde.

Die Parker Solar Probe gibt uns ein besseres Verständnis von Mikrometeoroiden um die Sonne, aber wir haben auch ein ziemlich gutes Verständnis von der Bevölkerung rund um die Erde. Immer wenn ein Mikrometeoroid auf die obere Atmosphäre um unseren Planeten trifft, verbrennt er und erzeugt meteorischen Rauch – feine Rauchpartikel, die gemessen werden können. Die Menge dieses Rauchs kann uns sagen, wie viel Staub im Laufe der Zeit auf die Erde trifft. Darüber hinaus wurden Experimente auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, bei denen Materialien an der Außenseite des umlaufenden Labors angebracht wurden, um zu sehen, wie oft sie bombardiert werden.

Eine künstlerische Darstellung der Parker Solar Probe der NASA
Bild: NASA

Während JWST ungefähr 1 Million Meilen von der Erde entfernt lebt, ist das immer noch relativ nahe. Wissenschaftler haben auch eine Vorstellung davon, was da draußen ist, basierend auf anderen Missionen, die in eine ähnliche Umlaufbahn wie JWST geschickt wurden. Und die meisten Dinge, die das Teleskop treffen, sind keine so große Sache. „Raumschiffe werden ständig von Kleinen getroffen“, sagt Malaspina. „Mit wenig meine ich Bruchteile eines Mikrometers – viel, viel, viel kleiner als ein menschliches Haar. Und zum größten Teil bemerken Raumfahrzeuge diese nicht einmal.“ Tatsächlich wurde JWST bereits viermal von kleinen Mikrometeoroiden getroffen, bevor es im Mai von dem größeren Mikrometeoroiden getroffen wurde.

Die NASA hat die mikrometeoroide Umgebung vor dem Start von JWST modelliert, aber angesichts der jüngsten Auswirkungen hat die Agentur ein neues Team einberufen, um ihre Modelle zu verfeinern und besser vorherzusagen, was mit dem Teleskop nach zukünftigen Einschlägen passieren könnte. Die aktuelle Mikrometeoroid-Modellierung wird versuchen, Dinge vorherzusagen, wie sich Trümmer durch eine Umlaufbahn ausbreiten, wenn ein Asteroid oder Komet auseinanderbricht. Diese Art von Trümmern ist dynamischer, sagt Malaspina, was es schwieriger macht, sie vorherzusagen.

Letztendlich wird Ihnen die Vorhersage jedoch einfach mehr Wissen darüber vermitteln Wenn ein Raumschiff könnte von einem großen Staubkorn getroffen werden. Einmalige Belastungen wie diese sind einfach unvermeidlich. JWST wird im Laufe der Zeit weiterhin gesprengt werden, aber es war eine Eventualität, auf die die NASA immer vorbereitet war. „Man muss einfach mit der Wahrscheinlichkeit leben, dass man irgendwann von einem Staubpartikel in der Größe getroffen wird, und man tut einfach das Beste, was man mit der Technik machen kann“, sagt Malaspina.

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