Tianwen-2 auf CZ-3B

Im Jahr 2025 will China die Asteroidensonde Tianwen-2 zu dem erdnahen Asteroiden (469219) Kamoʻoalewa und dem Hauptgürtelkometen 311P/PANSTARRS starten. Neben wissenschaftlichen Aufgaben sollen dabei auch Technologien erprobt werden, die den zukünftigen Asteroidenabbau und der Asteroiderabwehr dienen.

https://www.space.com/china-tianwen2-asteroid-sampling-mission-2025-launch

https://de.wikipedia.org/wiki/Tianwen-2

Das Probenrückhol-Ziel von Tianwen-2. der Asteroid Kamo'oalewa, wird immer interessanter:
es gibt Hinweise darauf, dass dieser Asteroid aus Material des Erdmonds entstanden ist, das beim Einschlag eines anderen Körpers auf dem Mond herausgeschlagen wurde. Die bisher bekannten Materialeigenschaften weisen eine verblüffende Ähnlichkeit mit der Umgebung des Mondkraters "Giordano Bruno" auf:

https://phys.org/news/2024-04-theory-asteroid-kamooalewa-ejecta-moon.html
https://phys.org/news/2023-10-piece-moon-near-earth-asteroid.html

Es kann also gut sein, dass Tianwen-2 im wesentlichen "Mondproben" zurückbringt ..

Es gibt einige aktuelle Angaben zur Tianwen-2-Mission:
 - bei der Probennahme sollen sowohl Touch-and-Go- als auch Anchor-and-Attach-Techniken zum Zuge kommen, aus Redundanzgründen;
 - die Nutzlast wird 10 wissenschaftliche Instrumente umfassen, u.a. Spektrometer für VIS, IR und Thermal-IR, Multispektralkameras, Radar und Magnetometer;
 - Start im Mai 2025 auf LM 3B; Sampling-Phase etwa 2,5 Jahre, Ankunft bei 311P/PANSTARRS Mitte der 2030er Jahre.

https://spacenews.com/china-to-launch-near-earth-asteroid-sample-return-mission-in-2025/

In der Tabelle 3 hier finden sich die technischen Daten zu den 10 Instrumenten (für einen raschen Überblick auf "HTML全文" klicken):
http://jdse.bit.edu.cn/sktcxb/article/doi/10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230185

Hier eine Grafik mit dem Missionsplan (das Bild ist alt, der Artikel ist vom Juni 2024):


Bild: Su Yan

Bei 00:20 in diesem Video kann man sehen, dass als dritte Probenentnahmemethode eine Felsbrockenaufsammel-Greifhand dazugekommen ist, wie sie jetzt auch bei der Mars-Probenrückführsonde Tianwen-3 zum Einsatz kommt:
https://weibo.com/5027345285/OyvIYAQcI

Ye Peijian bestätigt das bei 0:32 in diesem Video:



Am Ende des Videos sagt er, dass die Festnagelung der Sonde auf Kamo'oalewa der erste Schritt zum Asteroidenbergbau ist. Yes Eltern waren Soldaten, daher hat er eine etwas robuste Ausdrucksweise und mokiert sich über die Amerikaner und Japaner, die das mit ihrer grapsch-und-weg-Methode nicht können. Bian Zhigang, der stellvertretende CNSA-Direktor in dem oberen Video, ist wesentlich netter und sagt, dass die Proben von Kamo'oalewa, wie die Mondproben, auch ausländischen Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt werden (man hat vor, eine größere Menge einzusammeln).

Edit:
Siehe unten

Die Vorstellung, dass man in einer so schwachen Gravitationsumgebung wie der Oberfläche von Kamo'oalewa etwas mit einer offenen Baggerhand "schaufeln" kann, ist recht gewagt: etwas kurz "anticken", und es schwebt in Zeitlupe davon. Was man haben will, muss man festhalten.
Auf dem Mars (bzw dem Mond) ist das anders.
Aber irgendeine der Methoden (Touch-and-Go; Attach-and-Anchor) wird schon funktionieren ..

"Baggerhand" war der falsche Ausdruck - es ist eine Greifhand, die die Felsbrocken aufsammelt, falls die Oberfläche des Asteroiden mit Geröll übersät ist und die Abflex-Methode nicht funktioniert.

Hier siehst Du einen von vier Füßen, die an Beinen befestigt sind, die gleichzeitig als Arme fungieren, mit denen sich die Sonde über den Kopf greifen und die ringförmigen Probenbehälter (样品容器) in dem Transportbehälter am "Scheitel" platzieren kann:


Bild: Zhao Zhijun

Das, was wie ein Spiralbohrer aussieht, die sogenannte "Bohrstange" (钻杆), ist ein Nagel, der dem Asteroiden mittels eines Ultraschallvibrationsgenerators (超声波钻) und dem entsprechenden Vortriebsgerät (超声波钻进给机构) schräg in den Leib getrieben wird, so ähnlich wie früher Dachbalken zusammengenagelt wurden. Jeweils zwei gegenüberliegende Füße verankern die Sonde dann mit wie ein "V" gegenläufigen Nägeln. Die kleinen Noppen auf der Fußsohle, das sogenannte "Fußkissen" (足垫) sollen es ermöglichen, auch bei etwas unebenem Untergrund den Fuß dicht an den Boden zu bringen. Man hofft, dass die Verankerung so fest ist, dass sich die Sonde bei der Probenentnahme nicht selbst wegdrückt. Kamo'oalewa hat für praktische Zwecke keinerlei Schwerkraft - die Sonde hängt an dem Felsbrocken (hoffentlich) oder Geröllhaufen (dann eben grapsch-und-weg) wie ein Raumfahrer, der sich an einem Handgriff außen an der Raumstation festhält.

Die eigentliche Probenentnahme erflogt mit einer mit 3000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Trennschleifer-Scheibe (砂轮), die Du auf der linken Darstellung hinter der rotierenden Bürste (毛刷), mit der sie gekoppelt ist, sehen kannst. Die Flex-Scheibe wird von einem Vortriebsmechanismus (砂轮进给机构) gegen den Boden gedrückt und erzeugt Staub. Die Funkengarbe aus der Schlosserwerkstatt ist hier das ersehnte Produkt, das von der Bürste durch die Probenöffnung (进样口) in den Sammelbehälter geschleudert wird.

Der Befestigungsnagel kann übrigens wieder herausgezogen werden. Die Sonde streckt dann immer ein Bein vor, nagelt sich dort wieder fest und wiederholt das eines nach dem anderen mit den übrigen Beinen. Es bleiben immer drei Beine verankert, ein Bein bewegt sich. So kann die Sonde wie ein Freikletterer über den Asteroiden krabbeln und an verschiedenen Stellen immer wieder versuchen, Proben zu nehmen, bis die Behälter voll sind. So sah das im Training aus (dort wurden Kalksteinplatten als Asteroidenimitat verwendet):


Bild: HIT

Das rechts oben sind Kaltgastriebwerke (喷气) mit einer Schubkraft von insgesamt(!) 20 N (总推力 20 N), die die Sonde gegen den Asteroiden drücken (下压). In dem Bild darunter wird der Ultraschall-Spax mit einer Kraft von 5 N in den Asteroiden getrieben und die Sonde auf diese Art fest verankert (附着固定). Das ist der Vorgang, über den sich Ye Peijian in dem Youtube-Video so wortreich auslässt.

Beeindruckend!
Das ist dann quasi ein 4-beiniger Roboter zum Probeneinsammeln.

So ist das gedacht. Das Problem ist, dass man einfach zu wenig über Kamo'oalewa weiß. Sicher bekannt ist nur, dass seine Rotationsperiode 0,467 Stunden beträgt (ein Tag auf dem Asteroiden dauert eine halbe Stunde). Man nimmt derzeit an, dass es sich um ein 53.600 t schweres Ellipsoid mit einer langen Achse von 100 m und einer kurzen Achse von 40 m handelt, dessen (sehr schwaches) Schwerefeld sich bis 200 m vom Massemittelpunkt erstreckt. Weil es sich um einen Quasisatelliten der Erde handelt, besteht die Möglichkeit, dass es sich um einen Felsbrocken handelt, der beim Einschlag eines größeren Asteroiden aus der Erde oder dem Mond herausgeschleudert wurde (die Wissenschaftler um Li Chunlai wollen sich da nicht festlegen). Es kann aber genauso gut sein, dass es ein Geröllhaufen wie Dimorphos ist, der irgendwann von der Erde eingefangen wurde:
http://jdse.bit.edu.cn/sktcxb/article/doi/10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230185

Daher versucht man, auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein. Vor der Landung wird Kamo'oalewa in drei Schritten kartografiert, bei den finalen Hyperbeln rechts aus einem Abstand von - je nach Sicherheitseinschätzung - 50 m oder 80 m vom Äquator:


Bild: Li Xiangyu

Anschließend kommt eine Art asteroidostationärer Orbit in einem Abstand von 10 m über der Oberfläche, ähnlich wie 1985 bei dem Koppelmanöver an Saljut 7, nur dass die Sonde hier im Laufe einer Stunde zwischen drei Punkten über dem ausgewählten Gebiet pendelt. Damit lässt sich die Position relativ zum Mittelpunkt des Gebiets mit einer Präzision von 3 cm halten:


Bild: BIT

Die Bordkamera hat aus 3 km Entfernung eine Auflösung von 30 cm, aus der Nähe (theoretisch bis 4 m) dann natürlich mehr. Mit diesen hochauflösenden Aufnahmen hofft man, felsige Stellen für die Landebeine zu finden. Ob das funktioniert, hängt bei aller Technik am Ende von der Oberflächenbeschaffenheit des Asteroiden ab.

Ab 2045 sollen dann von der Lunaren Orbitalstation aus Kundschaftersonden auf Bumerang-Bahnen zu ausgewählten Asteroiden starten (geht von dem entfernten rückläufigen Orbit der Station aus sehr energiearm) und sie erst einmal im Vorbeiflug dokumentieren, bevor man die eigentlichen Erkundungssonden losschickt. Die Kundschaftersonden kommen zur Station zurück und können immer wieder verwendet werden.

Mittlerweile hat sich eine Gruppe von planetaren Fernerkundern um Prof. Wu Bo von der Polytechnischen Universität Hongkong nähere Gedanken über die Oberflächenbeschaffenheit von Kamo'oalewa gemacht. Dabei sind sie in Bezug auf die Form des Asteroiden von zwei verschiedenen Modellen ausgegangen. Zum einen die vereinfachte Ellipsoid-Form links, zum anderen ein detaillierteres, auf verschiedenen Lichtkurven aus den Jahren 2017 und 2018 basierendes Modell, bei dem sie noch 12 willkürlich platzierte Krater von 5 m bis 20 m Durchmesser hinzugefügt haben, hier rechts (oben von oben gesehen, unten von unten). Die Rotation erfolgt in beiden Fällen um die z-Achse, also mit maximaler Fliehkraft an den spitzen Enden:


Bild: Ren Jialong

Neben der Fliehkraft, bei diesem Nettokraft-Bild in Rottönen und positiven Werten dargestellt, gibt es auch eine gewisse Gravitation, hier in Blautönen und negativen Werten dargestellt. Das bedeutet für praktische Zwecke, dass zum Beispiel Regolith durch die Fliehkraft an die Innenseite von steileren Kraterwänden gedrückt wird:


Bild: Research Centre for Deep Space Explorations

Bei den Regolithkörnern kommt dann noch die Van-der-Waals-Kraft hinzu, die den Staub auf dem Asteroiden "festklebt". Hier die Netto-"Schwerkraft", die unter Berücksichtigung der Van-der-Waals-Kraft auf idealisiert runde Regolithkörner mit einem Radius von 1 mm einwirkt:


Bild: RCDSE

Regolith entsteht im Prinzip durch Meteoriteneinschläge oder auch durch ständigen Heiß-Kalt-Wechsel ausgelöstes Zerbröseln von Felsbrocken. Da die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche von Kamo'oalewa nur etwa 0,04 m/s beträgt, wird das Auswurfmaterial von (Mikro-)Meteoriteneinschlägen unwiederbringlich ins Weltall hinausgeschleudert. Da Kamo'oalewa aber sehr schnell rotiert, hat man einen häufigen Heiß-Kalt-Wechsel. Abhängig vom Material (Chondrit, Norit etc.) und der Korngröße, dauert es zwischen 100 Jahren und 1 Milliarde Jahren, bis Steine zerbröseln. Wu Bo und seine Kollegen kommen zu dem Schluss, dass es über die Jahrmillionen eine Nettozunahme von Regolith gibt.

Für Tianwen-2 bedeutet das nun, dass die Oberfläche von Kamo'oalewa an den spitzen Enden wahrscheinlich aus nacktem Fels besteht, wo man den Asteroiden abflexen muss bzw. halbwegs sicher herumkrabbeln kann. An den Polen wird man von der schwebenden Sonde aus die Stickstoff-Luftstoß-Methode zur Regolitheinsammlung verwenden, wie sie schon bei den Hayabusa-Sonden und OSIRIS-REx zum Einsatz kam.

Nachdem Tianwen-2 die auf Kamoʻoalewa entnommenen Bodenproben 2027 bei der Erde abgeliefert hat, soll die Sonde zum Hauptgürtelkometen 311P auf der der Sonne zugewandten Innenseite des Asteroidengürtels weiterfliegen und dort 2033 ankommen. Vorher ist für 2028 ein Vorbeischwungmanöver am Mars geplant, das hier eventuell nicht zur Beschleunigung, sondern zur Verlangsamung dient. Für die Missionsphase bei 311P wird explizit von einem langsamen Begleitflug gesprochen:
http://jdse.bit.edu.cn/sktcxb/article/doi/10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230160

311P wurde zwischen dem 10. September 2013 und dem 11. Februar 2014 vom Weltraumteleskop Hubble mehrfach fotografiert, wobei unterschiedliche Staubausbrüche mit einer Dauer zwischen 2 und 8 Tagen sowie erzeugten Schweiflängen zwischen 15.000 km (am 10. September 2013) und 71.000 km (am 31. Dezember 2013) registriert wurden:


Bild: ESA

Unter der Annahme, dass die einzelnen Staubkörner in dem Schweifen zwischen 6 µm und 38,9 mm groß waren, würde die Masse des Staubs in einem Schweif zwischen 500 t und 8000 t betragen. Der Komet würde bei einem Staubausbruch zwischen 1,08 kg und 30,3 kg pro Sekunde an Masse verlieren, durchschnittlich 1,59 kg/s.

Die Aufgabe von Tianwen-2 ist es, 311P mindestens ein Jahr lang zu begleiten und darauf zu hoffen, dass sich in dieser Zeit ein Staubausbruch ereignet. 311P, der einen mittleren Durchmesser von 450 m besitzt und momentan etwa 300 Millionen Tonnen wiegt, besitzt eine Fluchtgeschwindigkeit von 0,13 - 0,39 m/s, die Staubpartikel fliegen bei den wohl durch "Erdrutsche" verursachten Eruptionen mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/s davon.

Inspiriert von den Nutzlasten der ESA-Sonde Rosetta ist Tianwen-2 mit einem Staubanalysator ausgestattet, der hier allerdings mehrere Funktionen in einem kompakten Gerät vereint. Wenn ein Staubkorn durch die Sammelöffnung fliegt, passiert es zunächst einen Laserstrahl. Aus dessen Streuung wird mit der Lorenz-Mie-Methode der Durchmesser eines äquivalenten Kugelteilchens berechnet. Damit hat man schon mal einen groben Überblick.

Die Geschwindigkeit des Staubkorns wird über die Zeit berechnet, die es zur Durchquerung des Laser-Lichtvorhangs und - bei Geschwindigkeiten von weniger als 10 m/s - auf dem Weg zur nächsten Messstation benötigt. Das ist eine Prallplatte aus reinem Aluminium auf deren Rückseite piezoelektrische Sensoren aus Blei-Zirkonat-Titanat angebracht sind. Aus der Zeitverzögerung, mit der die über die ganze Platte verteilten Sensoren den Aufprall melden, lässt sich dessen Ort und damit der Winkel zur Einlassöffnung bzw. der Flugbahn-Winkel des Staubkorns bestimmen. Aus der Wucht des Aufpralls errechnet sich der Impuls.

Mit einer Mikroskop-Kamera wird das Staubkorn vor dem Aufprall im Flug fotografiert und die Fotos gleich an Bord verarbeitet, Verzerrungen herausgerechnet und die Silhouette erfasst. Mit einer Quarzkristall-Mikrowaage wird die langsam wachsende Summe der Staubkörner gewogen, wodurch man auch einen Eindruck von der Flussdichte des Staubes bei einem Ausbruch bekommt. Der gesammelte Staub wandert dann noch in ein Gerät für thermogravimetrische Analyse, wo er erhitzt und sein Gehalt an Wasser, flüchtigen Stoffen und organischen Molekülen bestimmt wird.

Hier eines der beiden ausfaltbaren Solarmodule von Tianwen-2. Mit den Dreischicht-Zellen wird in einer Entfernung von 3 AE von der Sonne bei sehr niedrigen Temperaturen 34 % des noch eintreffenden Sonnenlichts in Strom umgewandelt:


Bild: CAST

Der Hauptgürtelkomet 311P ist ca. 2 AE von der Sonne entfernt (Perihel – Aphel 1,936 AE – 2,442 AE), Kamoʻoalewa ca. 1 AE (Perihel – Aphel 0,897 AE – 1,105 AE). Hier kann man die Sonde mit den entfalteten Solarmodulen sehen:


Bild: CNSA, bearb. Regnart

Die Scheiben haben jeweils einen Durchmesser von 4,7 m und eine Solarzellenfläche von 17 m². Die Gesamtspannweite der Sonde beträgt 13,4 m, das Gehäuse ist 2,65 x 2,65 x 4,55 m groß:
https://weibo.com/6270293881/MaRVLuqS6

Die Rückkehrkapsel oben auf dem Gehäuse hat einen Durchmesser von 75 cm, also die Hälfte der Rückkehrkapsel der Mond-Probenrückholsonden Chang’e 5 und Chang’e 6 (1,5 m). Hier kann man sehen, wie ein Ring mit "Flexstaub" in dem Probenbehälter platziert wird (man vergleiche die vorher-nachher-Bilder rechts):


Bild: CNSA

Die Sonde ist heute auf dem Kosmodrom Xichang angekommen. In der offiziellen Mitteilung der Nationalen Raumfahrtbehörde heißt es, dass sie "in der ersten Jahreshälfte" starten wird, da man aber für den Flug zu  Kamo'oalewa an Startfenster gebunden ist, wird es wohl bei Mai bleiben:
https://news.cctv.com/2025/02/20/ARTIZdv39vIaNIy103J5vsFK250220.shtml

Man beachte, dass in der neuesten Darstellung der CNSA nach dem Absetzen der Proben bei der Erde ein Vorbeiflug an einem weiteren Asteroiden (小行星飞跃, links oben) vorgesehen ist, und nicht mehr ein Vorbeischwungmanöver am Mars:


Bild: CNSA

Zum Vergleich:
Die Komponenten der Mondsonde Chang’e 6, die auf dem Kosmodrom zusammengebaut werden mussten, wurden am 8. und 9. Januar 2024 per Frachtflugzeug nach Hainan gebracht. Der Start erfolgte am 3. Mai.

Chinesische Kommentatoren meinen, dass der Vorbeiflug an dem Zusatzasteroiden genauso laufen wird wie bei Chang’e 2, die am 13. Dezember 2012 in einem Abstand von 770 ± 120 m mit einer Relativgeschwindigkeit von 10,73 km/s an dem erdnahen Asteroiden Toutatis vorbeigeflogen ist:
https://weibo.com/6142289604/PfhNah2BF

Dieses Foto des 4,5 × 2,4 × 1,9 km großen Asteroiden wurde seinerzeit aus einer Entfernung von 67,7 km mit einer Auflösung von 8,3 m/Pixel aufgenommen (die höchste Auflösung war 3 m/Pixel aus einer Entfernung von 18,3 km):


Bild: Sternwarte am purpurnen Berg