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Diplomarbeit V.1.0.0.5 Pdf

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Diplomarbeit V.1.0.0.5 Pdf (c) 2006-2007 Dipl.-Ing. (RWTH) Jan Thimo Grundmann e : janthimogrundmann (at) yahoo.de Betr.: Diplomarbeit v.1.0.0.5 pdf Diplomarbeit Verfasser: Jan Thimo Grundmann Betreuer: Dipl.-Ing. Johannes Lux Wiss. Leitung: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Koschel Lfd. Nr.: D 2006-03 2007 durchgesehene Fassung Aufgabenstellung i für Herrn cand. ing. Jan Thimo Grundmann Matr.-Nr. 192335 Kleinkörper des Sonnensystems können durch ihre natürlichen Einschläge auf der Erde Katastrophen in einer für die menschliche Zivilisation relevanten Kombination aus Häufigkeit und Ausmaß auslösen, deren Auswirkungen mit der Erschließung der Erde ansteigen. Die astronomische Suche nach erdnahen Kleinkörpern ergab bisher eine unerwartet hohe und ansteigende Zahl potentieller Impaktoren. Neue Technologien, mediengeneriertes öffentliches Interesse und der forschungspolitische Wettbewerb führten zu vielen verschiedenen, oft sehr aufwendigen Konzepten zur Minderung der Bedrohung. Meist verhindern hohe Kosten ihre Ausführung, so daß bisher kaum praktische Erfahrung gesammelt werden konnte. Die wissenschaftliche Erforschung beschränkt sich dagegen auf länger bekannte oder leicht erreichbare Körper, die daher in bahnmechanisch unkritischen Regionen auf einer genau bekannten Bahn umlaufen, was bei einem erst zu entdeckenden Impaktor nicht notwendigerweise der Fall sein wird. Die Erfahrung mit umstrittener Technologie lehrt, daß Investitionen erst nach dem Auftreten einer öffentlich wahrgenommenen, unabwendbaren Notwendigkeit erfolgen, abgesehen von freiwilligen privaten Beiträgen fachlich interessierter Personenkreise. Mit dem breiten öffentlichen Interesse verging die Investitionsbereitschaft, ohne daß sich die Wissenschaft bisher auf ein umfassendes Konzept zur Bedrohungsminderung einigte. Es stellt sich also die Frage, ob eine Verteidigung gegen ein bedrohliches Objekt gänzlich ohne zweckgebundene Aufwendungen möglich ist, und falls dies nicht der Fall ist, in welchen Bereichen zusätzliche Anstrengungen zwingend nötig sind, welches Ausmaß diese mindestens haben müssen, und ob sie mit geeigneten existierenden Einrichtungen synergetisch kombiniert werden können. Hierfür sind u.a. folgende Aufgaben zu bearbeiten: - Gefahrenanalyse von einschlagenden Asterioden in der Literatur - Übersicht über Kleinkörper im Sonnensystem mit Klassifizierung - Analyse der verfügbaren Raumflugsysteme und deren Verfügbarkeit - Berechnung und Diskussion der Missionsszenarien - Grenzen der technischen Möglichkeiten - Kosten-Nutzen-Betrachtung - Auswahl kosteneffektiver Methoden - Dokumentation der Ergebnisse Inhaltsverzeichnis ii Aufgabenstellung i Inhaltsverzeichnis ii Verzeichnis der Tabellen iv Nomenklatur vi 1. Einleitung 1 1.1. Historische Entwicklung 4 1.1.1. Entdeckung der kleinen Planeten 4 1.1.2. Entdeckung der erdbahnkreuzenden Kleinkörper 8 1.1.3. Entwicklung der defensiven Ballistik 12 1.2. Konvergenz der historischen Entwicklung 14 1.3. Folgerungen aus der historischen Entwicklung 15 2. Bedrohungslage 16 2.1. Art und Anzahl der kleinen Körper des Sonnensystems 18 2.2. Erdkollisionswahrscheinlichkeit der kleinen Körper des Sonnensystems 36 2.3. Auswirkungen des Einschags eines kleinen Körpers auf der Erde 47 2.4. Komplikation der Lage durch Kommunikation und Entscheidungsprozesse 61 3. Technische Möglichkeiten 63 3.1. Beobachtungs- und Frühwarnmittel 63 3.1.1. Fehlerquellen in der Bahnvorhersage 72 3.1.2. Schwer beobachtbare Objekte 78 3.2. Anforderungen an Marschflug und Zielanflug 84 3.3. Wirkmethoden 89 3.3.1. Radiative Ablation 89 3.3.2. Kinetische Energie 100 3.3.3. Technischer Rückstoßantrieb 102 3.3.4. Solarthermische Verdampfung 103 3.3.5. Vergleich der Wirkmethoden 105 3.4. Zur Verfügung stehende Träger 106 4. Missionsszenarien 116 5. Zusammenfassung 129 6. Literatur 132 Inhaltsverzeichnis iii A. Anhänge 151 A.1. SI-fremde Einheiten 151 A.2. Bezeichnungssysteme für kleine Körper des Sonnensystems 152 A.3. Transitbeobachtungen vor Sonne und Mond, und nahe Erdpassagen 154 A.3.1. Untere Grenze des Durchmessers eines Objektes in Transitbeobachtung 155 A.4. Sämtliche offiziellen Informationen über das Teller-Ulam-Prinzip 157 A.5. (136199) Eris = 2003 UB313 »Xena« = Planet Lila = Planet X? 158 Verzeichnis der Tabellen iv 1.1 - Zeitskalen des frühen Sonnensystemes 3 1.2 - Auswahl einiger in geschichtlicher Zeit entdeckter Planeten des Sonnensystems 6 1.3 - Auswahl einiger Planetenmonde 7 1.4 - Auswahl erdnaher Kleinplaneten des Sonnensystems im Kontext ferner Objekte 11 2.1 - Spezifische Energie handelsübicher Substanzen und meteoritischer Massen 18 2.2 - Gruppen erdnaher Asteroiden (NEA) 20 2.3 - Gruppen von Kometen 21 2.4 - Vergleich beobachteter und errechneter NEA-Populationen zum gleichen Zeitpunkt 22 2.5 - Entwicklung der photometrischen Größenschätzung von großen NEA über die Zeit 24 2.6 - Radarmessungen von PHA, > ca. 0.4 km nach photometrischer Größenschätzung 26 2.7 - Radarmessungen von NEA, < ca. 0.4 km nach photometrischer Größenschätzung 27 2.8 - Direkt vermessene Körper des Sonnensystems mit vorherigen Größenschätzungen 28 2.9 - Albedo direkt und radarvermessener Kleinkörper und vergleichbarer Objektklassen 29 2.10 - Entwicklung der bekannten und geschätzten Menge der erdnahen Kleinkörper 31 2.11 - Entwicklung der bekannten und geschätzten Größe der erdnahen Kleinkörpergruppen 34 2.12 - Abhängigkeit der NEA-Population ≥ 1 km von der angenommenen mittleren Albedo 36 2.13 - Effektiver Einfangradius der Erde bei verschiedenen NEO-Relativgeschwindigkeiten 39 2.14 - Schätzungen der mittleren Einschlagsintervalle von Kleinkörpern bestimmter Größe 41 2.15 - Mittlere Einschlagsintervalle von Kleinkörpern verschiedener Größen 42 2.16 - Mittlere Einschlagsintervalle für bestimmte Energiefreisetzungen 44 2.17 - Vergleich natürlicher Explosionen in moderner Zeit mit technischen Explosionen 48 2.18 - Bersthöhen für typische Meteoroidmaterialien in der Erdatmosphäre 54 2.19 - Opferzahlen für typische Einschlagssimulationen abgebildet auf das 20. Jahrhundert 56 2.20 - Opfer, Verletzte und Sachschäden durch Meteorite und Luftdetonationen 57 2.21 - Persönliches Risiko durch Einschläge im Vergleich mit Alltagsrisiken 59 3.1 - Ausgewählte Objekte mit großer synodischer Periode 65 3.2 - Im Jahre 2006 aktive Beobachtungsprogramme 66 3.3 - Leistungsfähigkeit von Großteleskopen in der Kleinkörperbeobachtung 68 3.4 - Ortsauflösung bei verschiedenen Winkelauflösungen und Erddistanzen 69 3.5 - Störeinflüsse auf Kleinkörper und die Vorhersagbarkeit der Bahnbewegung 73 3.6 - Referenzbahnbezogene Positionsfehlerentwicklung für (29075) 1950 DA 75 3.7 - Entwicklung der Bestimmung des nahen Erdvorbeifluges von (99942) Apophis 76 3.8 - Bahnabweichungen mit und ohne Verstärkung durch nahe Erdvorbeigänge 77 3.9 - Planetarische Diskriminante und Stern-Levinson-Parameter der 11 größten Planeten 79 3.10 - Massen, Manövrier- und Leistungsfähigkeit interplanetarer Sonden nach 1985 85 3.11 - Massenverteilung der Instrumente nach Untersuchungsgegenstand 86 3.12 - Massenaufteilung von Landegeräten 88 3.13 - Abmessung und Energieinhalt kerntechnischer Geräte 91 3.14 - Wege, Effizienz und Reichweite des Wirkenergietransportes ins Ziel 94 3.15 - Schmelz- und Verdampfungseigenschaften von Mineralen der Kleinkörper 95 3.16 - Sicher erzielbare Geschwindigkeitsänderung mit einem nuklearen Sprengkörper 99 3.17 - Höchste erzielbare Geschwindigkeitsänderung mit einem nuklearen Sprengkörper 100 Verzeichnis der Tabellen v 3.18 - Mit kinetischer Energie erzielbare Geschwindigkeitsänderung 101 3.19 - Mit techischem Rückstoßantrieb erzielbare Geschwindigkeitsänderung 103 3.20 - Mit solarthermischer Verdampfung erzielbare Geschwindigkeitsänderung 105 3.21 - Vergleich der Wirkmethoden nach ihrer spezifischen Umlenkung 106 3.22 - Verfügbare Träger mit kommerzieller GTO-Fähigkeit oder interplanetaren Flügen 107 3.23 - Stufenparameter für hohe Endgeschwindigkeiten 109 3.24 - Verfügbare Oberstufen mit lagerfähigen Flüssigtreibstoffen 110 3.24a - Verfügbare Oberstufen mit kryogenen Flüssigtreibstoffen 110 3.25 - Verfügbare Oberstufen und Kickmotoren mit festem Treibstoff 111 3.26 - Nutzlastverkleidungen der Trägerraketen und ihr Innenraum 111 3.27 - Interplanetare Endgeschwindigkeit für Schwerlastträger mit zusätzlichen Oberstufen 114 3.28 - Spanne der interplanetaren Endgeschwindigkeit für alle Schwerlastträger 115 4.1 - Erreichbare Entfernungen im Sonnensystem 120 4.2 - Erreichbare Entfernungen im Sonnensystem bei maximaler Ortsradiusrate 122 A.2.1 - Buchstabencode in den vorläufigen Bezeichnungen für Asteroiden 153 A.3.1 - Beobachtete nahe Erdvorbeigänge von Kleinkörpern 154 Nomenklatur vi a große Halbachse einer Umlaufbahn A Albedo, reflektierter Anteil des auf einen Himmelskörper treffenden Lichtes, 0 £ A £ 1 c Lichtgeschwindigkeit, 299792458 m/s d allgemeiner Abstand, allgemeine Abmessung e Exzentrizität einer Umlaufbahn E Energie h Höhe H absolute Helligkeit eines Himmelskörpers, bei Kleinplaneten in je 1 Sonnen- und Erdentfernung, in Größenklassen mag [A.1.] i Inklination einer Umlaufbahn I Intensität bzw. Flächenleistungsdichte einer Strahlung k Gauß-Konstante der Gravitation, 0.01720209895; entspricht ÷G ausgedrückt in astronomischen Einheiten von Entfernung, Masse und Zeit; , M , bzw. d m Masse, allgemein oder eines kleineren Körpers M Masse, des zentralen oder eines größeren Körpers MAG Magnitude eines seismischen Ereignisses n allgemeine Anzahl N Impuls p Druck p Semilatus Rectum oder Halbparameter einer Umlaufbahn P Umlaufperiode eines Himmelskörpers auf einer Bahn um einen anderen q Perizentrumsdistanz einer
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