Physical limits of solar collectors in deflecting Earth-threatening asteroids

This paper investigates the physical limits of a solar collector for orbit deflection of near-Earth asteroids (NEAs) on a collision course with Earth. For decades of warning time a small change of NEA orbital velocity Δv by a few mm/s might suffice to alter the collision path into an Earth fly-by and consequently avert a local or even global catastrophe. In principle this can be achieved by a spacecraft that carries a large solar collector. The latter focuses sunlight onto the NEA surface in order to vaporize surface material, hence transferring a continuous momentum to the NEA. We model evaporation process and vapour expansion to show that the functionality exists. From the analysis of focussing misalignments and collector degradation we find that a considerable operational effort is required to maintain operating conditions. The most important result is that the collector lifetime is limited to only a few minutes. Therefore a solar collector might only be applicable to NEAs with size < 250 m if Δv<0.1 mm/s is required. We also discuss capabilities for the prolongation of collector lifetime and hence an increase of NEA application size range.

ZusammenfassungDiese Arbeit untersucht die physikalischen Grenzen eines Sonnenspiegels bei der Bahnablenkung erdnaher Asteroiden (NEAs), die sich auf Kollisionskurs mit der Erde befinden. Für eine Vorwarnzeit von Jahrzehnten genügt eine geringe Änderung der NEA-Bahngeschwindigkeit Δv um wenige mm/s, um die Kollisionsbahn in einen Erdvorbeiflug zu ändern, und somit eine lokale oder sogar globale Katastrophe abzuwenden. Prinzipiell kann dies durch ein Raumfahrzeug erreicht werden, dass einen großen Sonnenspiegel trägt. Mit diesem wird Sonnenlicht auf die NEA-Oberfläche fokussiert, um Oberflächenmaterial zu verdampfen und dadurch einen kontinuierlichen Impuls auf den NEA zu übertragen. Wir modellieren den Verdampfungsprozess und die Gasausbreitung, um zu zeigen, dass die Funktionalität gegeben ist. Die Analyse von Fokusausrichtungsfehlern und Spiegeldegradation zeigt, dass ein erheblicher Betriebsaufwand erforderlich ist, um die Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Das wichtigste Ergebnis ist die geringe Spiegellebensdauer von nur wenigen Minuten. Deshalb kann ein Sonnenspiegel nur auf NEAs mit einer Größe < 250 m angewandt werden falls Δv<0.1 mm/s beträgt. Wir diskutieren außerdem Möglichkeiten der Lebensdauerverlängerung des Spiegels, um das Einsatzgebiet auf einen größeren Bereich von NEAs zu erweitern.