Den 13 april, 2029, en isig bit rymdsten, bredare än Eiffeltornet är högt, kommer att sträcka av jorden i 30 kilometer per sekund, betar planetens sfär av geostationära satelliter. Det kommer att vara den närmaste inflygningen av en av de största asteroiderna som korsar jordens omloppsbana under det kommande decenniet.

Observationer av asteroiden, känd som 99942 Apophis, för den egyptiska kaosguden, föreslog en gång att dess förbiflygning 2029 skulle ta den genom ett gravitationsnyckelhål – en plats i jordens gravitationsfält som skulle dra asteroidens bana så att vid nästa förbiflygning, år 2036, det skulle sannolikt få en förödande effekt.

Tack och lov, nyare observationer har bekräftat att asteroiden kommer att slingra förbi jorden utan incidenter både 2029 och 2036. Ändå, de flesta forskare tror att det aldrig är för tidigt att överväga strategier för att avleda en asteroid om man någonsin var på en snabbkurs med vår hemplanet.

Nu har MIT-forskare tagit fram ett ramverk för att bestämma vilken typ av uppdrag som skulle vara mest framgångsrika för att avleda en inkommande asteroid. Deras beslutsmetod tar hänsyn till en asteroids massa och momentum, dess närhet till ett gravitationsnyckelhål, och mängden varningstid som forskare har för en förestående kollision – som alla har grader av osäkerhet, som forskarna också tar med för att identifiera det mest framgångsrika uppdraget för en given asteroid.

Forskarna tillämpade sin metod på Apophis, och Bennu, en annan jordnära asteroid som är målet för OSIRIS-REx, ett operativt NASA-uppdrag som planerar att returnera ett prov av Bennus ytmaterial till jorden 2023. REXIS, ett instrument designat och byggt av studenter vid MIT, är också en del av detta uppdrag och dess uppgift är att karakterisera överflöd av kemiska grundämnen vid ytan.

I en tidning som dyker upp denna månad i tidskriften Acta Astronautica , forskarna använder sin beslutskarta för att lägga ut den typ av uppdrag som sannolikt skulle ha störst framgång för att avleda Apophis och Bennu, i olika scenarier där asteroiderna kan vara på väg mot ett gravitationsnyckelhål. De säger att metoden kan användas för att designa den optimala uppdragskonfigurationen och kampanjen för att avleda en potentiellt farlig jordnära asteroid.

"Människor har mestadels övervägt strategier för avböjning i sista minuten, när asteroiden redan har passerat genom ett nyckelhål och är på väg mot en kollision med jorden, " säger Sung Wook Paek, huvudförfattare till studien och en före detta doktorand vid MIT:s avdelning för flygteknik och astronautik. "Jag är intresserad av att förhindra nyckelhålspassage i god tid före jordens nedslag. Det är som en förebyggande attack, med mindre röra."

Paeks medförfattare vid MIT är Olivier de Weck, Jeffrey Hoffman, Richard Binzel, och David Miller.

Avleda en planetmördare

Under 2007, NASA drog slutsatsen i en rapport som lämnats till den amerikanska kongressen att i händelse av att en asteroid var på väg mot jorden, det mest effektiva sättet att avleda det skulle vara att skjuta upp en kärnvapenbomb i rymden. Kraften från dess detonation skulle spränga bort asteroiden, även om planeten då skulle behöva brottas med eventuella kärnvapennedfall. Användningen av kärnvapen för att mildra asteroidpåverkan är fortfarande en kontroversiell fråga i planetariskt försvarssamhälle.

Det näst bästa alternativet var att skicka upp en "kinetic impactor" - en rymdfarkost, raket, eller annan projektil som, om den riktas åt precis rätt riktning, med tillräcklig hastighet, borde kollidera med asteroiden, överföra en del av dess fart, och kasta den ur kurs.

"Den grundläggande fysikprincipen är ungefär som att spela biljard, " förklarar Paek.

För att någon kinetisk impactor ska bli framgångsrik, dock, de Weck, en professor i flygteknik och astronautik och tekniska system, säger egenskaperna hos asteroiden, som dess massa, Momentum, bana, och ytsammansättning måste vara känd "så exakt som möjligt". Det betyder att, vid utformningen av ett avlänkningsuppdrag, forskare och uppdragsledare måste ta hänsyn till osäkerhet.

"Spelar det någon roll om sannolikheten för att ett uppdrag lyckas är 99,9 procent eller bara 90 procent? När det gäller att avleda en potentiell planetmördare, du slår vad om att det gör det, ", säger de Weck. "Därför måste vi vara smartare när vi utformar uppdrag som en funktion av osäkerhetsnivån. Ingen har sett på problemet på det här sättet tidigare."

Stänger ett nyckelhål

Paek och hans kollegor utvecklade en simuleringskod för att identifiera den typ av asteroidavböjningsuppdrag som skulle ha den bästa möjligheten att lyckas, givet en asteroids uppsättning osäkra egenskaper.

Uppdragen som de övervägde inkluderar en grundläggande kinetisk impactor, där en projektil skjuts ut i rymden för att knuffa en asteroid ur kurs. Andra varianter involverade att skicka en scout för att först mäta asteroiden för att finslipa specifikationerna för en projektil som skulle skickas upp senare, eller skicka två scouter, en för att mäta asteroiden och den andra för att skjuta asteroiden något ur kurs innan en större projektil därefter avfyras för att få asteroiden att missa jorden med nästan säkerhet.

Forskarna matade in simuleringsspecifika variabler som asteroidens massa, Momentum, och bana, såväl som omfattningen av osäkerhet i var och en av dessa variabler. Viktigast, de räknade in en asteroids närhet till ett gravitationsnyckelhål, såväl som hur lång tid forskarna har innan en asteroid passerar genom nyckelhålet.

"Ett nyckelhål är som en dörr - när den väl är öppen, asteroiden kommer att träffa jorden strax efter, med stor sannolikhet, " säger Paek.

Forskarna testade sin simulering på Apophis och Bennu, två av endast en handfull asteroider för vilka placeringen av deras gravitationsnyckelhål i förhållande till jorden är kända. De simulerade olika avstånd mellan varje asteroid och deras respektive nyckelhål, och beräknade även för varje avstånd en "säker hamn"-region där en asteroid skulle behöva avböjas så att den skulle undvika både en kollision med jorden och att passera genom alla andra närliggande nyckelhål.

De utvärderade sedan vilken av de tre huvuduppdragstyperna som skulle vara mest framgångsrika när det gäller att avleda asteroiden till en säker hamn, beroende på hur lång tid forskarna har att förbereda sig.

Till exempel, om Apophis kommer att passera genom ett nyckelhål om fem år eller mer, då finns det tillräckligt med tid för att skicka två scouter – en för att mäta asteroidens dimensioner och den andra för att knuffa den lite av banan som ett test – innan du skickar en huvudimpaktor. Om nyckelhålspassage inträffar inom två till fem år, det kan finnas tid att skicka en scout för att mäta asteroiden och ställa in parametrarna för en större projektil innan du skickar upp stötkroppen för att avleda asteroiden. Om Apophis passerar genom sitt nyckelhål inom ett jordår eller mindre, Paek säger att det kan vara för sent.

"Även en huvudimpaktör kanske inte kan nå asteroiden inom denna tidsram, " säger Paek.

Bennu är ett liknande fall, även om forskare vet lite mer om dess materialsammansättning, vilket gör att det kanske inte är nödvändigt att skicka upp utredningsspanare innan en projektil avfyras.

Med lagets nya simuleringsverktyg, Peak planerar att uppskatta framgången för andra avlänkningsuppdrag i framtiden.

"Istället för att ändra storleken på en projektil, vi kanske kan ändra antalet uppskjutningar och skicka upp flera mindre rymdskepp för att kollidera med en asteroid, en och en. Eller så kan vi skjuta upp projektiler från månen eller använda nedlagda satelliter som kinetiska stötorgan, " säger Paek. "Vi har skapat en beslutskarta som kan hjälpa till att skapa en prototyp för ett uppdrag."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.