Vorbemerkung

In diesem zweiteiligen Artikel wird fast ausschließlich auf den Hauptgürtel eingegangen. Trojaner und NEA’s (Amor-, Apollo-u. Atenklasse) werden nur gestreift und später mal ausführlicher behandelt.
 
1. Ein räumlicher Überblick
Wieviel Objekte der eigentliche Asteroidengürtel (der main belt) umfasst, ist immer noch nicht bekannt. Noch vor wenigen Jahren ging man von 40 000 bis 50 000 Objekten aus. Die Trojaner, Zentauren, Transneptunische und die erdnahen Asteroiden (NEAs), waren in dieser Zahl noch nicht enthalten. Diese Schätzung ist jetzt bereits deutlich überholt.

Im Frühjahr 2005 waren bereits 100 000 Objekte identifiziert. Diese Zahl ist für sich genommen, gar nicht so beeindruckend. Aber 10 Jahre früher, im Frühjahr 1995 waren erst 6500 Objekte bekannt, vor 30 Jahren waren es 2000! Inzwischen (Seit Ende 2006) sind es 338 000 registrierte Asteroiden.

Diese Entwicklung ist atemberaubend und es ist sehr wahrscheinlich, daß noch einige hundertausend Asteroiden, vermutlich noch weit mehr, im Hauptgürtel entdeckt werden. Bei allen Zahlenvergleichen muß aber immer berücksichtigt werden, ab welchem Mindest-Durchmesser gerechnet wird, z.B. ab einem Kilometer oder ab zehn Kilometern, oder schon ab 100 Metern? Bei den ganz kleinen Durchmessern (Meterbereich) werden erstaunlich hohe Zahlen im Millionenbereich für möglich gehalten. Die Gesamtmasse des Asteroidengürtels wird letztlich trotzdem nur 5-10 % der Mondmasse, also nur ein knappes Tausendstel der Erdmasse, ausmachen. Ungefähr ein Viertel bis ein Drittel davon stellt allein der Ceres (mit seinen 935 km Durchmesser). Denn die vielen kleinen Objekte, die wohl noch entdeckt werden, bringen infolge ihres geringen Durchmessers „einfach nichts auf die Waage“.

Daß der Ceres im August 2006 zum Zwergplaneten befördert worden ist und offiziell nicht mehr als Asteroid gilt, braucht uns hier weiter nicht zu kümmern.

Die Beziehung zwischen Durchmesser und Anzahl gehorcht der empirisch ermittelten Faustformel

                                                           n = 300 000 : D 2

Der Durchmesser D ist dabei in Kilometern zu nehmen. Die Formel stimmt einigermaßen genau, gilt aber nur bis zu Durchmessern von ca. einem Kilometer hinab und versagt völlig bei den ganz kleinen Körpern und bei den Partikeln von Sandkorn- und Staubgröße. Letztere sind im Asteroidengürtel allerdings stark unterrepräsentiert, sonst könnten wir ihn am Nachthimmel leuchten sehen.

Nach der o.g. Formel ist also z.B. mit 30 Asteroiden größer als 100 km zu rechnen, oder mit 3000 Asteroiden größer 10 km, oder mit einem Objekt größer als 548 km (das wäre dann der schon erwähnte Ceres), u.s.f. Die Ähnlichkeit mit Korngrößenverteilungen bei Mahl- u. Zertrümmerungsprozessen ist verblüffend. Im Asteroidengürtel finden ja auch enorm viele Kollisionen statt, bei denen überwiegend kleinere Körper zertrümmert werden, teilweise aber auch Anlagerungen stattfinden – je nach Aufprallgeschwindigkeit und physikalischer Beschaffenheit. Die typische Kollisionsgeschwindigkeit liegt bei 5 km/sec.

Die Bahnen des Hauptgürtels liegen zwischen 1.9 AE und 5.0 AE, also außerhalb der Marsbahn, aber innerhalb der Jupiterbahn. Zwischen 2.2 AE und 3.3 AE verlaufen die meisten Bahnen.

Eine Astronomische Einheit, das ist die mittlere Entfernung Erde - Sonne, knapp 150 Millionen Kilometer. Daraus folgt, daß der Innenrand des Gürtels 285 Mill. km von der Sonne entfernt ist und die durchschnittliche Breite des Gürtels ca. 450 Mill km beträgt. Der durchschnittliche Umfang des Gürtels entspricht natürlich dem zweifachen des mittleren Sonnenabstandes, multipliziert mit π  also ca. 22 AE, das sind 3.3 Milliarden Kilometer. Da der main belt nicht flach wie eine Scheibe ist, sondern viele Bahnen mehr oder weniger stark gegen die Ekliptik geneigt sind, ergibt sich ein beachtliches Gesamtvolumen des Gürtels.

Es ist größer als das Kugelvolumen innerhalb der Marsbahn, also als das, was man als das innere Sonnensystem bezeichnet. Wenn man übrigens die Faktoren 1.9 AE oder 5.0 AE, oder beliebige Zwischenwerte quadriert, erhält man eine Zahl, durch welche man unsere irdische Solarkonstante von 1400 Watt / qm teilen muß. Dann erhält man die jeweilige Sonnenintensität im betreffenden Bereich des Asteroidengürtels.

Rechenbeispiel:     1400 /  52 = 56 Watt pro Quadratmeter am Außenrand des Gürtels.

Am Innenrand des Gürtels sind es beispielsweise 390 Watt pro Quadratmeter, dort ist es zwar noch sehr hell, aber schon etwas kühl. (Wer mit einer solchen Zahl nichts anfangen kann, mag sich verdeutlichen, daß, wenn die Sonne Mitte Februar - Mittags - bei absolut glasklarem Himmel 23 Grad über dem Horizont steht, der flache Erdboden ca. 390 Watt pro Quadratmeter erhält).

Die Verteilung der Körper im Hauptgürtel ist keineswegs gleichmäßig.


Es gibt viele sogenannte Orbitalfamilien. Die fliegen aber nicht etwa im Konvoi, sondern weit auseinander gezogen, in ganz verschiedenen Bereichen des Gürtels. Jedoch mit gleichen Umlaufzeiten, also mit (fast) derselben Distanz zur Sonne. Einige Familien, samt ihrem typischen Abstand zur Sonne, sind folgende:

Flora – Familie: 2.2 AE

Phokäa – Familie: 2.4 AE

Koronis – Familie: 2.85 AE

Eos – Familie: 3.0 AE

Themis – Familie: 3.13 AE

Auch außerhalb des Hauptgürtels gibt es diskrete Orbitalfamilien, allerdings mit wenigen Mitgliedern, z.B. die Ungarische Gruppe bei 1.9 AE und die Hilda-Gruppe bei 4.0 AE, letztere also schon ganz weit draußen. Die Bahnen der meisten Orbitalfamilien verlaufen in der Ekliptik, oder sind nur um wenige Grad geneigt. Aber Extremisten, wie Pallas, den zweitgrößten aller Asteroiden, mit 33 Grad Neigung, gibt es natürlich auch.

Und eine gewisse Exzentrizität, also Abweichung von der idealen Kreisbahn, ist bei fast allen Asteroiden zu beobachten. Zwischen den Bahnen der Orbital-Gruppen gibt es auffällige Zwischenräume, die sogenannten Kirkwoodlücken. Sie werden vom Jupiter und seinem mächtigen Gravitationsfeld hervorgerufen.

 

 
Orbitalfamilien

Diese Zwischenräume entsprechen bestimmten Umlaufzeiten (um die Sonne), die in harmonischer Beziehung zur Umlaufzeit des Jupiters stehen. Dies betrifft z.B. Umlaufzeiten von einem Drittel, einem Viertel, drei Siebentel, fünf Drittel, drei Achteln etc. des Jupiterjahres. So, wie sich auf einem Rütteltisch befindliche Sandkörner zu Mustern anordnen, weil sie von bestimmten „Resonanzorten“ vertrieben werden, so sind bestimmte Bahnen im Asteroidengürtel für die Asteroiden quasi „verboten“.

Geraten sie trotzdem infolge ihrer Exzentrizität oder durch Abpraller bei Kollisionen, in solche verbotenen Bereiche, können sie schwere Bahnstörungen erleiden, oder gar ganz aus dem Gürtel geschleudert werden, sei es nach außen oder nach innen.

 

 

2. Ein Rohstoff - Eldorado?

Dieser Ausdruck ist mit einem Fragezeichen zu versehen, denn wenn Stoffe irgendwo vorhanden sind, kann man nicht unbesehen von Rohstoffen, schon gar nicht von Ressourcen, sprechen. Die gewaltigen Nickelmengen, die im Erdkern vermutet werden, sind schließlich auch kein Rohstoff für uns, sie sind eben einfach nur da, aber unerreichbar. Erreichbarkeit und Erschließungskosten sind die entscheidenden Kriterien.

Bestünde der gesamte Asteroidengürtel aus purem Gold, handelte es sich nur dann um eine Goldlagerstätte (ein Eldorado) wenn das Metall zum gängigen Marktpreis auf die Erde geschafft werden könnte. Um Gold geht es aber gar nicht, sondern um Rohstoffe für spätere Generationen von Raumkolonisten, für deren Industrie, Energieerzeugung, Raumschiffantriebe, Landwirtschaft, Konstruktionen aller Art. Dazu braucht man Kohlenstoff, Wasser, Stickstoff, Eisen, Aluminium, Silikate aller Art, Schwefel, Phosphor, Alkalimetalle u.v.a., vielleicht sogar Uran. Dies alles in großen Mengen, und möglichst billig.

Die Verteilung der einzelnen Elemente und Verbindungen im Asteroidengürtel ist, wie nicht anders zu erwarten, höchst ungleichmäßig. Es gibt eine große Zahl Spektralklassen, welche korreliert sind mit der Mineralzusammensetzung des jeweiligen Körpers, genauer gesagt mit der Zusammensetzung seiner Oberfläche. Und die kann ja anders beschaffen sein als der Kern.

Die Spektralklassen werden zu drei großen Überklassen zusammengefasst, die man

  •  Primitiv
  •  Metamorph
  •  Aufgeschmolzen

bezeichnet.

Primitiv bedeutet hier eine Zusammensetzung, die der solaren Urmaterie entspricht, also praktisch unverändert seit 4 Milliarden Jahren besteht.

Metamorphe Asteroiden sind leicht verändert, infolge teilweiser Aufschmelzungen und chemischer Umbildungen von Mineralien.

Die aufgeschmolzenen Vertreter sind chemisch und mineralogisch völlig verändert und sehr differenziert. In dieser Gruppe kommen z.B. die M-Asteroiden vor, metallische Körper aus Eisen, Nickel, Kobalt, Metallen der Platingruppe etc.

Die Tabelle zeigt nur eine Auswahl der wichtigsten Klassen:



Die dunklen Asteroiden der Klassen C, P und D kommen vor allem im sonnenfernen Teil des Gürtels vor, die hellen Vertreter der Klassen S treten vornehmlich im inneren (sonnennahen) Teil auf.

Diese Verteilung spricht eigentlich stark gegen die früher oft geäußerte Hypothese, die besagt, daß der ganze Asteroidengürtel der Rest eines zerstörten Planeten sei (Stichwort: Phaeton, Tiamat).

Warum sollten sich die Bruchstücke aus der Kruste des Planeten innen und die Bruchstücke aus Mantel und Kern weiter außen anordnen? Es ist wohl doch so, daß es sich um viele zusammengeballte Konglomerate aus einem Teil der solaren Urwolke handelt. Und je nach der Distanz zur Ursonne kondensierten dann unterschiedliche Elemente und Verbindungen aus, so wie auf größerer Ebene im ganzen Sonnensystem.

Die geschätzte Gesamtmenge an möglichen Rohstoffen im Hauptgürtel beträgt ca. sechs Trillionen Tonnen. Das ist viermal soviel wie die Wassermenge alle Weltmeere der Erde.
Wir reden dabei nur über den Hauptgürtel, nicht über die erdnahen Asteroiden und die exotischen, fernen Körper, wie KBO`s, Plutinos, Centauren, oder die diversen Trojaner, deren Gesamtmasse von einigen Astronomen größer veranschlagt wird, als die Masse des Hauptgürtels.

Von diesen sechs Trillionen Tonnen sind bis zu 10 % an Metallen zu erwarten, also rund 600 Billiarden Tonnen. Dies würde beim heutigen Verbrauch (und ohne Recycling) den Metallbedarf der Weltwirtschaft für 600 Millionen Jahre decken, also für einen Zeitraum vom frühen Kambrium bis heute.

Setzt man einen gewichteten Mischpreis für die üblichen Metallarten an (Eisen, Kupfer Aluminium, Nickel, Chrom, Platingruppe etc.), so ergibt sich ein ungefährer Marktwert von 100 Trillionen US-Dollar, also hundertausend Billiarden, entsprechend dem Dreimillionenfachen des heutigen Welt- Brutto-Sozialproduktes von einem Jahr.

Aber was ist von einer solch gigantischen Zahl eigentlich zu halten? Sie ist zunächst bloß reine Fiktion. Denn zur Realisierung dieses Wertes muß eine bezahlbare Erschließung und ein kostengünstiger Transport gewährleistet sein. Wenn dies in der Zukunft mal der Fall sein sollte, dann wären diese riesigen Metallmengen für den Weltmarkt voll verfügbar und die Rohstoffpreise würden wegen des Überangebotes ins Bodenlose stürzen. Also sind hundert Trillionen Dollar gar nicht wirklich realisierbar? Aber dann wenigstens eine Trillion?
Möglicherweise. Das sind aber alles nur Spekulationen.

Doch das gewaltige Potential, daß dort draußen auf uns wartet, läßt sich immerhin erahnen.
Diese Metallvorräte sind weit entfernt von der Erde, das Entscheidende ist jedoch, sie sind im Prinzip zugänglich. Denn sie sind auf hunderttausende kleine Körper verteilt, manche nur mit einigen Kilometern Durchmesser. Selbst die größten von ihnen haben nur eine Schwerkraft von 0.1 g und Fluchtgeschwindigkeiten von ein paar hundert Meter pro Sekunde. Bei den kleinen Körpern spielt die Anziehungskraft gar keine Rolle, sie ist im Gegenteil für Bergbau schon fast zu gering.

Die Fluchtgeschwindigkeit beträgt bei den kleinen Objekten wenige Meter pro Sekunde, was für einen Abtransport vorteilhaft ist. Die Kerntemperatur von Asteroiden ist nicht genau bekannt, aber sie liegt beim Ceres sicher deutlich unter 1000 ° C und bei den Kleinen eher bei Zimmertemperatur und darunter, je nach dem Gehalt an radioaktiven Isotopen.

Man kommt also auch gut an die Rohstoffe im Inneren heran. Nun vergleiche man dies mit den Verhältnissen in der Erde. Deren gigantischen Rohstoffmengen in Mantel, Kruste und Kern sind uns praktisch nicht zugänglich. Die Tiefbohrung der Sowjets auf der Halbinsel Kola kam mit ungeheurem Aufwand nur bis 11 000 m, der südafrikanische Bergbau mit seinen 3000 m Tiefe ist schon ein exotisches Produkt des dortigen geothermischen Gradienten von nur 1° C pro 100 m.

Die größten Goldvorräte der Erde sind im unteren Mantel und im äußeren Kern zu vermuten, schätzungsweise sind es viele Milliarden Tonnen. Sie liegen dort in flüssiger Form vor, bei ca. 4000 ° C.und bei einigen tausend Kilobar Druck, also Millionen von Atmosphären.

Dieses Gold ist also unerreichbar, vermutlich für alle Zeiten. Beim Asteroidenbergbau sieht das anders aus. Bei der ökonomischen Nutzung der Rohstoffe des Hauptgürtels muß man unterscheiden zwischen einer Nutzung vor Ort und einem Export zur Erde bzw. in den erdnahen Raum. Das Haupthindernis für eine wirtschaftliche Nutzung ist die Distanz zum erdnahen Raum, von einigen Hundert Millionen Kilometern.

Reine Entfernung an sich kostet energetisch noch nichts, denn es kommt nur auf das zu leistende Delta v an, aber natürlich kostet der Transport Zeit, also eben doch Geld.

Die aufzubringende Geschwindigkeitsdifferenz Delta v (Beschleunigung und Bremsen), kann mit 9.6 km/sec angesetzt werden. Dies bedeutet, daß auf dem Flug von der Ceresoberfläche zum unteren Erdorbit (LEO) insgesamt 9 600 m/sec Geschwindigkeitsänderung erfolgen müssen, sei es als Beschleunigung oder als Abbremsung. Dies entspricht recht genau dem Delta v für einen senkrecht startenden Flug von der Erdoberfläche zu LEO, dem unteren Erdorbit.

Nach der klassischen Raketengrundgleichung erfordert dies einen Treibstoffanteil von 91 % der Startmasse, jedenfalls wenn LH2 / LOX verwendet wird, die stärkste unter den technisch praktikablen chemischen Treibstoffkombinationen.

Um die oben erwähnten 600 Billiarden Tonnen bis in die Erdbahn zu transportieren müsste also das Zehnfache davon als Rückstoßmasse dienen. Dann wäre der gesamte Asteroidengürtel schon weitgehend aufgebraucht! Man hat dies auf die griffige Formulierung gebracht:

„Das Wasser des Asteroidengürtels kann sich nicht selbst zur Erde transportieren“

Damit ist gemeint, daß Sauerstoff und Wasserstoff bei der Verbrennung im Triebwerk nur eine Strahlgeschwindigkeit von 4000 m/sec erreichen, so daß bei einem anzustrebenden Delta v von 9600 m/sec fast nichts mehr übrig bleibt, was man am Zielort abliefern könnte. Es wären theoretisch 9 %, praktisch noch erheblich weniger.

Das ist absolut unwirtschaftlich und stellt eine ungeheure Verschwendung der Rohstoffe des Sonnensystems dar. Daraus folgt daß entweder leistungsfähigere Antriebe entwickelt werden müssen, oder daß man auf Rohstofftransporte zur Erde weitgehend verzichtet.

Das heißt, die Menschen kommen zu den Rohstoffen und nicht umgekehrt. Sie verabeiten die Ressourcen vor Ort und lediglich Fertig- oder Halbfertigprodukte gelangen in den interplanetaren Handel.

 

Autor: Michael Boden

 

 

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