Near-Earth objects deflection strategies: a multicriteria comparison for the target asteroid 2023 PDC

Our Solar System is populated by many asteroids and comets which orbit around the Sun. Some of these objects trajectories can cross Earth’s orbit, causing a collision. The bodies which have a trajectory close to the Earth’s one and in addition have a diametre ranging from metres to tens of kilometres are called Near Earth Objects (NEO). Historically, asteroids and comets have been sources of huge devastation, and they are thought to have caused at least one mass extinction. In recent years many other minor events happened, as the Chelyabinsk event, in 2013. This has motivated space agencies to start Planetary protection programs, planning different strategies for the deflection of potentially lethal asteroids and protect Earth from the resulting impact, which in some cases can be catastrophic. In this thesis all the strategies found in literature are described and compared, considering asteroid 2023 PDC as a target, a fictitious asteroid presented by NASA as an exercise in the Planetary Defence Conference (PDC). NASA considered only two strategies, kinetic impactor and nuclear standoff explosion, and concluded that only the second one is useful for the deflection. The aim of this work of thesis is to determine which strategies can be used to deflect the asteroid and avoid a collision with Earth. A genetic algorithm multiobjective optimisation process is performed on four selected technologies in order to compute the maximum deflection that can be obtained and also which strategies guarantee the minimum Probability of Collision. The results are shown in terms of Pareto fronts, using the deviation at Minimum Orbital Interception Distance (MOID), the initial spacecraft mass and the warning time as variables for the optimisation. The conclusion of this process is that, in addition to Nuclear Explosion, also Multiple Kinetic Impactor, Multiple Gravity Tractor and Laser Ablation can be used to completely deviate the trajectory of asteroid 2023 PDC and avoid collision with Earth.

Il nostro Sistema Solare è costellato da molti asteroidi e comete che orbitano attorno al Sole. Alcuni di questi oggetti potrebbero avere delle traiettorie tali da incrociare l’orbita terrestre, causando una collisione. Gli oggetti che hanno una traiettoria vicina all’orbita terrestre ed hanno diametro compreso tra centinaia di metri e kilometri sono chiamati Near Earth Objects (NEO). Nel corso della storia del nostro pianeta, asteroidi e comete sono stati la causa di enormi distruzioni e si pensa che abbiano causato almeno un’estinzione di massa. Negli anni più recenti molti altri eventi minori sono accaduti, come ad esempio la meteora di Chelyabinsk, nel 2013. Per questo motivo le agenzie spaziali hanno iniziato programmi di protezione planetaria, pianificando molte strategie per deviare asteroidi potenzialmente pericolosi e quindi proteggere la Terra da un impatto, che in alcuni casi potrebbe essere catastrofico. In questa tesi tutte le strategie trovate in letteratura vengono descritte e paragonate, considerando l’asteroide 2023 PDC come obbiettivo. 2023 PDC è stato presentato dalla NASA come un esercizio nella Planetary Defence Conference. La NASA ha considerato solo due strategie, Impatto Cinetico (KI) ed esplosione nucleare, concludendo che solo la seconda opzione è efficace per la deflessione. Lo scopo di questa tesi è quello di determinare quali strategie possono essere usate per deviare l’asteroide ed evitare la collisione. Quindi viene usato un processo di ottimizzazione multioggetto tramite algoritmo genetico su quattro strategie, con lo scopo di calcolare la massima deviazione possibile e anche quale strategia permette di ottenere la minima probabilità di collisione. I risultati sono mostrati tramite i fronti di Pareto, ottenuti usando come variabili di ottimizzazione la deviazione alla minima distanza orbitale, la massa iniziale del satellite e l’intervallo di tempo tra il lancio e l’istante di minima distanza orbitale. Oltre all’esplosione nucleare, anche l’utilizzo di più satelliti disposti su un’orbita Halo (tecnologia Gravity Tractor) o utilizzare il processo di sublimazione tramite laser (Laser Ablation) sono strategie vincenti che possono essere usate per deviare completamente la traiettoria dell’asteroide 2023 PDC ed evitare la collisione con la Terra.