Novinky

Astronomický ústav likviduje kosmické smetí

Upozorňujeme, že zpráva byla vydána 1. dubna 2012, viz též konec stránky.

Znečištění oběžné dráhy kosmickým smetím. Obrázek ukazuje hustotu rozložení cca 19.000 sledovaných úlomků o velikosti nad 10 cm. (Zdroj: NASA)

Na oběžné dráze Země jsou úlomky raket a družic nejrůznějších velikostí od pouhých několika milimetrů až po kusy velké několik metrů, které tam lidstvo nashromáždilo za více než půl století dobývání vesmíru a které představují stále rostoucí riziko srážky pro jiné družice [1]. Největší množství je úlomků o velikosti do 1 cm (ty se počítají na desítky milionů kusů). Malé úlomky o velikosti do několika milimetrů naštěstí představují při srážce jen menší riziko, neboť vzhledem ke své malé hmotnosti resp. kinetické energii nemají sílu způsobit větší škodu. Naopak velké úlomky (nad 10 cm) mohou způsobit fatální škody, jejich počet je ovšem řádově menší. Lze je také lépe sledovat radary, jejich dráhy jsou poměrně dobře zmapovány a veškeré lety na oběžnou dráhu jsou plánovány tak, aby se těmto letícím projektilům vyhnuly. Největší nebezpečí představuje záplava úlomku střední velikosti cca 0,5 až 10 cm, které jsou dost velké na to, aby mohly způsobit velmi vážná poškození družic, zároveň jsou příliš malé na to, aby je bylo možné ze Země sledovat. Navíc je jich obrovské množství.

Neustále ve střehu musí být např. posádka Mezinárodní vesmírné stanice ISS. Naposledy v sobotu 23. března ji ohrožoval úlomek bývalé sovětské družice Kosmos 2251, kvůli němuž se museli kosmonauté preventivně uchýlit do záchranného modulu stanice [2]. Vážná kolize hrozila i koncem ledna tohoto roku, kdy musela posádka zážehem pohonných jednotek posunout celou stanici na vyšší oběžnou dráhu tak, aby nebyla ohrožena srážkou se zbytky čínské družice Fengyun 1C zničené v roce 2007 cvičnou proti-družicovou střelou [3].

Se zvyšující se frekvencí incidentů zaměstnává otázka kosmického smetí v poslední době především dvě největší světové kosmické agentury, americkou NASA a evropskou ESA, které počátkem tohoto roku sjednotily své snahy k řešení tohoto problému. Iniciativa původně vzešla ze strany Evropské kosmické agentury již v roce 2009 jako reakce na srážku ruské a americké družice. Počátkem tohoto roku tyto aktivity jasně podpořila i americká administrativa [4] a vzniklo tak koordinované úsilí, do nějž je zapojeno mnoho států světa, Českou republiku nevyjímaje. Ministryně zahraničí USA Hillary Clintonové k tomu na tiskové konferenci řekla: “Dokud se mezinárodní společenství nepostaví těmto výzvám, bude prostředí kolem naší planety stále nebezpečnější pro lety s lidskou posádkou a satelitní systémy, což by mělo nebezpečné důsledky pro nás všechny."

Na lehkou váhu nebere problém znečištění oběžné dráhy ani Čína se svým ambiciozním vesmírným programem. Již v roce 2005 zprovoznila vlastní Centrum pro pozorování a sledování kosmických objektů [5]. Čínští vědci přitom odhadli, že množství kosmického smetí se každým rokem zvětšuje o 4%, přičemž jeho největší koncentrace jsou na nízkých oběžných drahách, a že při stejném tempu by už okolo roku 2100 nebylo možné provádět bezpečné vesmírné lety.

Po celém světě se proto intenzivně hledají možnosti, jak oběžnou dráhu Země od obíhající záplavy zbytků lidské činnosti alespoň částečně očistit a snížit hrozící riziko. Např. ve Švýcarsku vyvíjejí vědci malé družice specializované na odklízení rozměrnějších kusů trosek jiných družic. V Lausanne se konstruuje první prototyp nazvaný CleanSpace One, který by se měl umět přiblížit k cílovému objektu, stabilizovat ho a navést do atmosféry, kde by pak obě tělesa shořela [6]. V únoru tohoto roku schválilo americké letectvo financování projektu Space Fence, jehož úkolem je výstavba celosvětové radarové sítě pro vyhledávání a monitorování kosmického smetí, který má do roku 2017 nahradit současný zastaralý systém sloužící už od šedesátých let. Nový systém má sledovat mnohem více mnohem menších úlomků, než dokáže ten dnešní, a má být schopen předpovídat pravděpodobné kolize s dostatečným předstihem [7].

Stranou nezůstává ani Česká republika. Skrze své členství v Evropské kosmické agentuře, evropském konsorciu ERIC a dalších strukturách jsme se přihlásili do projektu aktivního úklidu oběžné dráhy pomocí výkonových laserů (LEO-LC - Low Earth Orbit Laser Clean-Up). Stalo se tak především v souvislosti s tím, že se ČR nyní stává světovou velmocí na poli laserové techniky a výzkumu: jsou zde instalovány jedny z nejvýkonnějších evropských laserových systémů (terawattový jódový laser PALS nebo výkonový hybridní laser SOFIA), v Dolních Břežanech u Prahy se právě buduje centrum ELI s nejintenzivnějším laserem na světě [8].

Astronomický ústav AV ČR se stal za českou stranu partnerem v projektu LEO-LC a v březnu uvedl do provozu unikátní systém, který pomocí intenzivního laserového paprsku dokáže “sestřelovat” menší kousky kosmického smetí z oběžné dráhy. K transportu a instalaci zařízení na pražském pracovišti Astronomickém ústavu na Spořilově došlo na počátku letošního roku. Vlastní laser byl přivezen z anglického centra CLF nedaleko Oxfordu a je výjimečný svojí mimořádně přesnou kolimací paprsku (laserový paprsek je pouze minimálně rozbíhavý), kterou zajišťuje švýcarská technologie Swisslas. V průběhu zimy ho pak naši konstruktéři a technici doplnili optickým pointačním zařízením, které umožňuje velice přesné zaměření paprsku laseru na určený cíl. Na toto zařízení jsou kladeny mimořádné technické nároky neboť musí být schopno udržet laserový paprsek zaměřený na pohybující se cíl o velikosti okolo 5-10 cm a vzdálený 500 km po dobu několika sekund, navíc v poměrně malé výšce nad obzorem.

Jak celý systém funguje?

Ilustrace principu brždění částic kosmického smetí paprskem laseru. (Zdroj: NASA)

Úlomky kosmického smetí se mohou pohybovat po drahách nejrůznějšího tvaru, ale většina z nich obíhá nad zemským rovníkem ve směru od západu na východ. Nejpříhodnější okamžik pro brzdění úlomků je právě tehdy, když se vynořují z pod obzoru a směr jejich rychlosti je v té chvíli co nejvíce podobný směru laserového paprsku. V té chvíli je ovšem také nejmohutnější tloušťka vrstvy atmosféry, kterou musí laserový paprsek projít a kde dochází k jeho rozptylování především na molekulách vodní páry a i ke značnému ovlivňování jeho směru v důsledku refrakce a atmosferických turbulencí. Naopak když už úlomky přelétají v nadhlavníku, je jejich brzdění laserem nejméně účinné (naopak by došlo k jejich posunu na vyšší oběžnou dráhu). Proto se volí rozumný kompromis mezi účinností této metody a její přesností a laser se zaměřuje na objekty kosmického smetí v okamžiku, kdy jsou okolo 30° nad obzorem. Na úlomek se posvítí několikavteřinovým impulsem a hybnost fotonů proudících v laserovém svazku způsobí zbrzdění cílového kusu smetí a pokles jeho oběžné dráhy, takže se po několika dalších obězích dostane do hustší atmosféry, kde shoří [9].

Provoz tohoto zařízení je náročný po finanční i personální stránce. Každou operační noc mají službu dva studenti, kteří nejprve musí podle databáze orbitálních parametrů připravit seznam těles “na odstřel” a v průběhu noci pak dohlíží na provoz laseru, přičemž musí být v neustálém kontaktu s řídícím centrem v Evropském centru kosmického výzkumu (ESAC) západně od Madridu ve Španělsku. Jsou také ve spojení s meteorologickou službou v pražské Libuši, odkud získávají informace o přicházející oblačnosti, saturaci vzduchových mas vodní parou, přítomnosti atmosferických ledových krystalků, vertikálním průběhu teploty v atmosféře a dalších jevech, které mají vliv na průchod světla atmosférou a přesné zaměření cílů. Další institucí, se kterou je třeba nepřetržitě udržovat kontakt, je řízení letového provozu na letišti v Ruzyni, neboť laserový paprsek může být nebezpečný pro letadla a vrtulníky. "Celkové náklady na jednu operační noc se pohybují v řádu několika tisíc euro a roční rozpočet programu je pak (včetně údržby, nemalých nákladů na elektrickou energii, atd.) okolo šedesáti milionů korun," říká expert na kosmické smetí a bývalý ředitel Astronomického ústavu doc. Luboš Perek, jenž se stal vědeckým koordinátorem projektu, a dodává: "Tyto náklady hradí Evropská kosmická agentura, přičemž podobné stanice jsou v Evropě ještě dvě - jedna na observatoři na Kanárských ostrovech a druhá právě v centru ESAC u Madridu."

Sestřelování kosmického smetí se provádí v noci z toho důvodu, že po západu Slunce ustávají atmosferické turbulence způsobené prohříváním zemského povrchu, vzduch se zklidní a paprsek laseru lze mnohem lépe zaměřit na vybraný objekt. Většinou je třeba od západu Slunce počkat ještě přibližně tři hodiny, než se vzduch zklidní natolik, že lze paprsek laseru přesně zaměřovat. Poté se provede několik zkušebních pulzů při sníženém výkonu laseru. Většinou se jako odrazná plocha vyberou solární panely nějaké družice a proměřují se korekce nastavení pointingu za aktuálních meteorologických podmínek.

Snímek jednoho segmentu výkonového zesilovače, kde se výbojem v plynu zvyšuje energie laserového paprsku.

Zařízení laseru může volit mezi dvěma rezonančními komorami. Jedna komora obsahuje krystal nitridu gália (GaN), který vytváří stimulovanou emisi na vlnové délce 445 nanometrů. Světlo tohoto laseru má nezvyklou modrou až nafialovělou barvu a jeho výhodou je, že krátkovlnné fotony mají velkou energii a procházejí atmosférou s minimálním rozptylem. Naopak podstatnou nevýhodou je, že mohou projít pouze atmosférou bez mraků, což nelze v našich zeměpisných podmínkách vždy splnit. Aby nedocházelo ke zbytečnému plýtvání při zatažených nocích, je k dispozici ještě druhá komora, v níž je umístěn krystal yttrito-hlinitého granátu s příměsí ytterbia (Yb:YAG), jenž emituje světlo v blízké infračervené (NIR) oblasti na vlnové délce 1,054 mikrometrů. Laser na této vlnové délce má nevýhodu v dlouhé vlnové délce a tím i menší energii fotonů, jeho předností je ovšem to, že dokáže projít skrz oblačnost (pokud není příliš mohutná) a to díky tomu, že na vlnové délce okolo jednoho mikronu se nachází atmosferické okno s velmi nízkou úrovní absorpce, pouze okolo 10–4 km–1. Na oscilační komoru je pak navázáno pět výkonových zesilovačů s plynovými komorami, které na konci řetězce poskytnou laserový svazek o průměru 20cm a energií pulsu přes jeden kilojoule. Ten je pak soustavou tří pohyblivých zrcadel možné nasměrovat na cíl.

Obyvatelům Prahy, zejména pak Roztyl, Spořilova a Chodova se tak za jasných nocí naskýtá na obloze nezvyklá laserová show. Při pohledu směrem k jihozápadu mohou cca od 10 hodin až do rána pozorovat krátké záblesky modrofialového paprsku laseru vycházející z kopule budovy Astronomického ústavu na Spořilově. Za oblačných nocí, kdy by paprsek laseru na obloze nejvíce vynikl, se využívá infračerveného paprsku, který je bohužel pro lidské oko neviditelný. Přesto je možné jej pozorovat, pokud se vybavíte brýlemi na noční vidění.

Snímek oblohy nad pražským Spořilovem s paprskem laseru vycházejícím z kopule budovy Astronomického ústavu.

Oprava: Je nám líto, ale popisované zařízení u nás, ani jinde na světě nenajdete, zpráva je aprílová. Úplně smyšlená ale není. Kosmický odpad na oběžné dráze se s jeho přibývajícím množstvím stává závažným problémem, kterému dnes musí současná kosmonautika čelit. V souvislosti s tím jsou rozvíjeny možnosti ochrany funkčních družic, a to jak pasivní (např. radarové sledování úlomků sloužící k prevenci srážek), tak i aktivní (podobné v článku popisovanému laseru). Vzhledem k množství kosmicého smetí jsou však všechny aktivní způsoby zatím ekonomicky neúnosné.

Vzledem k množství obdržených ohlasů přineseme v nejbližších dnech podrobnější informace k této problematice v novém článku.

Odkazy:
[1] http://cs.wikipedia.org/wiki/Kosmické_smetí
[2] http://zpravy.idnes.cz/ulomky-ruske-rakety-ohrozuji-iss-dlr-/zahranicni.aspx?c=A120324_072916_zahranicni_vem
[3] http://www.esa.int/SPECIALS/SSA/SEMPYUSXXXG_0.html
[4] http://www.spacenews.com/policy/120123-clinton-will-help-draft-code-conduct-for-space.html
[5] http://www.astro.cz/clanek/1938
[6] http://actu.epfl.ch/news/cleaning-up-earth-s-orbit-a-swiss-satellite-to-tac/
[7] http://www.physorg.com/news/2012-03-radar-prototype-tracking-space-junk.html
[8] http://www.eli-beams.eu/cs/
[9] http://news.softpedia.com/news/Using-Lasers-for-Orbital-Cleanup-189397.shtml