Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 33 – vyšlo 17. září, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

33/2010

Nepořádek za humny aneb co s kosmickým odpadem?

Petr Kulhánek

První Sputnik vypuštěný Sovětským svazem v roce 1957 znamenal nejen počátek kosmonautiky, ale také počátek devastace vesmírného prostoru v blízkosti ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Za celou éru kosmonautiky bylo vypuštěno přibližně 30 000 objektů. Jen necelá tisícovka z nich je dnes aktivní. Část kosmického smetí shořela v atmosféřeAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru., část dopadla na Zemi, ale mnoho zůstalo na nejrůznějších oběžných drahách. Nejde jen o nečinné kosmické lodi. V prostoru kolem Země krouží vyhořelé stupně nosných raket, nepotřebné palivové nádrže, záměrně odhozené krytky různých přístrojů, nářadí, ztracené kamery, šrouby, úlomky laku a úlomky ze dvou varovných událostí – záměrného sestřelení nepotřebné družice Čínou v roce 2007 a srážky nefunkčního Kosmosu 2251 s  Iridiem 33 v roce 2009. Sečteno a podtrženo: odhaduje se, že kolem Země krouží 12 000 těles a úlomků větších než 10 cm, přibližně 600 000 úlomků větších než 1 cm a desítky milionů úlomků větších než 1 mm. Pro kosmické lodě jsou potenciálně nebezpečné úlomky větší než 1 cm. Centimetrový úlomek s rychlostí 10 km/s při srážce s družicí energeticky odpovídá explozi ručního granátu. Kilogramové těleso s rychlostí pouhých 10 km/s již spolehlivě zničí tunovou kosmickou loď. Při hrozícím nebezpečí srážky s centimetrovým úlomkem musí družice manévrovat a úlomku se vyhnout. Naše možnosti sledování těchto úlomků jsou ale velmi omezené. Na nízkých oběžných draháchLEO – Low Earth Orbit, nízká oběžná dráha, na které krouží družice kolem Země ve výšce od cca 200 km do 2 000 km. Oběžná doba je od 84 do 127 minut. V této výšce již není takový odpor vzduchu, aby způsobil rychlý pokles výšky. umíme trvale sledovat jen tělesa s rozměry nad 5 cm a na geostacionární drázeGEO – Geostationary Earth Orbit, geostacionární dráha. Družice na této dráze má takovou oběžnou dobu, že zdánlivě „visí“ nad určitým místem Země. Výška takové dráhy je 35 800 km. jen tělesa s rozměry většími než 50 cm. Z 600 000 nebezpečných tělísek s rozměry nad 1 cm jde o pouhých 19 000 sledovaných úlomků.

LEO – Low Earth Orbit, nízká oběžná dráha, na které krouží družice kolem Země ve výšce od cca 200 km do 2 000 km. Oběžná doba je od 84 do 127 minut. V této výšce již není takový odpor vzduchu, aby způsobil rychlý pokles výšky. MEO – Medium Earth Orbit, střední oběžná dráha, na které krouží družice kolem Země ve výšce od 2 000 km do 35 000 km. GSO – dráha, na které je perioda oběhu družice kolem Země (vzhledem ke hvězdám) stejná jako rotační perioda Země. Družice se pro pozorovatele na určitém místě zeměkoule bude vracet na stejné místo na obloze vždy ve stejný čas (odsud pochází název geosynchronní). Její dráha na obloze připomíná tvarem číslici 8. Speciálním případem je geostacionární dráha, která je kruhová a má nulový sklon. Její výška nad povrchem Země je 35 800 km a družice se pozorovateli jeví na obloze jakoby nehybná. GYO – Graveyard Orbit, odkladní dráha. Dráha pro družice vyřazené z činnosti, u kterých je technicky nemožné, aby shořely v atmosféře Země. Jde o dráhu ve větší vzdálenosti než 36 100 km od Země.

Události spíše úsměvné

Kosmonauti jsou lidé stejně nešikovní jako většina populace a tak jim prostě tu a tam něco do vesmíru odletí. K nejvíce medializovaným případům patří nepochybně rukavice, kterou ztratil Ed White v roce 1965 při prvním výstupu amerického kosmonauta do volného prostoru. Z poslední doby si určitě vzpomeneme na tašku s nářadím, kterou upustila Heide Stefanyshyn-Piperová v roce 2008. Nicméně takových událostí je velké množství – Michael Collins ztratil v roce 1966 kameru v blízkosti lodi Gemini 10, stejně tak jako Sunite Williams v roce 2006 při letu raketoplánu STS 116. Ztracených šroubováků a šroubků také není málo. Jde ale o ojedinělá selhání, která jsou zanedbatelná ve srovnání s pytlíky odpadků z vesmírné stanice MirMir – první sovětsko-ruská, trvale obydlená, orbitální stanice. Skládala se z modulů Mir, Kvant (2), Kristal, Spektr, Priroda a DM. Stanice pracovala v letech 1986 až 2001, kdy byla řízeně navedena do atmosféry a zbytky dopadly do Tichého oceánu., které byly záměrně vyhazovány do vesmírného prostoru po dobu patnácti let.

Prostorová mapa neaktivních těles v okolí Země. Zdroj: Wikipedia, 2010.

Kesslerův syndrom a události spíše katastrofální

Na rostoucí počet úlomků ve vesmírném prostoru upozornil Donald Kessler z Johnsonova vesmírného střediska NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. již v roce 1978. Kessler předpověděl, že někdy kolem roku 2000 dojde ke kladné řetězové reakci. Náhodná srážka dvou větších úlomků nebo satelitů způsobí výrazné zvýšení úlomků v prostoru, ty zvětší počet srážek, každá srážka zvětší počet úlomků, atd. Výsledek? Konec bezpečného vypouštění družic a sond do vesmíru. V posledních letech se o Kesslerově syndromu velmi často hovoří zejména s ohledem na dvě události.

Dne 11. ledna 2007 Číňané sestřelili (viz AB 48/2007) nepotřebnou meteorologickou družici Feng Yun 1C. Snad mělo jít o demonstraci jejich schopností, snad o demonstraci síly, kdo ví. Výsledek byl katastrofální: 2 300 úlomků větších než golfový míček, 35 000 úlomků větších než 1 cm a milion úlomků větších než 1 mm. Oběžná dráha sestřeleného satelitu byla ve výšce 850 až 882 kilometrů. Úlomky zde zůstanou po mnoho desítek let. Hned v témže roce se úlomku z této události musela vyhýbat americká družice Terra.

V roce 2009 došlo historicky k první katastrofální srážce dvou družic. Ruský nefunkční Kosmos 2251 se srazil dne 10. 2. 2009 nad Sibiří ve výšce 800 km s telekomunikačním satelitem Iridium 33. Kosmos byl zcela zničen, Iridium silně poškozeno, takže není schopné provozu. Kolem srážky se rozprostřel oblak 2 000 úlomků větších než 10 cm a pravděpodobně statisíce menších, které nelze sledovat. Kosmos 2251 měl hmotnost 950 kg, Iridium 33 „jen“ 560 kg. Vzájemná rychlost obou lodí byla 12 km/s.

Obě dvě události téměř zdvojnásobily počet úlomků větších než 1 cm v prostoru kolem ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Byl Kesslerův syndrom odstartován? A jak se můžeme bránit? I kdyby se nyní zastavily veškeré kosmické lety, což je nemožné, bude počet úlomků v důsledku vzájemných srážek stále stoupat. Operační střediska nyní zaznamenávají přibližně dva až tři poplachy týdně. Jde o zjištění malých těles v blízkosti funkční družice. Následuje několikadenní sledování úlomku, zpřesňování jeho dráhy (i to stojí nemalé peníze) a pokud je úlomek vyhodnocen jako nebezpečný, musí družice provést úhybný manévr. Obzvláště citelná by byla ztráta družice tvořící formaci s jinými družicemi. Práce celé skupiny by byla znehodnocena. K nejznámějším formacím patří Vláček (A Train, viz AB 18/2007) čtyř družic pro sledování Země nebo čtveřice ClusterCluster – čtveřice stejných družic pojmenovaných podle latinsko-amerických tanců (Rumba, Salsa, Samba a Tango) vypuštěných v roce 2000 Evropskou kosmickou agenturou. Šlo o druhý pokus, první proběhl v roce 1996 a skončil explozí nosné rakety Ariane. Kolem Země letí ve vzájemné formaci ve vr­cho­lech čtyřstěnu (vzdáleny 5 000 až 20 000 km) a provádějí dosud nejdetailnější prostorová měření parametrů slunečního větru a jeho interakce s mag­ne­to­sfé­rou Země. Cluster poprvé detekoval plazmové vlny v magnetopauze, přepojení magnetických silokřivek, pohyby rázové vlny pod nápory slunečního větru, prolétl polárním kaspem a vytvořil první třírozměrný obraz magnetosféry Země. pro sledování magnetosféryMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru..

Každý z raketoplánů utrpěl mnoho šrámů při srážkách s vesmírným odpadem. Na snímku je přes 1 cm veliký otvor na chladicím panelu, který vytvořil úlomek při srážce s raketoplánem Endeavour v roce 2007. Měřítko je v palcích. Zdroj: NASA

Co se dá dělat?

Na prvním místě je zodpovědné chování do budoucnosti. Důležitá doporučení připravil Výbor pro koordinaci vesmírného odpadu IADC (Inter-Agency Space Debris Committee). K základním zásadám by mělo patřit:

Dodržování těchto zásad je věcí budoucnosti. V současnosti se zdá, že bude nevyhnutelná aktivní likvidace vesmírného odpadu. To bude stát velké množství peněz a likvidace rozhodně nebude moci být plošná. Je třeba vytipovat nejnebezpečnější objekty a těmi se zabývat. Jednou z možností jsou specializované družice určené pro úklid odpadu. Nabízí se hned několik variant. Družice „uklizečka“ může být vybavena laserem, který odtaví vhodnou část bývalého satelitu, vzniklý plyn reaktivní silou odtlačí nepohodlný zbytek buď na bezpečnou dráhu nebo ho nasměruje do atmosféry, kde shoří. Druhou možností je připevnit k nebezpečnému zbytku něco, co výrazně zvýší jeho tření o atmosféru a urychlí zánik tělesa. Mohlo by jít například o samonafukující balón. Další možností je vybudování jakési centrální stanice, do které by zbylé lodi byly stahovány.

Kolem likvidace vesmírného odpadu vzniká ale řada nejasností a problémů. Jmenujme alespoň některé z nich. Na prvním místě jsou právní problémy. Vrak na moři je možné odstranit bez souhlasu vlastníka. Ve vesmíru je vypuštěné těleso vlastnictvím majitele jednou provždy. Jiná otázka se týká prázdných palivových nádrží. Dnes je jich na oběžné dráze tolik, že jejich objem je dvacetinásobkem objemu Mezinárodní vesmírné staniceISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka.. Mají se likvidovat nebo by jich šlo využívat ke konstrukci orbitálních stanic? A další problém: kolem ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. létá přibližně 1 000 tun mimořádně čistého hliníkuHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem.. Není to škoda? Neměl by se takový odpad nějak využívat? Navedení do atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. tento draze pořízený materiál definitivně zničí.

Tak tato „bandaska“ dopadla do pouště v Saudské Arábii 12. ledna 2001. Po pečlivém šetření bylo zjištěno, že jde o horní stupeň pomocné rakety (tzv. boosteru), která vynášela na oběžnou dráhu GPSGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. satelit NAVSTAR 32 v roce 1993. Bohužel zdaleka nejde o ojedinělý případ dopadu kosmického smetí na povrch Země. Zdroj: JSC/NASA.

Závěr

Lidstvo tak stojí před nelehkou otázkou. Co s vesmírným odpadem? Řešení pravděpodobně nebude vůbec jednoduché. Před malými úlomky lze kosmické lodi chránit různými fóliemi. Ty jsou ale nepoužitelné u optických součástek, panelů slunečních baterií nebo antén a jsou neúčinné pro úlomky s rozměrem větším než 1 cm. Pokud se o takovém úlomku vůbec ví, družice musí složitě manévrovat, aby se mu vyhnula. Účinná likvidace musí začínat již u dosloužilých družic, které jsou v případě srážky s jiným objektem zdrojem mnoha nedohledatelných úlomků. Tvrzení estétů, že kolem Země vznikají nádherné prstence, jejichž krása v budoucnu předčí eleganci těch SaturnovýchSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou., asi konstruktéry kosmických lodí příliš nenadchne.

Klip týdne: Kosmický odpad

Kosmický odpad. V této krátké animaci si můžete prohlédnout, jak narůstal počet neaktivních těles v okolí Země od počátku kosmonautiky v roce 1957 do roku 2000. Uvedeny jsou jen sledované (katalogizované) objekty. Červeně jsou značeny palivové nádrže, žlutě zbytky nosných raket, bíle úlomky a šedivě odpadky. Obrovský nárůst odpadu v okolí Země začíná přerůstat ve značný problém pro stávající aktivní družice. Pokud nedojde k urychlenému řešení, mohou být budoucí lety ohroženy. Sestřelení čínského meteorologického satelitu Feng Yun 1C v roce 2007 a srážka neaktivní družice Kosmos 2251 s aktivním Iridiem 33 v roce 2009 zdvojnásobily počet úlomků větších než 1 cm, které jsou pro družice již nebezpečné. Takové úlomky ale nejsou součástí žádných katalogů. Zdroj YouTube. (avi/divx, 3 MB)

Odkazy