Kosmické smetí: Rostoucí hrozba a technologie pro úklid na oběžné dráze

Náš průzkum a využívání vesmíru přinesly lidstvu obrovské výhody, od globální komunikace a navigace po předpověď počasí a vědecké objevy. Desetiletí vesmírných aktivit však také vedla k rostoucímu problému: kosmickému smetí, známému také jako orbitální trosky nebo kosmický odpad. Tyto trosky představují významnou hrozbu pro funkční satelity, budoucí vesmírné mise a dlouhodobou udržitelnost vesmírných aktivit.

Co je kosmické smetí?

Kosmické smetí zahrnuje všechny nefunkční, člověkem vytvořené objekty na oběžné dráze kolem Země. Patří sem:

• Vysloužilé satelity: Satelity, které dosáhly konce své životnosti, ale zůstávají na oběžné dráze.
• Raketové stupně: Horní stupně raket, které vynesly satelity na oběžnou dráhu.
• Fragmentační trosky: Kusy satelitů a raket, které se rozpadly v důsledku explozí, srážek nebo degradace.
• Trosky související s misí: Objekty uvolněné během vypouštění satelitů nebo operací mise, jako jsou kryty čoček nebo adaptační kroužky.
• Malé trosky: I drobné objekty, jako jsou odlupující se nátěry nebo struska z motorů na tuhé palivo, mohou kvůli své vysoké rychlosti způsobit značné škody.

Síť pro sledování vesmíru Spojených států (SSN) sleduje objekty větší než 10 cm na nízké oběžné dráze Země (LEO) a větší než 1 metr na geostacionární dráze (GEO). Existují však miliony menších úlomků, které jsou příliš malé na to, aby je bylo možné sledovat, ale přesto představují hrozbu.

Nebezpečí kosmického smetí

Nebezpečí, která kosmické smetí představuje, jsou mnohostranná:

Riziko srážky

I malé kousky trosek mohou způsobit značné poškození funkčních satelitů kvůli vysokým rychlostem, kterými se pohybují na oběžné dráze (obvykle kolem 7-8 km/s na LEO). Srážka i s malým objektem může vyřadit nebo zničit satelit, což vede ke ztrátě cenných služeb a vzniku ještě většího množství trosek.

Příklad: V roce 2009 se vysloužilý ruský satelit Kosmos 2251 srazil s funkčním komunikačním satelitem Iridium, čímž vznikly tisíce nových úlomků.

Kesslerův syndrom

Kesslerův syndrom, navržený vědcem NASA Donaldem Kesslerem, popisuje scénář, kdy je hustota objektů na LEO tak vysoká, že srážky mezi objekty by mohly způsobit kaskádový efekt, který by vytvořil ještě více trosek a učinil vesmírné aktivity stále nebezpečnějšími a nepraktickými. Tento nekontrolovatelný proces by mohl učinit určité orbitální regiony nepoužitelnými po celé generace.

Zvýšené náklady na mise

Provozovatelé satelitů musí vynakládat prostředky na sledování trosek, provádění manévrů k vyhýbání se srážkám a zpevňování satelitů proti nárazům. Tyto činnosti zvyšují náklady a složitost misí.

Hrozba pro pilotované lety

Kosmické smetí představuje přímou hrozbu pro pilotované lety, včetně Mezinárodní vesmírné stanice (ISS). ISS má stínění na ochranu proti malým úlomkům, ale větší objekty vyžadují, aby stanice prováděla úhybné manévry.

Současný stav kosmického smetí

Množství kosmického smetí v posledních několika desetiletích neustále narůstá. Podle Evropské kosmické agentury (ESA) k roku 2023 existuje:

• Přibližně 36 500 sledovaných objektů větších než 10 cm.
• Odhadem 1 milion objektů o velikosti mezi 1 cm a 10 cm.
• Více než 130 milionů objektů menších než 1 cm.

Většina trosek je soustředěna na LEO, což je také nejvíce využívaný orbitální region pro pozorování Země, komunikaci a vědecký výzkum.

Technologie pro úklid na oběžné dráze: Řešení problému

Řešení problému kosmického smetí vyžaduje víceúrovňový přístup, včetně zmírňování vzniku trosek, situačního povědomí o vesmíru (SSA) a aktivního odstraňování trosek (ADR). Zmírňování vzniku trosek se zaměřuje na prevenci vytváření nových trosek, zatímco SSA zahrnuje sledování a monitorování existujících trosek. ADR, na které se zaměřuje tento blogový příspěvek, zahrnuje aktivní odstraňování trosek z oběžné dráhy.

Pro ADR se vyvíjí a testuje řada inovativních technologií. Tyto technologie lze obecně rozdělit do následujících kategorií:

Metody zachycení

Metody zachycení se používají k fyzickému uchopení nebo spoutání kusu trosek, než může být deorbitován nebo přesunut na bezpečnější oběžnou dráhu. Zkoumá se několik přístupů:

• Robotická ramena: Jedná se o všestranné nástroje, které lze použít k uchopení a manipulaci s troskami. Často jsou vybaveny specializovanými koncovými efektory (chapdly) pro bezpečné držení různých typů objektů.
• Sítě: Velké sítě lze nasadit k zachycení trosek, zejména těch, které se kutálejí nebo mají nepravidelný tvar. Po zachycení mohou být síť a trosky společně deorbitovány.
• Harpuny: Harpuny se používají k proražení a zajištění trosek. Tato metoda je vhodná pro zachycení pevných objektů, ale nemusí být vhodná pro křehké nebo poškozené předměty.
• Pouta (Tethers): Elektrodynamická pouta lze použít k stažení trosek z oběžné dráhy pomocí magnetického pole Země. Jsou účinné pro deorbitaci velkých objektů, ale vyžadují pečlivou kontrolu.
• Zachycení pěnou nebo aerogelem: Použití oblaku lepkavé pěny nebo aerogelu k obalení a zachycení trosek. Tento přístup je stále v rané fázi vývoje.

Metody deorbitace

Jakmile je kus trosek zachycen, je třeba jej deorbitovat, což znamená přivést jej zpět do zemské atmosféry, kde shoří. Pro deorbitaci se používá několik metod:

• Přímá deorbitace: Použití trysek k přímému snížení oběžné dráhy trosek, dokud nevstoupí do atmosféry. Jedná se o nejjednodušší metodu, ale vyžaduje značné množství paliva.
• Zvýšení atmosférického odporu: Nasazení velké brzdicí plachty nebo balónu ke zvětšení povrchu trosek, čímž se zvýší atmosférický odpor a urychlí jejich opětovný vstup do atmosféry.
• Elektrodynamická pouta: Jak již bylo zmíněno, pouta lze také použít pro deorbitaci generováním brzdné síly prostřednictvím interakce s magnetickým polem Země.

Bezkontaktní metody

Některé technologie ADR nezahrnují fyzické zachycení trosek. Tyto metody nabízejí potenciální výhody z hlediska jednoduchosti a škálovatelnosti:

• Laserová ablace: Použití vysoce výkonných laserů k odpařování povrchu trosek, čímž se vytváří tah, který postupně snižuje jejich oběžnou dráhu.
• Iontový paprsek (Ion Beam Shepherd): Použití iontového paprsku k odtlačení trosek od funkčních satelitů nebo na nižší oběžné dráhy. Tato metoda je bezkontaktní a vyhýbá se riziku srážky během zachycení.

Příklady misí a technologií pro úklid na oběžné dráze

Bylo vyvinuto několik misí a technologií k prokázání proveditelnosti ADR:

• RemoveDEBRIS (Evropská kosmická agentura): Tato mise demonstrovala několik technologií ADR, včetně sítě, harpuny a brzdicí plachty. Úspěšně zachytila simulovaný objekt trosek pomocí sítě a nasadila brzdicí plachtu k urychlení vlastní deorbitace.
• ELSA-d (Astroscale): Tato mise demonstrovala schopnost zachytit a deorbitovat simulovaný objekt trosek pomocí magnetického dokovacího systému. Zahrnovala servisní družici a klientskou družici, která představovala trosky.
• ClearSpace-1 (Evropská kosmická agentura): Cílem této mise, plánované na rok 2026, je zachytit a deorbitovat horní stupeň Vespa (Vega Secondary Payload Adapter), kus trosek zanechaný na oběžné dráze po startu rakety Vega. K zachycení Vespy použije robotické rameno.
• ADRAS-J (Astroscale): Mise ADRAS-J je navržena tak, aby se setkala s existujícím kusem velkých trosek (horní stupeň japonské rakety) a charakterizovala jeho stav a pohyb. Tato data budou klíčová pro plánování budoucích odstraňovacích misí.
• e.Deorbit (Evropská kosmická agentura - navrhovaná): Plánovaná mise k zachycení a deorbitaci velkého vysloužilého satelitu pomocí robotického ramene. Cílem mise je demonstrovat technickou proveditelnost odstraňování velkých a složitých trosek.

Výzvy a úvahy

Navzdory pokroku v technologii ADR přetrvává několik výzev a úvah:

Náklady

Vývoj a realizace misí ADR jsou nákladné. Náklady na vypuštění kosmické lodi a provádění složitých manévrů na oběžné dráze mohou být značné. Vývoj nákladově efektivních řešení ADR je klíčový pro to, aby se odstraňování trosek stalo ekonomicky životaschopným.

Technologický vývoj

Mnoho technologií ADR je stále v rané fázi vývoje a vyžaduje další testování a zdokonalování. Vývoj spolehlivých a účinných metod zachycení a deorbitace je pro úspěch misí ADR zásadní.

Právní a regulační rámec

Právní a regulační rámec pro ADR se stále vyvíjí. Existují otázky týkající se odpovědnosti za škody způsobené během odstraňování trosek, vlastnictví odstraněných trosek a potenciálu využití technologie ADR pro útočné účely. Mezinárodní spolupráce a vytvoření jasných právních pokynů jsou nezbytné pro zajištění odpovědných a udržitelných aktivit ADR.

Výběr cílů

Výběr správných trosek k odstranění je rozhodující pro maximalizaci účinnosti úsilí ADR. Prioritizace odstraňování velkých, vysoce rizikových objektů, které představují největší hrozbu pro funkční satelity, je zásadní. Měly by být zváženy faktory jako velikost, hmotnost, výška a potenciál fragmentace objektu.

Politické a etické aspekty

ADR vyvolává politické a etické úvahy, jako je potenciál využití technologie ADR pro vojenské účely nebo k nespravedlivému cílení na satelity jiných národů. Mezinárodní transparentnost a spolupráce jsou klíčové pro řešení těchto obav a zajištění, že ADR bude používáno ve prospěch všech.

Mezinárodní úsilí a spolupráce

Vzhledem ke globální povaze problému kosmického smetí pracuje na řešení této otázky řada mezinárodních organizací a iniciativ:

• Výbor OSN pro mírové využití kosmického prostoru (UN COPUOS): Tento výbor poskytuje fórum pro mezinárodní spolupráci v otázkách souvisejících s vesmírem, včetně zmírňování kosmického smetí. Vypracoval pokyny pro zmírňování kosmického smetí, které jsou široce přijímány kosmickými národy.
• Meziagenturní koordinační výbor pro kosmické smetí (IADC): Tento výbor je fórem pro kosmické agentury k výměně informací a koordinaci činností souvisejících s kosmickým smetím. Vyvíjí konsensuální pokyny pro zmírňování kosmického smetí a podporuje výzkum technologií ADR.
• Hodnocení udržitelnosti ve vesmíru (SSR): Iniciativa vedená Světovým ekonomickým fórem na podporu udržitelných postupů ve vesmíru. SSR hodnotí udržitelnost vesmírných misí na základě faktorů, jako jsou opatření ke zmírnění trosek a schopnosti vyhýbat se srážkám.

Tato mezinárodní úsilí jsou nezbytná pro podporu spolupráce, sdílení osvědčených postupů a vývoj společných přístupů k řešení problému kosmického smetí.

Budoucnost úklidu na oběžné dráze

Budoucnost úklidu na oběžné dráze bude pravděpodobně zahrnovat kombinaci technologických pokroků, změn v politikách a mezinárodní spolupráce. Klíčové trendy a vývoj, které je třeba sledovat, zahrnují:

• Pokroky v technologii ADR: Pokračující výzkum a vývoj účinnějších a nákladově efektivnějších technologií ADR, jako jsou robotická ramena, sítě a laserová ablace.
• Vývoj schopností servisu na oběžné dráze: Vývoj kosmických lodí, které mohou provádět servis na oběžné dráze, jako je doplňování paliva, opravy a přemísťování satelitů. Tyto schopnosti by mohly být také použity k odstraňování trosek.
• Implementace přísnějších opatření ke zmírnění trosek: Přijetí přísnějších opatření ke zmírnění trosek ze strany kosmických národů a organizací, včetně požadavků na deorbitaci na konci životnosti a pasivaci satelitů.
• Zvýšené situační povědomí o vesmíru: Zlepšené sledování a monitorování kosmického smetí pro lepší posouzení rizik srážek a plánování úhybných manévrů.
• Vytvoření komplexního právního a regulačního rámce: Vývoj jasných právních pokynů pro aktivity ADR, které řeší otázky jako odpovědnost, vlastnictví a použití technologie ADR pro vojenské účely.

Řešení problému kosmického smetí je klíčové pro zajištění dlouhodobé udržitelnosti vesmírných aktivit a zachování výhod, které průzkum a využívání vesmíru poskytuje lidstvu. Investováním do technologie ADR, implementací přísnějších opatření ke zmírnění trosek a podporou mezinárodní spolupráce můžeme vytvořit bezpečnější a udržitelnější vesmírné prostředí pro budoucí generace.

Závěr

Kosmické smetí je rostoucí hrozbou pro naši vesmírnou infrastrukturu a budoucnost průzkumu vesmíru. Vývoj technologií pro úklid na oběžné dráze je pro zmírnění tohoto rizika zásadní. I když přetrvávají značné výzvy, probíhající výzkum, mezinárodní spolupráce a pokroky v politikách nabízejí naději na čistší a bezpečnější orbitální prostředí. Závazek vlád, kosmických agentur a soukromých společností po celém světě je klíčový pro zajištění dlouhodobé udržitelnosti vesmírných aktivit a pokračujících výhod, které vesmír poskytuje lidstvu.