Laser jako nástroj proti kosmickému smetí

Počítačová simulace kosmického smetí v těsném okolí Země. Zdroj: Wikipedie.

O znečištění přírody slyšíme ve sdělovacích prostředcích téměř denně. Mnohem méně se ale ví o znečištění na oběžné dráze – o kosmickém smetí. Samotné označení kosmické smetí je vhodné jen částečně. Lidstvo vlastně ani nelétá do vesmíru. Kdybychom Zemi znázornili jako pingpongový míček, většina umělých družic by se pohybovala ve vzdálenosti celý 1 mm od povrchu míčku. Měsíc by byl velký jako třešeň a ležel by 90 cm daleko. Slovo smetí je však plně na místě. Ne každý let do vesmíru se podaří, kromě toho družice mají jen omezenou životnost. Na oběžné dráze, zejména nízké, tak létá spousta úlomků laku, ale i šroubků a jiných trosek po explozích umělých družic. Tato tělesa mají malý účinný průřez. Jsou proto velmi málo bržděna zbytky atmosféry – mají tak šanci vydržet na oběžné dráze velmi dlouho. Jejich rychlost 8 km/s z nich činí mimořádně nebezpečné projektily.

Lidstvo vysílá družice na oběžné dráhy v různých výškách nad Zemí už více než 50 let. Za tu dobu se na oběžné dráze nahromadilo přibližně 110 000 předmětů umělého původu o velikosti větší, než 1 cm. Největší z nich jsou to nefunkční družice. Kromě nich jsou to také pozůstatky po vyhořelých stupních nosných raket a různých experimentů prováděných kosmonauty jako utržená lana nebo poztrácené nářadí (i když je snaha takovým věcem předcházet). Občas se tato tělesa vzájemně srážejí. Protože jejich vzájemné rychlosti dosahují řádově kilometry za sekundu, tj. jsou rychlejší, než dělový projektil, dochází při srážkách k jejich destrukci. Tak vznikají nové, menší úlomky. Celková hmotnost těchto předmětů se dnes odhaduje na 3000 tun. Nejstarší kosmické smetí jsou pravděpodobně zbytky nosné rakety Vanguard 1, která odstartovala 17. března 1958. Bude-li dosavadní trend pokračovat, Země bude časem obklopena soustavou prstenců, kterými nebude možné proletět bez poškození kosmické lodi. Takovou možnost předpověděl Donald J. Kessler v roce 1978. Dnes se takový nežádoucí stav nazývá Kesslerův syndrom.

11. ledna 2007 uskutečnila Čínská lidová republika kontroverzní experiment: úspěšně sestřelila družici na oběžné dráze pozemním zařízením. Při zničení meteorologická družice FY-1C (COSPAR 1999-025A) vzniklo přes 2000 úlomků rozměru centimetrů a kolem 30 000 menších úlomků. Většina z nich obíhá kolem Země dodnes. Za tento experiment byla Čína tvrdě kritizována.

Základní klasifikace oběžných drah. (Zdroj: NASA, illustration Robert Simmon)

Nejvíce je kosmickým smetím zamořeno okolí nízké oběžné dráhy, tzv. solárně-synchronní dráhy (sun-synchronous orbit) ve výšce 705 km. Kosmické smetí pochází nejčastěji z explozí umělých družic a vzájemných srážek už existujících úlomků.

Rychlosti na oběžných drahách od nízké po geostracionární. (Zdroj: NASA, illustration Robert Simmon)

Proti tak velkému množství nebezpečných těles na oběžné dráze je nutné se bránit. Už dnes sleduje americké letectvo USAF přes 18 000 úlomků o velikosti nad 1 cm. Vlastní systém na sledování kosmického smetí má také Rusko. Poznatky o skutečném působení srážek s kosmickým smetím přinášejí ty družice a jejich části, které byly po skončení životnosti přepraveny zpět na Zemi. Jedním z nich byl experiment LDEF (Long Duration Exposure Facility) z let 1984 – 1990. Hrozí-li družici srážka s úlomkem, může družice, pokud má vlastní motory na korekci dráhy, provést úhybný manévr. Nejlepší obranou je však prevence. Jednou z cest je větší používání raketoplánů, které dosahují oběžné dráhy bez nosných stupňů, jejichž zbytky by mohly na oběžné dráze zůstat. Raketoplány se ovšem USA pokouší omezit, jednak pro jejich vysoké provozní náklady, jednak pro častý výskyt poruch podobných té, která způsobila r. 2003 katastrofu raketoplánu Columbia.

Schéma laserového systému a jeho funkce. Zdroj Mason & kol., Orbital Debris-Debris Collision Avoidance.

Pracovní skupina vedená Jamesem Masonem z NASA uveřejnila v březnu 2011 studii možností, jak likvidovat kosmické smetí pomocí laseru středního výkonu 5 kW, případně vyšších výkonů. Systém tvořený zaměřovacím teleskopem o průměru objektivu 1,5 metru a laserem by pomocí tlaku laserového záření ovlivnil dráhu úlomku tak, aby úlomek rychle klesl do nižších, hustších vrstev atmosféry a zanikl. Vzhledem k tomu, že atmosféra propouští jen některé vlnové délky a vzhledem k technickým možnostem se jako nejvhodnější jeví infračervený laser na vlnové délce 1,06 μm. Studie zahrnuje také analýzu působení tlaku záření na těleso s určitou hmotností, odrazivostí v vlastní rotační periodou.

Navrhovaným systémem by bylo možné ovlivnit dráhu až 10 úlomků na nízké oběžné dráze denně. Každý „ošetřený“ úlomek by poté zanikl v atmosféře během několika dní.

Realizace takového systému si ještě vyžádá podrobnější technický rozbor.

Zdroj:

MASON, James – STUPL, Jan – Marshall, William – LEVIT, Creon: Orbital Debris-Debris Collision Avoidance, Physics Space-ph, 9. 3. 2011 (PDF 3,2 MB, 13 str.)
Catalog of Satellite Orbits, NASA – Earth Observatory

2 komentáře Laser jako nástroj proti kosmickému smetí