Množstvo objektov kozmického odpadu na obežnej dráhe okolo Zeme neustále rastie. Už aj milimetrové častice môžu v dôsledku svojej veľkej rýchlosti spôsobiť poškodenie umelých satelitov. Ako tieto častice astronómovia zaznamenávajú?
Kozmický odpad predstavuje zbierku telies vyrobených človekom, ktoré sa nachádzajú v blízkom okolí Zeme a neslúžia žiadnemu účelu. Patria sem nefunkčné satelity a časti raketových stupňov, ktoré pomohli vyniesť satelity na obežnú dráhu okolo Zeme. Najväčšiu početnosť však majú úlomky týchto veľkých telies vznikajúce pri ich rozpadoch.
Dve husté oblasti
Odpad sa nachádza prevažne tam, kde je človek vo vesmíre najaktívnejší. Najhustejšie sú oblasti na tzv. nízkych dráhach, ktoré majú výšku do 2 000 km nad povrchom. Ďalšou často používanou dráhou je tzv. geostacionárna dráha, kde je doba obehu objektu okolo Zeme rovnaká ako rotácia Zeme okolo vlastnej osi. Odpad sa, samozrejme, nachádza aj medzi týmito dvoma oblasťami. Množstvo odpadu závisí od veľkosti objektov. Veľkých kusov s priemerom väčším ako 5 cm, ktoré dokážeme sledovať ďalekohľadmi a radarmi zo Zeme, je menej – približne na úrovni 20 000 – 30 000 objektov. Počet malých častíc nad 1 cm sa odhaduje na 750 000.
Každé teleso, ktoré obieha okolo Zeme, musí mať vysokú rýchlosť, aby sa udržalo na dráhe. Tá je rádovo 7,8 – 11,2 km/s, čo je približne 28 000 – 40 000 km/h, takže objekty prejdú veľmi veľkú vzdialenosť za relatívne krátky čas, a preto často dochádza k prieniku dráh odpadu a satelitov. Odpad je najmä pre satelity obiehajúce Zem veľmi nebezpečný, pretože tie sa využívajú na rôzne účely, napríklad na monitorovanie Zeme, vedecký výskum, vojenské účely, v meteorológii či telekomunikáciách a podobne. Keď sa satelit zrazí s odpadom, môže dôjsť k jeho poškodeniu, dokonca až rozpadu.
Mechanizmy rozpadu
Najviac rozpadov, takmer 45 %, vzniká z dôvodu explózie palivovej nádrže starých satelitov a raketových nosičov. Približne štvrtinu tvoria úmyselné rozpady, pričom sa satelit alebo raketový stupeň úmyselne zostrelí. Ďalšiu štvrtinu tvoria neznáme príčiny (tzv. anomálny odpad). Zrážky s odpadom tvoria len 2,5 % všetkých udalostí. Počet a veľkosť úlomkov po rozpade závisia od charakteru materského telesa a toho, akú má dráhu či o akú udalosť išlo. Ak je explózia vysoko energetická, napríklad pri kolízii dvoch objektov, môže vzniknúť až tisíc kusov odpadu väčších ako 5 cm. Pri udalostiach s nižšími energiami, ako je napríklad rozpad z dôvodu poškodenia napájacej batérie alebo narušenia palivovej nádrže, dôjde k vzniku stoviek objektov. Pri anomálnych udalostiach je ich počet v jednotkách až desiatkach.
Výnimočné udalosti
Najvýznamnejšou udalosťou bola zrážka dvoch satelitov, funkčného Iridium 33 a nefunkčného Kosmos 2251, v roku 2009. Satelity sa zrazili asi 800 km nad Sibírou stretávacou rýchlosťou 11,6 km/s. Keďže išlo o jednotonový a poltonový objekt, dá sa táto udalosť považovať za najenergetickejšiu udalosť, akú sme kedy zaznamenali v blízkom okolí Zeme. Spolu vzniklo pri jednotlivých zrážkach 1 600, resp. 600 úlomkov. Ďalšia udalosť, ktorá má prvenstvo vďaka najväčšiemu počtu úlomkov vytvorených jedným objektom, bol protisatelitný test uskutočnený v roku 2007. Vtedy Čína z povrchu Zeme zostrelila svoj meteorologický satelit Fengyun 1C, ktorý sa nachádzal 850 km nad povrchom. Pri tejto udalosti vzniklo viac ako 3 300 úlomkov pozorovateľných radarmi zo Zeme, z ktorých je v súčasnosti na obežnej dráhe okolo našej planéty okolo 2 600, ostatné zhoreli v atmosfére.
AGO70
Hlavným zdrojom informácií o polohe odpadu sú radary, ktoré sa sústredia na nízke dráhy, a ďalekohľady, ktoré pokrývajú vysoké dráhy. Aby sme vedeli, kde sa daný objekt v konkrétnom momente nachádza, je potrebné mať katalóg dráh. Ten slúži ako dobrý model na predikciu polohy a vďaka nemu možno vypočítať súčasnú polohu objektu. Dráha odpadu musí byť pre objekty na nízkej dráhe vypočítaná s presnosťou niekoľko 100 m až kilometer a pre vyššie dráhy niekoľko kilometrov. Ďalekohľad AGO70 je optický reflektor newtonovského typu s primárnym zrkadlom s priemerom 70 cm. Ďalekohľad sa nachádza na Astronomickom a geofyzikálnom observatóriu v Modre (AGO) a Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského (FMFI UK) ho získala v roku 2015. Ďalekohľad obsahuje CCD kameru s rozlíšením 1 024 × 1 024 pixelov a filtrové koleso, na ktoré sú nainštalované klasické Johnsonove-Cousinove filtre. Tie dokážu odizolovať štyri rôzne intervaly vlnových dĺžok v modrej, vizuálnej, červenej a infračervenej oblasti. Pozorovania s filtrami sa používajú na charakterizáciu objektov. Od začiatku inštalácie ďalekohľadu na AGO bol vždy hlavný zámer transformácia AGO70 na systém sledovania odpadu. Premena sa začala prvým PECS projektom Európskej vesmírnej agentúry ESA, ktorý sa riešil v rokoch 2016 – 2018. V tomto projekte bola fakulta hlavný riešiteľ a spolupracovala s Univerzitou v Berne vo Švajčiarsku. Počas projektu sa vytvorilo ovládanie ďalekohľadu, základné spracovanie obrazu a pozorovacie programy. Tie sa primárne sústredili na vyššie dráhy približne 30 000 – 40 000 km nad povrchom Zeme. Vytvoril sa tiež verejný katalóg svetelných kriviek odpadu pre vyše 250 objektov. Ten umožňuje sledovať správanie sa objektu v danom čase, ako aj jeho monitorovanie v rámci dlhšieho obdobia.
Zamierené na nízke dráhy
V súčasnosti je FMFI UK súčasťou ambicióznejšieho projektu ESA PECS, ktorý sa rieši od minulého roku a bude trvať do jari 2021. Cieľom projektu je vylepšenie 70 cm ďalekohľadu za účelom získania astrometrických polôh (polohy na nebeskej sfére) a fotometrických meraní (zmena jasnosti v čase) objektov kozmického odpadu nachádzajúcich sa na nízkych dráhach v okolí Zeme. Objekty na takýchto dráhach sa pohybujú veľmi rýchlo, rádovo desatiny stupňa až niekoľko stupňov za sekundu. Získané astrometrické polohy majú podporiť sledovanie odpadu lasermi, ktoré sa čoraz viac využívajú na tento účel a dokážu spresniť dráhy odpadu z kilometrovej presnosti až na metrovú. Dráhy sa však dajú spresniť aj kombináciou dvoch typov pozorovaní, pričom sa skombinujú uhlové merania z astrometrie ďalekohľadu a merania vzdialenosti z laserov. Aby sme náš systém mohli čo najlepšie otestovať, máme v našom projekte aj zahraničných partnerov, ktorí majú vlastné laserové stanice – stanicu Graz v Rakúsku patriacu Rakúskej akadémii vied a stanicu Zimmerwald vo Švajčiarsku patriacu Univerzite v Berne. Projekt teda prebieha v spolupráci so silnými zahraničnými partnermi, ktorí majú dlhoročné skúsenosti s pozorovaním odpadu v optickej oblasti.
Pomoc pri likvidácii
Ďalším cieľom projektu je sledovať zmenu jasností veľkých objektov na nízkych dráhach, ktoré sú potenciálnou hrozbou pre fungujúce satelity v tejto veľmi hustej oblasti. Zmena jasnosti je priamym znakom rotácie objektu. Táto informácia je kľúčová pre budúce misie venujúce sa aktívnemu odstraňovaniu odpadu. Vtedy satelit, ktorý má odstrániť nefunkčný objekt obiehajúci okolo Zeme, musí mať k dispozícii informáciu o jeho rotácii. Vďaka tomu sa k nemu bude vedieť pripojiť a zniesť ho na nižšiu dráhu, kde neskôr zhorí v atmosfére. Informácia o rotácii tiež môže poskytnúť operátorovi družice informáciu o jej stave v prípade straty komunikácie, ako to bolo napríklad v roku 2012 pri ESA družici ENVISAT, či v roku 2016 pri JAXA (Japonská vesmírna agentúra) družici ASTRO-H, ktorá sa dokonca rozpadla následkom vlastnej vysokej rotácie. Hlavný zámer pre AGO70 je, aby sa stal jednotkou v sledovaní kozmického odpadu v rámci Európy, podporil výskum odpadu na Univerzite Komenského a na Slovensku a aktívne sa zapájal do medzinárodných kampaní počas krízových udalostí organizovaných ESA a Európskou úniou.
Text a foto Mgr. Jiří Šilha, PhD.
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
