Fakulta matematiky, fyziky
a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave

Kozmický Odpad

Úvod

Obrázok 1a - i: Evolúcia počtu, hmostnosti a plochy vesmírneho odpadu na geocentrických dráhach, ref: ESA’s Annual Space Environment Report, Issue Date 29 September 2020 Ref GEN-DB-LOG-00288-OPS-SD
Obrázok 1a - ii: Evolúcia počtu, hmotnosti a plochy vesmírneho odpadu prebývajúceho alebo prenikajúceho na LEO dráhy, ref: ESA’s Annual Space Environment ReportIssue Date 29 September 2020 Ref GEN-DB-LOG-00288-OPS-SD

Kozmický odpad, tiež známi pod pojmami ako orbital debris, ktorý má zaužívaný Americká agentúra pre letectvo a vesmír NASA, či space debris používaný Európskou vesmírnou agentúrou ESA je v súčasnosti veľmi aktuálnou problematikou. Medzinárodná definícia kozmického odpadu znie:

"Sú to telesá vyrobené človekom, ktoré sa nachádzajú v blízkom okolí Zeme a neslúžia žiadnemu účelu."

Jedná sa teda o všetky telesá, ktoré sa nachádzajú na geocentrickej dráhe Zeme a ktoré vznikli ľudskou aktivitou. Ich rozmery sa pohybujú od mikrometrov po niekoľko metrov, pričom veľkosť telesa, resp. častice priamo súvisí s jeho/jej pôvodom. Väčšina veľkých telies kozmického odpadu sa pravidelne pozoruje, ich dráhy sú vypočítané a ich pôvod je známy. Dráhy týchto telies sú uvedené vo verejnom katalógu umiestnenom na serveri www.space-track.org. Označovať ich možno ako katalogizované. Medzi katalogizované umelé telesá patria spravidla telesá s priemerom väčším ako 10 cm, poprípade 1 meter. Tieto hodnoty priamo súvisia s tým, kde sa teleso nachádza a akým spôsobom sa pozoruje. Napríklad, ak je úlomok veľký 10 cm je pozorovateľný radarom, ak sa nachádza vo výške nad povrchom Zeme okolo 1000 km. V prípade, že by sa nachádzal vo väčších výškach ako napríklad 37000 km nad povrchom, nebol by už pozorovateľný a to ani radarom a ani optickými ďalekohľadmi na to určenými. V takých výškach sme schopní pozorovať ďalekohľadmi telesá približne väčšie ako 1 m a populácia telies o veľkosti okolo 10 cm je v tejto oblasti veľmi slabo zmapovaná. Medzi telesá z katalógu patria hlavne funkčné a nefunkčné satelity, nosné rakety a ich jednotlivé stupne, úlomky z rozpadov satelitov a nosných rakiet, s misiami spojený odpad, ktorý vzniká pri umiestnení satelitov na požadovanú operačnú dráhu. Tu patria napríklad tepelné štíty, ktoré chránia satelit, či družicu pri prechode atmosférou. Nefunkčné satelity a nosné rakety sú z kozmického odpadu rozmerovo najväčšie. Rozmiestenie všetkých katalogizovaných telies možno vidieť na obrázku 1. 

Obrázok 1. - Priestorové rozloženie katalogizovaných umelých telies ku začiatku roka 2012. Vľavo pohľad zo severného pólu, vpravo pohľad z roviny rovníka. Jarný bod smeruje vpravo. V strede je zobrazená Zem.

 

Obrázok 1b. - Príklady veľkých kompaktných telies nachádzajúcich sa v blízkom okolí Zeme. Vľavo americký funkčný satelit GPS, v strede model amerického nefunkčného satelitu Vanguard 1 a vpravo nosná raketa Agena D, ktorá slúžila k vyneseniu misií s ľudskou posádkou Gemini na obežnú dráhu. Posledné dva menované objekty sú súčasťou populácie kozmického odpadu.

Úplné štatistiky narastajúceho počtu, celkovej hmotnosti a plochy, ktorú zaberá kozmický odpad na vyšších aj nižších dráhach sú zobrazené na grafoch v obrázku 1 a, vpravo. Vo verejnom katalógu umelých telies sa v súčasnej dobe nachádza 22 300 telies (k októbru 2020), avšak sa predpokladá že ich je viac ako 34 000 (telies väčších ako 10 cm). Na obr. 1b je možné vidieť príklady veľkých kompaktných, katalogizovaných telies, ktoré sa nachádzajú v blízkom okolí Zeme. Vľavo je zobrazený funkčný satelit amerického navigačného systému GPS. V strede je zobrazený už nefunkčný a zároveň najstarší satelit vôbec Vanguard 1. Nosná raketa Agena D, ktorá slúžila na vynesenie posádky misie Gemini na obežnú dráhu v 60-tych rokoch je zobrazená vpravo.

K populácii kozmického odpadu taktiež patria aj rozmerovo menšie čiastočky, ktoré sa však už nekatalogizujú. Môže to byť napríklad odlúpená farba z nosných rakiet a satelitov, odštiepená tepelná ochranná fólia zo satelitov známa tiež pod pojmom MLI (z angl. multi-layer insulation), škvary oxidu hlinitého (z angl. SRM slag) vznikajúce počas horenia tuhého paliva motorov. Takýto typ kozmického odpadu sa tvoril napr. aj pri horení v raketových nosičoch amerických raketoplánov. V prípade dopadu meteoroidu, alebo častice kozmického odpadu napríklad na povrch slnečných panelov Medzinárodnej vesmírnej stanice (ďalej ISS z angl. International space station), alebo nejakého satelitu sa vytvorí na panely kráter, ale taktiež sa časť materiálu vyvrhne do priestoru. Takéto čiastočky sa stávajú kozmickým odpadom a označujú sa ako ejektá (z angl. ejecta). Na obr. 2a je možno vidieť niektoré typy populácie malého odpadu. Vľavo je zobrazená škvara, ktorá sa vytvára pri horení tuhého palivo. Hliník, ako aditívum sa pridáva pri niektorých misiách do paliva a počas horenia vzniká ako bočný produkt oxid hlinitý a to v podobe niekoľko milimetrov až centimetrov veľkých škvár, poprípade mikrometrových čiastočiek prachu. V strede sa nachádza puklina v okne raketoplánu Challenger. Chemická analýza ukázala, že sa jednalo o zrážku s úlomkom farby o veľkosti 0,2 mm. Vpravo sú zobrazené malé dipóly v podobe ihličiek v porovnaní s ľudským prstom. Tie boli súčasťou projektu Westford Needles o ktorom sa zmieňujeme bližšie v neskoršom odseku.

 

Obrázok 2a. – Príklady malého typu kozmického odpadu. Vľavo škvara vzniknutá horením tuhého paliva tvorená z oxidu hlinitého (Al2O3). V strede prasklina v okne raketoplánu Challenger hlboká 0,4 mm po zasiahnutí odlúpenej farby o veľkosti zhruba 0,2 mm v priemere. Vpravo dipóly v podobe malých ihličiek z projektu Westford Needles v porovnaní s ľudským prstom.

 

Kozmický odpad môže mať ešte exotickejší pôvod, ako napríklad častice chladiacej zmesy v jadrových reaktoroch sovietskych družíc RORSAT. Tie ukončili svoje misie v priebehu 80-tych rokov minulého storočia, pričom na záver funkčného obdobia sa pri oddelení jadra od reaktora vypustili do priestoru čiastočky sodíka a draslíka (z angl. NaK droplets). To sa odohralo na obežnej dráhe 16 krát, pričom sa vytvoril rovnaký počet oblakov tohto materiálu v okolí Zeme.

Počet častíc kozmického odpadu sa neustále zväčšuje (viď. obrázok 2). Už aj milimetrové častice môžu mať za následok poškodenie satelitov, družíc, či ISS, ktorej evakuácia sa z dôvodu hroziacej zrážky s týmito telesami pripravuje rádovo raz za rok. Jeden z najčerstvejších prípadov je manéver z 22. Septembra 2020, kedy sa trojčlenná posádka ISS musela presunúť do ruských lodí Sojuz pripojených k stanici, aby sa vyhli potenciálnemu nebezpečiu. Úlomok Japonskej nosnej rakety, ktorý ohrozoval ISS preletel nakoniec v bezpečnej vzdialenosti 1.39 km a posádka sa mohla vrátiť späť na palubu vesmírnej stanice. Za rok 2020 však ISS musela vykonať tri podobné manévre, aby sa vyhla kolízií, čo indikuje, že situácia s vesmírnym odpadom sa zhoršuje. 

Obrázok 2. – Početnosti umelých častíc podľa veľkosti v okolí Zeme. Ide o početnosti v intervale výšok nad povrchom Zeme od 186 km po 1000 km. Skúmané sú roky 2000 až 2030. Údaje v grafe boli vygenerované ESA modelom MASTER 2005. V grafe nie je zahrnutá populácia častíc z rozpadov v rokoch 2005 až 2010, teda ani z čínskeho satelitu Fengyun 1C a ani zo zrážky satelitov Iridium - Kozmos

 

Národné vesmírne agentúry sa tejto problematike venujú hlavne kvôli bezpečnosti misií s ľudskou posádkou, preto je snaha poznať túto populáciu čo najdetailnejšie. Tieto telesá sme schopní náhodne zachytiť aj my počas astronomických pozorovaní na Astronomickom a geofyzikálnom observatóriu FMFI UK, Modra (AGO). Ide o telesá rôznych rozmerov od metrových nosných rakiet až po centimetrové častice z rozpadov satelitov. Jednou z našich úloh je navrhnúť na základe pozorovaného pohybu objektu metodiku rozlíšenia prirodzených telies od umelých, pričom sa hlavne skúma, na akom type dráhy sa teleso nachádza. Kozmický odpad sme schopní pozorovať rôznymi pozorovacími prístrojmi a to od hlavného 60 cm ďalekohľadu (obrázok 4), cez celooblohový systém na pozorovanie meteorov AMOS (obrázok 5).

Hlavným nástrojom, ktorý momentálne FMFI využíva na pozorovanie vesmírneho odpadu je 70-cm ďalekohľad AGO 70 (obrázok 3), ktorý bol nainštalovaný na observatóriu AGO v Modre roku 2016. 

 

Obrázok 3 – pohľad z vnútra kupoly ďalekohľadu AGO 70 umiestneného na Astronomickom a Geofyzikálnom Observatóriu (AGO) v Modre.

 

Obrázok 4 – vzadu 60-cm ďalekohľad umiestnení na AGO, Modra, v pozadí pohorie Malých Karpát.

 

Obrázok 5 – Celooblohový system AMOS pred kupolou 70-cm ďalekohľadu, observatórium AGO Modra. 

Priestorové rozmiestnenie


Priestorové rozloženie umelých telies v okolí Zeme je priamo späté s priestorovým rozložením satelitov. Geocentrické dráhy umelých telies možno deliť na niekoľko typov a to podľa ich tvaru. Nízka dráha (ďalej LEO z anglického low Earth orbit) je dráha, na ktorej má teleso obežnú dobu menšiu ako 2,2 hodiny (stredná výška nad povrchom pod 2000 km). Tento typ dráhy je najekonomickejší a tiež výhodný z pohľadu jednoduchého odstránenia nefunkčných satelitov, ktoré zhoria v atmosfére Zeme. Excentricity týchto dráh sú veľmi nízke, pod 0,1. Len necelé 1 % telies na LEO dráhach má excentricity nad túto hodnotu.

Na stredných dráhach (ďalej MEO z anglického medium Earth orbit) majú telesá obežnú dobu od 2,2 do približne 24 hodín (stredná výška nad povrchom od 2000 km do 35700 km). Excentricity dráh nadobúdajú rôzne hodnoty. Nachádzajú sa tu semi – synchrónne kruhové dráhy (ďalej SEO z anglického semi – synchronous Earth orbit), ktoré slúžia pre navigačné systémy. Ich doba obehu sa pohybuje okolo 12 hodín. Satelity na takýchto typoch dráh sú v zoskupeniach (americký GPS, ruský GLONASS, budúci európsky GALILEO a čínsky BEIDOU), kde niekoľko desiatok satelitov má podobné dráhy, ktoré sú navzájom v priestore pootočené. MEO typ dráhy tvoria aj veľmi excentrické dráhy. Ako príklad môžu slúžiť dráhy ruských telekomunikačných družíc Molnija, ktorých excentricita je okolo 0,7, doba obehu 12 hodín a sklon s rovinou rovníka približne 63°. Veľké excentricity majú aj časté geo - synchrónne prenosné dráhy (ďalej GTO z anglického geosynchronous transfer orbit). Geo - synchrónne dráhy (ďalej GEO z anglického geosynchronous Earth orbit) sú špecifické tým, že satelity sa na nich nachádzajú počas obehu stále nad tým istým zemským geodetickým bodom. Sú to kruhové dráhy s dobou obehu jeden hviezdny deň (23 hodín, 56 minút a 4,1 sekundy). Ich sklony sa pohybujú od 0° po 15°. Špeciálny typ týchto dráh sú geostacionárne dráhy so sklonom k rovníku 0°. Vysoké dráhy (ďalej HEO z anglického high Earth orbit) majú dobu obehu nad 1 hviezdny deň a sú to dráhy s excentricitami približne nad 0,2. Nachádza sa na nich okrem satelitov aj veľké množstvo nosných rakiet. Prechod medzi MEO, GEO a HEO typom dráh je spojitý.

Ďalej v tomto prehľade možno spomenúť špeciálne vysoké dráhy (ďalej super HEO), čo sú dráhy telies s perigeom nad výškami GEO typu dráh. Telesá, ktoré sa nachádzajú na takomto type dráh sa až na pár výnimiek nenachádzajú v dostupných katalógoch. Na tomto type dráhy sa spravidla nachádzajú nosné rakety, ktoré pomohli opustiť gravitačné pole Zeme misiám s ľudskou posádkou na Mesiac, alebo vedeckým družiciam skúmajúcim Slnko, planéty a malé telesá slnečnej sústavy. Príklady jednotlivých typov dráh možno vidieť na obrázku 3. Spomínané delenie dráh je určené autorom tohto príspevku a je dané pre jednoduchšiu orientáciu.

 

 

 

Obrázok 3. – Zobrazené typy dráh určené podľa autora. Naľavo pohľad na jednotlivé typy dráh zo severného pólu, napravo pohľad na jednotlivé typy dráh z roviny rovníka. Jarný bod smeruje vpravo. Zobrazená nízka dráha LEO satelitu Iridium, stredná dráha SEO satelitu Glonass, stredná dráha GTO nosnej rakety Kentaur a geo-synchrónna dráha GEO satelitu Astra.

 

Podľa vesmírnej environmentálnej štatistiky  vedenej Európskou Vesmírnou Agentúrou ESA sa ku dňu 14. októbra 2020 takmer 55% katalogizovaných telies nachádza na dráhach LEO typu. Ide o telesá väčšie ako 10 cm a tvoria ich hlavne telesá z rozpadov, s misiami spojený odpad, satelity a nosné rakety. Táto oblasť je dobré zmapovaná vďaka pravidelným radarovým pozorovaniam.  Na MEO type dráh sa nachádza približne 19 % katalogizovaných telies. Z toho na SEO type dráhy sa nachádza len niečo okolo 1,35 % katalogizovaných telies. Na tomto type dráhy nebol zaznamenaný žiadny rozpad (Johnson a kol., 2008). Ďalších 10% celkovej populácie tvoria satelity na takzvaných krížiacich sa dráhach medzi LEO a MEO. V minulosti boli najmenej známe populácie na GTO, GEO, HEO a super HEO typoch dráh. Teraz však tvoria niečo cez 16% celkovej populácie, z toho väčšina objektov je na krížiacich sa dráhach medzi MEO a HEO. GTO typ dráhy tvorí štvrtinu z katalogizovanej populácie na MEO type dráhy. Ide o dráhy s excentricitami medzi 0,6 až 0,75 a sklonmi dráh medzi 0° až 30° (Musci a kol., 2005). Väčšina telies na GTO type dráhy sú buď nosné rakety, odpad z rozpadov, alebo s misiami spojený odpad. Najčastejšie využívanými dráhami, či už na komerčné, amatérske, civilné alebo obranné misie, sú LEO a GEO. Dokazuje to rastúci počet vypúšťaných misií znázornený na grafoch 3a a 3b, zverejnených Európskou Vesmírnou Agentúrou. Dramatický nárast pozorujeme najmä v počte komerčných misií na LEO dráhach.

 

Obrázok 3a – Prehľad počtu misií na LEO dráhach, zdroj: ESA

Obrázok 3b – Prehľad počtu misií na GEO dráhach, zdroj: ESA

 

 

S rastúcou premávkou na týchto dráhach rastie aj riziko zrážok a dopyt pre lepšiu katalogizáciu. Nízka jasnosť telies však neumožňuje pozorovať telesá menšie ako 0,5 až 1 meter. Predpokladá sa, že reálna populácia na tomto type dráh je oveľa väčšia, čo naznačuje aj pozorovacia kampaň Schildknecht a kol. (2006). GEO región je po LEO dráhach najviac využívaný. Telesá na GEO type dráhy tvoria približne 12% telies vo verejnom katalógu a sú to hlavne satelity a nosné rakety. Populácia kozmického odpadu je tu však málo známa a to kvôli malým vizuálnym jasnostiam telies. Zaznamenané tu boli, k novembru 2020, zatiaľ len dva rozpady (Johnson a kol., 2008), avšak niektoré pozorovacie kampane naznačujú, že rozpadov v tomto regióne mohlo nastať oveľa viac (Schildknecht a kol., 2004 a 2005). Oltroge a kol., 2017 na základe štatistických modelov predpovedajú, že šance na zrážku na GEO dráhach sú rádovo štyrikrát väčšie ako sa doposiaľ predpokladalo.

Na HEO dráhach sa nachádzajú medzi katalogizovanými telesami hlavne satelity. Ako príklad môže poslúžiť americká vedecká družica Chandra X-ray Observatory, ktorej doba obehu okolo Zeme je 2,6 dňa. Avšak najvyššie sa pohybujúce telesá sú Americký satelit Interstellar Boundary EXplorer s výškou 268 679 km a ruská družica SPEKTR-R s dobou obehu 8.3 dňa a výškou apogea 330 000 km.  Telesá na tomto type dráhy tvoria cez 4% celkovej populácie katalogizovaných telies. Na obrázkoch 4 a 5 možno vidieť rozdelenie niektorých geocentrických elementov katalogizovaných telies. Na animáciách obrázkov 6, 7 a 8 možno vidieť priestorové rozmiestnenie satelitov, nosných rakiet a ostatného odpadu v okolí Zeme.

 

 

 

Obrázok 4. – Rozdelenie stredných výšok dráh katalogizovaných telies s popisom niektorých populácii. Dráhy sa vzťahujú k marcu/aprílu 2009.

 

Obrázok 5. – Rozdelenie sklonov verzus dĺžka výstupného uzla dráh katalogizovaných telies s popisom niektorých populácii. Populácie sú výrazne viditeľné pri takom type zobrazenia. Dráhy sa vzťahujú k marcu/aprílu 2009. 

Obrázok 6. – Animácia zobrazujúca rozmiestnenie funkčných a nefunkčných satelitov v okolí Zeme.

 

Obrázok 7. – Animácia zobrazujúca rozmiestnenie nosných rakiet v okolí Zeme.

 

Obrázok 8. – Animácia zobrazujúca rozmiestnenie kozmického odpadu okrem nefunkčných satelitov a nosných rakiet v okolí Zeme.

 


 

 

Populácia veľkých telies

Ide o telesá s rozmermi spravidla nad 10 cm. Tieto telesá sa môžu pri dostatočnej veľkosti a vzdialenosti javiť na expozičných snímkach ako blízkozemské asteroidy. Príkladom by mohlo byť teleso J002E3 objavené v roku 2003, ktoré na istú dobu zmiatlo astronómov. Teleso sa nachádzalo na dráhe typu super HEO a malo obežnú dobu okolo Zeme približne 48 dní. Dráha telesa bola nestabilná a teleso po šiestich obehoch Zeme opustilo geocentrickú dráhu. Počas jeho zachytenia v gravitačnom poli Zeme teleso J002E3 spektrálne pozorovali Jorgensen a kol. (2003). Absorbčné čiary nakoniec preukázali prítomnosť TiO, ktorý obsahujú farby používané pri nosných raketách. Aj pomocou následných infračervených meraní sa potvrdilo, že s vysokou pravdepodobnosťou ide o posledný stupeň americkej nosnej rakety z misie Apollo 14 uskutočnenej v roku 1971. Relatívne čerstvým kandidátom medzi asteroidmi na umelé teleso je náhodne zachytený objekt s dočasným pomenovaním 9U01FF6. Teleso objavili americkí a španielski astronómia v októbri 2009 popri vyhľadávaní blízkozemských asteroidov. Ide o teleso na dráhe typu super HEO s dobou obehu okolo Zeme 31 dní. Koncom októbra v roku 2009 malo toto teleso priblíženie k Zemi okolo 82000 km, pričom sa tešilo zvýšenému
pozorovaciemu záujmu. Dráha telesa, hlavne jeho sklon, naznačuje, že ide
o teleso z dôb éry Apollo.

Teleso 9U01FF6 sa plánovalo pozorovať aj na AGO, žiaľ pozorovacie podmienky ako nízka výška nad obzorom a nízka vizuálna jasnosť to neumožnili. Niekoľko podozrivých telies sa podarilo náhodne zachytiť na expozičných snímkach aj na AGO. Príkladom by mohla byť už dnes zaniknutá ruská nosná raketa s medzinárodným označením 1986-065D. Pôvodne sa nachádzala na MEO (GTO) type dráhy. Náhodne sa zachytila počas fotometrických pozorovaní asteroidu (4440) Tchantches pozorovateľmi Gajdoš a Világi v októbri 2005. Rýchly objekt mal uhlovú rýchlosť približne 8,2 '/min a nachádzal sa na 4 expozičných snímkach. Neskôr sa nám ho s odstupom troch rokov podarilo identifikovať (Šilha a kol., 2008). Viac o pozorovaní umelých telies na AGO je uvedené v ďalšej kapitole. Na animáciách obrázkov 9 a10 možno vidieť celkové rozmiestnenie katalogizovaných umelých telies v blízkom okolí Zeme.


Obrázok 9 Animácia zobrazujúca rozmiestnenie katalogizovaných telies v okolí Zeme z pohľadu rovníka.
 
Obrázok 10 Animácia zobrazujúca rozmiestnenie katalogizovaných telies v okolí Zeme z pohľadu zemských pólov.

 

 

Populácia malých telies


Roky 2007 a 2009 boli z pohľadu vzniku populácie malého kozmického smetia, čo sú telesá s priemerom menším ako 10 cm, najdôležitejšie od začiatku kozmickej éry v roku 1957. V januári 2007 Čínska ľudová republika zostrelila zo svojho územia svoj nefunkčný meteorologický satelit Fengyun 1C, pričom vzniklo viac ako 2800 katalogizovaných telies (priemer telies väčší ako 10 cm) a približne 150 000 fragmentov väčších ako 1 cm (Pardini a Anselmo, 2009). Do 11. februára 2010 zhorelo 189 katalogizovaných úlomkov v atmosfére Zeme. Dva roky po rozpade čínskeho satelitu vzniklo zrážkou dvoch satelitov Iridium 33 a Kozmos 2251 ďalšie veľké množstvo katalogizovaného malého kozmického smetia (viď. animácie na obrázkoch 11 a 12). Stalo sa to vo februári 2009. Spolu vzniklo 1660 katalogizovaných telies, z čoho už rok po udalosti 90 úlomkov zhorelo v atmosfére Zeme (ku februáru 2010). Všetky tri rozpadnuté satelity sa nachádzali v intervale výšok 780 až 870 km nad povrchom Zeme.

Obrázok 11 – Animácia zobrazujúca kolíziu medzi satelitmi Kozmos 2251 a Iridium 33 vo februári 2009. Zo simulácie je možné vyčítať čas zrážky a kolíznu rýchlosť. Pri výpočte polôh sa použil model SGP.
 
Obrázok 12 – Animácia zobrazujúca kolíziu medzi satelitmi Kozmos 2251 a Iridium 33 vo februári 2009.Polohytelies pochádzajú z verejného katalógu, pričom sa použili elementy všetkých telies dostupných 2 týždne po zrážke.
 
Spomínané rozpady, ako aj ďalších skoro 200 zaznamenaných rozpadov umelých telies na dráhe v okolí Zeme (Johnson a kol., 2008) majú za následok vytvorenie veľkej populácie malých telies v blízkom okolí Zeme. Časť tejto populácie je schopná pri horení v atmosfére vytvoriť jav známy ako meteor. To je však možné iba u telies na LEO type dráhy, maximálne na MEO type dráhy. Na rozdiel od meteoroidov na heliocentrických dráhach, ktorých geocentrické rýchlosti sa pohybujú v relatívne širokom intervale, rýchlosti telies na geocentrických dráhach sa pohybujú v úzkom rozpätí 7,8 až 11,2 km/s. Vďaka tomuto ohraničeniu geocentrických rýchlosti, môžeme očakávať horenie telesa pri vstupe do atmosféry vo výške približne 60 km nad povrchom. Skúmali sme, koľko takýchto telies zhorí za rok v atmosfére, pričom sme uvažovali minimálnu vizuálnu jasnosť + 4 mag a ablačné koeficienty ako pri meteoritoch. Zistili sme podľa práce Pecina a Ceplecha (1983) a Vereš (osobná komunikácia), že tieto podmienky by spĺňalo teleso s hmotnosťou 2 g. Hustoty kozmického smetia priamo súvisia s hustotami satelitov a nosných rakiet z ktorých pochádza väčšina populácie. Pohybujú sa od 2 g/cm³, čo majú plasty pri satelitoch až po hustotu železa 7,9 g/cm³, ktoré obsahujú hlavne nosné rakety (Opiela, 2009). Pri uvážení minimálnej hmotnosti telesa 2 g a spomínaných hustôt, sa priemer telies pohybuje od 1,24 cm pre najmenšie hustoty až po 0,79 cm pre hustotu železa. Rozhodli sme sa teda skúmať populáciu malého kozmického smetia väčšieho ako 1 cm v priemere, pričom nás zaujíma, koľko takýchto častíc ročne zanikne v atmosfére Zeme.


Životnosť telies na geocentrickej dráhe priamo súvisí s gravitačnými a negravitačnými poruchami, ktoré na ne pôsobia. Z gravitačných porúch je to pôsobenie Zeme a jej nehomogénneho gravitačného poľa Zeme, pôsobenie Mesiaca a Slnka. Najviac však pôsobia negravitačné poruchy ako trenie s atmosférou Zeme a slnečné žiarenie, pri ktorých je rozhodujúci pomer účinný prierez telesa k hmotnosti telesa S/M. Skúmali sme životnosť telies s pomerom S/M v rozmedzí 0,06 až 0,024 m²/kg. Tento interval priamo súvisí s hustotami a nami definovanou veľkosťou telies 1 cm. K výpočtu životností telies sme použili program DAS 2.0 americkej vesmírnej agentúry NASA (Opiela a kol., 2007). Program sa zaoberá zmenami geocentrických dráhových elementov telies na základe ich fyzikálnych vlastností pôsobením už skôr spomínaných porúch. Hraničné výšky dráh, pre ktoré je životnosť telies pod jeden rok, možno vidieť na grafe 2.1. Skúmali sa roky 2000 až 2012 a to hlavne kvôli pokrytiu celého slnečného cyklu, ktorého vplyv je na grafe obrázku 13značne viditeľný.

Obrázok 13. – Graf zobrazuje výšky telies na kruhových dráhach so životnosťou jeden rok. Skúmali sa telesá so štyrmi typmi pomerov účinný prierez ku hmotnosti (S/M) pre roky 2000 až 2012. Údaje v grafe sa získali NASA programom DAS 2.0.
 
Na mapovanie populácie kozmického smetia rôznych rozmerov v okolí Zeme slúžia modely vesmírnych agentúr ako MASTER 2005 a MASTER 2009 od európskej vesmírnej agentúry ESA (Oswald a kol., 2005), či ORDEM2000 a plánovaný ORDEM2010 od NASA. Modely MASTER 2005 a ORDEM2000 sme použili, aby sme zistili, koľko telies spĺňajúcich zadané podmienky zanikne v atmosfére Zeme za rok. Skúmali sme samostatne roky 2000 až 2012. Naše výsledky možno vidieť na grafe obrázku 14, kde sú nanesené tri druhy početností. Prvé sú získané pomocou modelu MASTER 2005, druhé pomocou ORDEM2000 a tretie priamo z verejného katalógu umelých telies.

Obrázok 14. – Graf zobrazujúci počet zaniknutých umelých telies v atmosfére Zeme pre daný rok.

 

 Pri modeloch MASTER 2005 (plné štvorčeky) a ORDEM2000 (prázdne štvorčeky) sa skúmala populácia telies väčších ako 1 cm. Pri katalogizovaných telesách (plné trojuholníky) sa jedná o telesá väčšie ako 10 cm. Pomocou modelu MASTER 2005 bola získaná hodnota 3686 telies zaniknutých za rok. To je približne 10,1 telies denne. Pri použití modelu ORDEM2000 sme získali priemerný počet zaniknutých telies ročne 3494, čo je približne 9,6 telies denne. Pri katalogizovaných telesách je to približne 400 telies ročne. Meteory vytvorené umelými telesami tvoria len stopovú časť v početnosti v meteorických katalógoch. Pre podmienky na AGO a celooblohový televízny systém by sme mali byť schopní zachytiť v priemere len 1 takýto meteor za dva roky. V budúcnosti by sa však početnosť umelých telies mala postupne zvyšovať, ako možno vidieť na grafe obrázku 2. Tým by sa zvýšil aj počet zaniknutých telies v atmosfére. Údaje na grafe obrázku 2 boli vygenerované modelom MASTER 2005, podľa ktorého sa populácia kozmického smetia v budúcnosti bude zvyšovať hlavne z rozpadov nosných rakiet a satelitov. Celková početnosť je na grafe značne podhodnotená a to hlavne na predpoveď po roku 2007, keďže model nemá v sebe zahrnuté udalosti ako rozpad satelitov Fengyun 1C, Iridium 33 a Kozmos 2251. Ak by sme k početnosti v roku 2007 pripočítali populáciu napríklad úlomkov z Fengyun 1C podľa práce Pardini a Anselmo (2009), celková početnosť malého kozmického smetia väčšieho ako 1 cm na výškach do 1000 km by sa zvýšila až o 150 %.

 

 

Vznik kozmického odpadu


Smetie môže vzniknúť rôznymi spôsobmi. Pri každej vesmírnej misii bez, či s ľudskou posádkou sa populácia kozmického smetia zväčšuje. Dôvodom sú uniknuté objekty spojené s misiami ako napríklad šošovkové uzávery, skrutky s maticami, odštiepená farba, tuhé alebo tekuté palivo, spaliny, ktoré vznikli pri horení paliva, po prípade ako to bolo pri misii raketoplánu Atlantis v septembri 2006, uniknutý skrutkovač. Tvoria ich tiež tepelné štíty, ktoré chránia družicu počas prieniku atmosférou, či spojovacie prstence medzi jednotlivými stupňami nosnej rakety. Takéto materiály tvoria približne 12 % celkovej populácie kozmického smetia. Do populácie kozmického smetia sa taktiež zahŕňajú aj raketové nosiče, ktoré mali za úlohu vyniesť satelit na obežnú dráhu a satelity a družice, ktoré sa už nevyužívajú. Percentuálne zastúpenie jednotlivých zdrojov kozmického smetia možno vidieť na grafe obrázku 15. Takzvané anomálne smetie je kozmické smetie vzniknuté neznámym spôsobom.

Obrázok 15. – Graf rozdelenia katalogizovaných telies podľa typu ku koncu roka 2009.

Dominantným zdrojom kozmického smetia sú úlomky zo satelitov po ich  rozpade. Satelit sa môže rozpadnúť v prípade explózii paliva. Môže taktiež dôjsť k poškodeniu tlakových nádob, alebo aj k zámernej explózii. Jedným z najväčších zaznamenaných úmyselných rozpadov družice vôbec, bol už spomínaný čínsky proti satelitný test v januári 2007. Okrem explózie hrozí satelitom aj rozpad zrážkou s iným telesom, po prípade práve s kozmickým smetím. K takému niečomu však došlo zatiaľ len raz v roku 1996, kedy sa francúzska družica zrazila s kozmickým smetím, ktoré podľa americkej vyhľadávacej siete SSN (z angl. Space Surveillance Network – vesmírna obranná sieť), bolo kedysi súčasťou rozpadnutej rakety Arian. Najdramatickejšou zrážkou na obežnej dráhe Zeme sa stala kolízia medzi americkým satelitom Iridium 33 a ruským Kozmos 2251 spomínaná už v predchádzajúcich odsekoch.

Na grafe obrázku 15a je možné vidieť dráhy telies v závislosti ich sklonu od ich strednej výšky, pričom sú zobrazené len dráhy so strednou výškou do 4000 km nad povrchom Zeme. Jedná sa teda len o LEO a časť MEO populácie. Na grafe je možné rozlíšiť jednotlivé typy populácií ako satelity, raketové nosiče, úlomky ako aj samostatné telesá  ku príkladu Medzinárodnú vesmírnu stanicu (ISS), Hubblov vesmírny ďalekohľad (HST) a čínsky vesmírny modul Tiangong 1.

 

Obrázok 15a. – Sklon dráhy verzus stredná výška nad povrchom katalogizovaných telies so strednými výškami pod 4000 km. Na obrázku je možné rozlíšiť kompaktné satelity a časti nosných rakiet (čiernym), úlomky zo satelitov Fengyun 1C (ružovým), Kozmos 2251 (zeleným), Iridium 33 (modrým) a ďalšie katalogizované objekty kozmického smetia (šedým). Na obrázku je taktiež označená dráha Medzinárodnej vesmírnej stanice (ISS), Hubblovho vesmírneho ďalekohľad (HST), čínskeho modulu Tiangong 1, ruských satelitov RORSAT, amerického satelitu SNAPSHOT a zhluky vzniknuté v 60tych rokoch počas projektu Westford Needles. Dáta sú získané z verejného katalógu www.space-track.org (ku januáru 2012).

Na grafe obrázku 15a sú taktiež zobrazené dráhy ruských družíc RORSAT (z angl. Radar Ocean Reconnaissance Satellites). Tieto družice operovali na nízkej dráhe LEO a ich primárnou úlohou bola špionáž. Jednalo sa o družice s jadrovým pohonom. Tieto družice na konci svojho funkčného obdobia z bezpečnostných dôvodov vypustili do priestoru okolia Zeme jadrá svojich reaktorov. Počas tohto procesu sa do priestoru uvoľnilo aj veľké množstvo malých čiastočiek chladiacej zmesi známej pod označením kvapôčky NaK (draslík sodný). Tie v súčasností tvoria pomerne početnú populáciu malého kozmického smetia (častice menšie ako 10 cm v priemere). Demonštračne zobrazené vyvrhnutie jadra z reaktoru družice RORSAT možno viedieť na na obrázku 15b vľavo.


Satelit SNAPSHOT (z angl. Space Nuclear Auxiliary Power Shot), ktorého dráha je na grafe obrázku 15a tiež zobrazená, je do dnešnej doby jediný americký satelit s jadrovým pohonom. Výnimočné na tomto satelite je však hlavne to, že po takmer 15 rokov operovania v okolí Zeme sa z neho začalo uvoľňovať veľké množstvo častíc neznámeho pôvodu. Tie sú označené na grafe obr. 15 ako anomálne smetie a pravdepodobne sa jedná o odštiepenú farbu, alebo odtrhnutú ochrannú fóliu. Do súčasnosti (k januáru 2012) 55 objektov vzniknutých zo satelitu SNAPSHOT je stále katalogizovaných a pravidelne sledovaných. Na obrázku 15b v strede je možno vidieť zobrazený satelit SNAPSHOT. Veľmi zaujímavou populáciou sú tiež tzv. zhluky vzniknuté počas projektu Westford Needles. Primárnou úlohou tohoto projektu bolo vytvoriť v okolí Zeme vrstvu dipólov, ktorá by slúžila na odrážanie rádiových vĺn (viď obr. 15b vpravo). To malo slúžiť na komunikáciu vo vojenskom aj civilnom sektore. Dipóly tvorili okolo dva centimetre dlhé a desiatky mikrometrov tenké ihličky (viď obr. 2a vpravo). Avšak projekt sa nevydaril, nedošlo totiž ku rozptýleniu dipólov v priestore, naopak niektoré ihličky sa zlúčili do tzv. zhlukov. Zhruba okolo 40 zhlukov je dodnes pravidelne sledovaných radarmi zo Zeme. Na obr. 15b vpravo je zobrazená plánovaná vrstva dipólov rozptýlených v okolí Zeme v spojitom prstenci.

 

Obrázok 15b. – Vypustenie jadra spolu s chladiacou zmesou u družíc typu RORSAT (vľavo), jediný americký satelit s jadrovým pohonom SNAPSHOT (v strede) a dipóly z projektu Westford Needles rozptýlené v okolí Zeme v súvislom prstenci (vpravo).


Podľa niektorých počítačových modelov, simulujúcich rozmiestnenie a počty kozmického smetia, ktoré spomenieme bližšie neskôr, začne však od istého okamihu pravdepodobnosť kolízie s kozmickým smetím rásť exponenciálne. Tento jav sa tiež označuje ako Kesslerov efekt. Práve to, o aký druh rozpadu satelitu sa jedná, určuje aké veľkosti a rýchlostí budú mať takto vzniknuté jednotlivé častice kozmického smetia. Napríklad pri nízko energetických explóziách (napríklad menšia relatívna rýchlosť telies voči sebe pri zrážke) sa vytvorí menej malých telies (telesá s polomerom pod 10 cm) ako pri vysoko energetických zrážkach. Rozpady sú najväčším zdrojom tzv. veľkého kozmického smetia. Zastúpenie jednotlivých typov rozpadov a s nimi súvisiace kozmické smetie možno vidieť na grafe obrázku 16.


Obrázok 16. – Graf zobrazujúci pomer jednotlivých typov rozpadov k roku 2009.



Online odkazy na video simuláciu rozpadu satelitu Fengyun 1C:

http://www.youtube.com/watch?v=VzRF3PB-Mow

 

Náučné video ESA o vzniku a pozorovaní kozmického odpadu je možné vidieť na nasledujúcich online odkazoch:

ESA: Europe's gateway to space, space debris video from 8th European Conference on Space Debris, 20 April 2021

Space Debris - a journey to Earth

 

 

 

Životnosť kozmického odpadu


Životnosť telies na geocentrickej dráhe priamo súvisí hlavne s ich typom dráhy. Ak je teleso na LEO dráhach, na jeho životnosť priamo vplývajú častice atmosféry, ktoré ho brzdia. Pri malej výške nad povrchom približne do 400 km, teleso zaniká z dôvodu trenia s atmosférou do niekoľkých minút, dní až mesiacov. Ak sa nachádza perigeum dráhy telesa (najnižší bod na geocentrickej dráhe) pod 900 km, je jeho životnosť aj roky až stáročia. V prípade, ak má teleso ešte vyššie situované perigeum, trenie s atmosférou už má len minimálny vplyv na jeho dynamiku. Vtedy sa dominantnými stávajú gravitačné poruchy od Zeme, Slnka, Mesiaca, planét slnečnej sústavy a poruchy spôsobené žiarením zo Slnka. Početnosť jednotlivých zánikov katalogizovaných telies za daný rok možno vidieť na grafe obrázku 17.

Obrázok 17. – Počet katalogizovaných telies zaniknutých za daný rok.
 
V prípade, že je satelit, alebo nosná raketa dostatočne veľký/á môže nastať situácia, že teleso prežije prienik atmosférou a dopadne až na povrch Zeme. Známych je okolo 100 známych nálezov dopadnutého kozmického smetia na povrch Zeme. Najčerstvejšími prípadmi dopadu telies na povrch, respektíve do oceánu boli prieniky atmosférou troch veľkých satelitov a to amerického UARS (z anglického Upper Atmosphere Research Satellite), nemeckého ROSAT (z nemeckého Röntgensatellit) a ruského Phobos-Grunt v rokoch 2011 a 2012. Prvé dva zmieňované satelity vnikli do atmosféry 24. septembra a 23. októbra 2011. Jednalo sa o nefunkčné satelity s hmotnosťami 6,5 a 2,5 tony, ktoré mali ukončené misie. Oba satelity sa rozpadli počas prieniku atmosférou a ich úlomky dopadli do Tichého oceánu v prípade UARS a Indického oceánu v prípade ROSAT. Podobný osud mal aj posledný satelit Phobos-Grunt, ktorý vnikol do atmosféry Zeme 15. januára 2012. Jeho celková hmotnosť bola  až 14,5 ton, keďže sa na jeho palube nachádzalo aj takmer všetko palivo. Phobos-Grunt mal slúžiť ako vedecká družica a sonda, ktorá mala za úlohu odobrať a priniesť späť na Zem vzorky z povrchu jedného z mesiacov planéty Mars, Fobos. Misia však bola neúspešná a družica uviazla na LEO dráhe, kde po takmer dvoch mesiacoch obiehania okolo Zeme vnikla do atmosféry Zeme a zanikla. Časť jej úlomkov dopadla do Tichého oceánu blízko Čile.

 


 

Obrázok 17a. – Už dnes zaniknuté satelity americký Upper Atmosphere Research Satellite (UARS)  (vľavo), nemecký Röntgensatellit (ROSAT) (v strede) a ruský Phobos-Grunt (vpravo).

 

 

 

 

Modelovanie populácie kozmického odpadu

Prevencia pred zrážkou častíc kozmického smetia s funkčnými satelitmi a bezpečnosť misií s ľudskou posádkou boli hlavnými dôvodmi vzniku počítačových modelov populácie kozmického smetia. Modelovanie sa robí hlavne pre populácie malého smetia, kde sa skúma priestorové rozloženie a fyzikálne vlastnosti častíc (veľkosť, hmotnosť, hustota, albedo, parametre dráhy). Telesá nad 10 cm sa evidujú v katalógoch a ich pohyb a vlastnosti sú známe. Z modelov môžeme napríklad zistiť okamžité rýchlosti častíc voči satelitu. Aby mohol byť model použiteľný potrebuje zahŕňať faktory ako doterajší počet štartov rakiet, počet misií s ľudskou posádkou, manévre, ktoré sa vykonávali, rozpady satelitov a iné udalosti, ktoré sa v blízkom okolí Zeme odohrali. Podľa toho na akú dobu sa predpoveď rozloženia v priestore robí, sa delia modely na krátkodobé a dlhodobé. Krátkodobé modely slúžia hlavne na určenie pravdepodobnosti kolízie s vytipovaným satelitom, alebo iným človekom vyrobeným telesom. Dlhodobé modely sa snažia predpovedať rozmiestnenie populácií kozmického smetia v celom okolí Zeme v budúcich desaťročiach. Dlhodobé modely CHAIN, ktorý vyvinula NASA a CHAINEE, ktorý ESA modifikovala z amerického, sa zaoberajú telesami pohybujúcimi sa na dráhach s výškou do 2000 km. Tieto výšky sú rozdelené do štyroch oblastí a telesá sú rozdelené do piatich hmotnostných kategórií. Pri modely EVOLVE má každé teleso samostatne opísané geocentrické dráhové elementy a modelujú sa v ňom dáta pre budúce vesmírne misie. Najznámejším modelom, ktorý vyvinula ESA je model MASTER, ktorý sa zaoberá trojrozmernými simuláciami rozmiestnenia a rýchlosťami kozmického smetia. Je to krátkodobý model použiteľný na oblasti od LEO až po GEO výšky. Patrilo by sa tiež spomenúť aj ruský program Nazarenko, simulujúci aj krátkodobé aj dlhodobé priestorové rozmiestnenia. Taktiež sa zaoberá okamžitými rýchlosťami častíc kozmického smetia a ich pravdepodobnou kolíziou s vytipovanými satelitmi. Tento model čerpá dáta z dvoch najväčších vesmírnych katalógov. Krátkodobý model ORDEM je model vyvinutý a používaný NASA. Nie všetky modely poskytujú dáta prístupné pre širokú verejnosť. O programoch MASTER 2009 a ORDEM2010 to však neplatí. Model ORDEM2010 by mal byť už onedlho voľne prístupný na NASA stránke www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov. ESA model MASTER 2009 je tiež možné získať a to priamym oslovením jeho správcov, na ktorých kontakt možno nájsť na ESA stránke http://www.master-model.de/.

Čo so vzniknutým odpadom?

Ako sa už spomenulo v predchádzajúcom odseku, životnosť umelých telies je priamo viazaná na ich strednú výšku nad povrchom Zeme. Dominantným mechanizmom likvidácie telies kozmického smetia je horenie v atmosfére. To sa často využíva a to vtedy, keď sa starý satelit (nemal by byť starší ako 25 rokov), alebo nosná raketa úmyselne navedie na nižšiu dráhu a kontrolovateľne nechá zhorieť v atmosfére. Vďaka tomu sa zabezpečí, že sa daný objekt nerozpadne a nevytvorí tak ďalšie potenciálne nebezpečné častice kozmického smetia. Ak sa teleso nachádza na vyššej dráhe ako je LEO, je po medzinárodných dohodách správca satelitu, alebo nosnej rakety povinný presunúť tento objekt na taký typ dráhy, ktorý sa nevyužíva a na ktorej nehrozí v budúcnosti žiadna zrážka s iným telesom, resp. je pravdepodobnosť zrážky znížená na minimum.

Okrem prevencie a prirodzených mechanizmov zániku smetia je možné uvažovať aj priamy zásah človeka a nežiadúce teleso z okolia Zeme mechanicky odstrániť. Koncepcií odstránenia smetia je viacero, od robotických ramien, cez siete, lasery, aerogelové gule až po vypustenie prachu, alebo čiastočiek vzduchu do vyšších vrstiev atmosféry. Každá koncepcia v podstate uvažuje o znížení dráhy  vybraného telesa a tým umožní jeho skorší zánik v atmosfére Zeme. Rôzne koncepcie sa viažu na inú veľkostnú populáciu kozmického smetia.

Táto práca - Praktická astronómia populárne - je podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP-0378-09.