CubeSaty se staly v posledních letech velkým hitem. Do vesmíru jich startují desítky a brzy to budou už stovky ročně. Jak velký představují problém z pohledu kosmického smetí a bezpečnosti na nízké oběžné dráze?
Malé, ale šikovné
CubeSaty jsou družice, jejichž základem je krychle o hraně 10 cm. Pokud je CubeSat tvořen jen jednou krychlí, mluvíme o typu 1U. V případě dvou krychlí jde o typ 2U atd. Můžeme se setkat i s CubeSatem 1,5 U, který tvoří jedna krychle o hraně 10 cm a k ní je připojena polovina druhé krychle.
CubeSaty se používají jako studentské projekty, provádí drobný vědecký výzkum nebo fotografují Zemi. Dva CubeSaty MarCO nyní letí k Marsu. Na konci listopadu budou experimentálně přenášet data z přistání sondy InSight na povrchu rudé planety.
Poslat CubeSat do vesmíru je stále drahé
CubeSat typu 1U má hmotnost mezi 1 a 2 kg. Start podobně velkého CubeSatu vyjde zhruba na 2,2 milionů korun. S rostoucí velikostí a hmotností samozřejmě roste i cena. V případě typu 3U jde o částky blížící se 6 milionům korun.
Rozdělení satelitů dle hmotnosti (CubeSaty jsou obvykle nanosatelity)
| Označení |
Hmotnost |
| Femtosatelit |
10 g až 100 g |
| Picosatelit |
100 g až 1 kg |
| Nanosatelit |
1 kg až 10 kg |
| Mikrosatelit |
10 kg až 100 kg |
| Minisatelit |
100 kg až 500 kg |
| Malé satelity (celkové označení) |
pod 500 kg |
Kromě CubeSatů existují ještě další méně slavné typy malých satelitů. PocketQubes jsou tvořeny krychličkami o hraně 5 cm. Start vyjde v přepočtu nejméně na 600 tisíc korun.
Dočkat bychom se mohli SunCubes, což jsou satelity o hraně 3 cm! Jeden start by mohl vyjít jen na 70 tisíc korun.
Kosmické smetí
Velkým problémem současné kosmonautiky je stále narůstající množství kosmického smetí. Pod tímto termínem si můžeme představit úplně cokoliv, co se pohybuje po oběžné dráze Země, ale nevykonává to žádnou práci. Jde o nefunkční družice, úlomky nebo vyhaslé stupně raket.
Kosmické smetí v reálném čase
Na Stuffin.space můžete v reálném čase sledovat pohyb a pozici kosmického smetí, ale také fungujících družic. Červenou barvou jsou znázorněny funkční družice, modrou vyhaslé stupně nosných raket a šedou kosmické smetí. Po kliknutí na objekt se objeví podrobnější informace.
CubeSaty jsou obvykle nízkonákladové projekty. Rozpočet se pohybuje řádově v milionech korun. Přestože jde o jednoduchá zařízení, vesmír je drsným místem a bez kvalitního testování, jaké mají profesionální kosmické agentury, je šance na úspěch menší. Podle některých odhadů se okolo 20 % CubeSatů z oběžné dráhy ani neozve.
Nefunkční CubeSaty dnes představují zanedbatelnou část kosmického smetí. V blízké budoucnosti se to ale změní.
V roce 2012 odstartovalo do vesmíru 23 CubeSatů, vloni to bylo už 290. Za pět let (2012-2017) se do vesmíru vydalo na 725 CubeSatů. Nejvíce jich je typu 3U. Předpokládá se, že v roce 2019 by mohlo do vesmíru odstartovat více než 400 CubeSatů. V roce 2022 to má být už přes 600!
Problém nepředstavují ani tak nejrůznější studentské či vědecké projekty, ale zejména tzv. souhvězdí (česky spíše konstelace). Jde o desítky až stovky CubeSatů jednoho provozovatele. Jedním z příkladů je Dove od firmy Planet. Stovky CubeSatů pořizují detailní snímky zemského povrchu.
Po 25 letech by měly družice zmizet
Už v roce 2002 Mezivládní výbor pro koordinaci kosmického odpadu při OSN (IADC) doporučil, že maximální doba družice na oběžné dráze má být 25 let.
CubeSaty jsou velmi malé, takže v případě vstupu do atmosféry velmi rychle shoří. Jak je ale do atmosféry dostat? Kupodivu není potřeba dělat nic. Oběžná dráha má stejně jako příroda okolo nás alespoň částečný samočistící mechanismus.
Družice se obvykle pohybují ve výšce několika stovek kilometrů. Hrdě to označujeme jako kosmický prostor, ale ve skutečnosti se stále nacházíme v zemské atmosféře. Hustota vzduchu je na nízké oběžné dráze velmi nízká, ale přesto dostačující, aby zde fungoval atmosférický odpor.
Třením se postupně snižuje rychlost družice a ta klesá dolů. Velké družice mají motory a svou dráhu upravují. Děje se tak i v případě Mezinárodní kosmické stanice (ISS), která má vlastní motory, ale občas ji vyzvednou na vyšší dráhu i připojené nákladní lodě. Za jeden měsíc se ISS propadne přibližně o 400 metrů.
Velikost propadu závisí na mnoha faktorech. Čím je družice větší (její průřez), tím většího odporu dosahuje. Vypočítat přesný propad nebo vstup družice do atmosféry je však obtížné.
Jedná se o empirické modely založené na historických pozorováních. Je to trochu jako předpověď počasí. Konec konců o počasí jde i v tomto případě – ale to kosmické!
Padám, tedy shořím
Vyšší aktivita Slunce má velký vliv na dráhy družic. Pokud je Slunce aktivní, atmosféra dostane vyšší dávky energie a zhoustne. Odpor vzduchu je pak větší a družice může padat k Zemi mnohem rychleji.
Z tohoto důvodu je velmi obtížné předpovědět, kdy a kde vstoupí družice do zemské atmosféry. Pro příklad nemusíme chodit hluboko do minulosti. Nedávno nekontrolovaně shořela čínská orbitální stanice.
Na internetu existuje jednoduchá aplikace, kde si můžete propad družice spočítat. Budete potřebovat její hmotnost, průřez, počáteční výšku a dva parametry charakterizující aktivitu Slunce.
V prvním případě jde o rádiový solární tok na vlnové délce 10,7 cm (označuje se jako F10.7). Udává se v jednotkách SFU. Obvykle se pohybuje od 60 po 300 SFU. Najdete ho třeba v levém sloupci na webu spaceweather.com.
Druhým údajem je geomagnetický index Ap. Jde o bezrozměrné číslo pohybující se obvykle mezi 50 a 300. Najdete ho třeba na webu ESA.
Na vysoké dráze nemusí být dobrovolně
V případě CubeSatů je kritickou oběžnou dráhu výška 600 až 700 km. Pokud se CubeSaty pohybují pod touto výškou, mají slušnou šanci, že do 25 doporučených let shoří v atmosféře.
Od konce června 2018 pracuje na oběžné dráze první český CubeSat VZLUSAT-1. Dráha družice se za rok změnila z původních asi 508 km na 500 km. Družice stále pracuje a i poté, co se odmlčí, si ještě pár let na oběžné dráze pobude.
Existují tři základní způsoby, jak se CubeSaty dnes dostávají do vesmíru. Prvním je hromadné vypuštění desítek CubeSatů najednou. V únoru 2017 byl pokořen rekord. Indická raketa PSLV vynesla najednou 104 družic!
Další možnost představuje vypuštění CubeSatů z paluby Mezinárodní vesmírné stanice, která se pohybuje ve výšce asi 400 km. Na palubu stanice dopraví CubeSaty nákladní kosmické lodě společně se zásobami pro posádku.
Třetí možnost je nejvíce problematická. Některé CubeSaty cestují do vesmíru jako sekundární zatížení společně s větší družicí. Často se kvůli tomu ale dostávají na zbytečně vysokou oběžnou dráhu. Vybírat si nemohou. Dráha je určená potřebami primárního zatížení (hlavní družice).
Dnes již existuje nebo se rodí řada soukromých startupů, které pracují nebo už disponují raketami, které budou vynášet menší družice. Patří mezi ně třeba raketa Electron nebo Arion 2 od PLD Space.
Nešlo by to urychlit?
Likvidaci CubeSatů bychom mohli urychlit jejich stažením z oběžné dráhy. Technologie pro deorbit můžeme rozdělit do dvou skupin: aktivní a pasivní.
V případě aktivního deorbitu připojíte ke klasickému CubeSatu o jednu, dvě krychličky více. V nich se bude nacházet motor, který upraví dráhu CubeSatu a navede ho do atmosféry.
Hlavní nevýhodou podobného řešení je významné navýšení hmotnost a tedy i ceny družice.
Další možností je pasivní technologie. Může jít třeba o plachtu, která se na oběžné dráze rozvine. Příkladem byl DeorbitSail. V červenci 2015 se vydal do vesmíru CubeSat typu 3U, který měl na oběžné dráze rozvinout plachtu o rozměrech 5x5 m. Experiment nakonec nedopadl dobře, plachtu se rozvinout nepodařilo.
Vzpoura CubeSatů?
S rostoucím počtem satelitů a kosmického smetí roste také pravděpodobnost kolizí, které mohou zničit fungující satelity a vést k řetězové reakci. Rozhodně ne takové, jakou jsme viděli ve filmu Gravitace. Při kolizi dvou objektů ale vznikne velké množství úlomků, které mohou být nebezpečné.
CubeSaty nemají motory, takže na rozdíl od ISS nemohou upravit svou dráhu a vyhnout se případné kolizi.
Na nedávné konferenci AIAA/Utah State University Conference zazněla zajímavá myšlenka. Vědci varovali před vznikem CubeSatů s motory. Malé družice s motory mohu být zneužity jako zbraně k ničení ostatních družic. Malé a levné družice totiž obvykle nepoužívají šifrování, takže by je mohlo jít snadno ovládnout. Platí zde pravidlo, že „pokud může být něco napadeno, bude to nakonec i hacknuto“.
Sledování dění na oběžné dráze „on-line“ není dost dobře možné. Napadená družice může během dvou, tři hodin změnit velmi výrazně svou oběžnou dráhu (pokud používá chemický motor), aniž by si toho někdo stačil pořádně všimnout a reagovat.
První český CubeSat stále pracuje
Prvním českým CubeSatem se 23. června 2017 stal VZLUSAT-1. Koordinátorem projektu je Výzkumný a zkušební letecký ústav (VZLÚ), kde projekt vede Vladimír Dániel, Ph.D.
VZLUSAT-1 je Cubesat typu 2U. Na palubě má tři experimenty. Jeden testuje kompozitní materiál pro odstínění radiace, dalším je malý rentgenový dalekohled a třetím přístroj pro výzkum termosféry. Po více než 14 měsících stále fungují všechny přístroje.
Prvního CubeSatu a první družice ve své samostatné historii se už dočkalo také Slovensko. Družici skCube vyvinula amatérská organizace. Do vesmíru se vydala společně s VZLUSAT-1 a dalšími CubeSaty v červnu 2017.
VZLUSAT-2 i studentská družice
V Plzni se už připravuje první studenský CubeSat s názvem Pilsen CUBE II.
VZLU už také pracuje na druhé družici VZLUSAT-2. Měla by být menší (typ 1U), ale nelze vyloučit ani rozšíření na 2U nebo 3U. Projekt je teprve v počátcích. Ke startu VZLUSAT-2 by mohlo dojít v roce 2021. Na palubě bude určitě přístroj pro měření kosmické radiace.
„Rádi bychom ověřili nové algoritmy pro systém orientace a stabilizace družice, což je nezbytný krok pro dělání snímků pomocí družice,“ uvedl pro VTM Vladimír Dániel z VZLU.
„Proto uvažujeme o jednoduchém ‚fotoaparátu‛, který by ověřil správnost orientace a udělal i zajímavé snímky Země.“
Zdroje:
