Mnozí z vás za jasných letních večerů jistě zvednou hlavu vzhůru a čekají, až nebeskou klenbu posetou hvězdami a družicemi Starlink protne některá z padajících hvězd meteorického roje Perseidy.
Srpnová romantika a technická výzva každého astrofotografa nicméně není nikterak ojedinělá. Spíše naopak. Svrchní vrstvy zemské atmosféry totiž bombardují stovky zmapovaných rojů a jen každý den pak miliony drobných meteoroidů velikosti zrnka písku.
Tyto drobky mohou díky zemské gravitaci zrychlit i na desítky kilometrů za sekundu (až 72 km/s; modely pracují s průměrem okolo 22 km/s), a tak se nabízí otázka, jak je vůbec možné, že ještě máme na oběžných drahách nějaké umělé družice a Mezinárodní vesmírnou stanici.
Jak to, že je toto kosmické smetí už dávno neprovrtalo jako ementál?
Micro Meteoroid and Orbital Debries
Naštěstí to není tak jednoduché. Tělesa s průměrem nad 10 centimetrů a na potenciálních kolizních drahách umíme sledovat a ISS může v takovém případě provést záchranný manévr. Jejich sledování a modelování má na starost kancelář NASA MEO (Meteoroid Environment Office).
Zásah fotovoltaického panelu družice SolarMax pod elektronovým mikroskopem. Otvor má průměr 0,5 mm (Foto: NASA)
Potíž je ale s těmi drobnějšími o velikosti v řádu jednotek milimetrů nebo i menšími – tzv. MMOD (Micro Meteoroid and Orbital Debries). Při rychlosti mnoha kilometrů za sekundu dokážou napáchat hotovou spoušť. Nejde přitom jen o mechanickou destrukci, ale i o potenciální elektrický zkrat palubního počítače zejména na menších a méně chráněných družicích.
Pokud se totiž budou mikrometeoroidy pohybovat na horní hranici své rychlosti v řádu desítek km/s, při styku s pláštěm se okamžitě odpaří a promění na zlomek sekundy ve žhavé plazma, jehož elektrický výboj dokáže zkratovat elektrické obvody.
Meteoroid, meteor, bolid, meteorit
Jelikož si občas pleteme, jaký je přesně rozdíl mezi meteoritem a meteorem, pojďme si to stručně zopakovat v malém slovníčku:
- Meteoroid je malé těleso o velikosti v řádu milimetrů až desítek metrů, které pluje vesmírem. Ještě drobnějším prachovým částicím říkáme mikrometeoroidy. Větším tělesům říkáme planetky.
- Meteor je světlený efekt, který pozorujeme, když meteoroid zamíří k Zemi a rozžhaví se při průchodu svrchními vrstvami atmosféry.
- Bolid je velmi jasný meteor. Jeho světelná dráha je delší, může jej doprovázet exploze a zvukové vlny.
- Meteorit je pozůstatek meteoroidu, který přežije průlet atmosférou a dopadne na zemský povrch.
ISS snese kamínky o velikosti až 1,3 cm
Aby se nic takového nedělo, inženýři už celá desetiletí používají Whipple shield (Whippleův štít). Jméno získal po svém vynálezci a astronomovi Fredu L. Whippleovi a jedná se o speciální izolaci, která je v různých modifikacích nedílnou součástí každé kritické mise.
Takto dopadne po úderu ve velmi vysoké rychlosti monolitický štít. Používal se v raných fázích kosmického výzkumu (Foto: NASA)
Tou zdaleka nejcitlivější je dnes Mezinárodní vesmírná stanice s lidskou posádkou, která ji trvale obývá od 2. listopadu 2000. Letos to tedy bude dlouhých 23 let.
Na ISS se z těchto důvodů používá více než 100 různých typů Whippleova štítu podle toho, které sekce stanice mají chránit. Zatímco toaleta a další životně důležité objekty si jistě zaslouží nejlepší štít, jistící anténa kdesi na špici snese ledacos.
A takto se naopak po úderu zachová Whippleův štít (Foto: NASA)
Vesmírná stanice tak dnes používá nejdokonalejší systém několikanásobně jištěné obrany, která by ji měla ochránit i před meteoroidy o průměru 1,3 centimetrů.
LOC aneb riziko ztráty posádky po zásahu
Kvalitu ochrany vyjadřuje mimo jiné tzv. MMOD LOC (Loss Of Crew), tedy pravděpodobnost ztráty posádky. Jen pro představu, pro plánované lety na Měsíc by toto riziko nemělo přesáhnout 0,1 % v případě mise s délkou 24 dnů a 0,2 % u mise, která se protáhne na 210 dnů. Tady se už počítá spíše s přebýváním na měsíční základně.
MMOD LOC je proto do jisté míry funkcí času, protože riziko pochopitelně roste s dobou expozice vůči nepřátelskému prostředí vesmíru. Ať už na Měsíci, anebo na oběžné dráze kdesi 400 kilometrů nad Zemí jako v případě ISS.
Na ISS se používá více než 100 typů štítů podle charakteru každého modulů. Některé je třeba chránit více, jiné méně
Pravděpodobnost, že Mezinárodní vesmírnou stanici zničí vesmírné smetí, se pohybuje okolo 0,3 %. Meteorické roje jako třeba Perseidy toto riziko zvyšují jen velmi málo – nejvýše pro posádku, která by se v dané chvíli pohybovala v otevřeném prostoru.
Rakety a družice mají dutý povrch
Ale zpět k Wippleovu štítu. Jak vlastně funguje? Základní princip je ve své podstatě docela primitivní. Izolaci proti nárazům nejdrobnějších těles s vysokou rychlostí tvoří sendvič několika vrstev, které slouží k rozložení dopadové energie na větší plochu.
Průnik projektilu bumperem a jeho rozptýlení v meziprostoru (Foto: NASA)
Nejjednodušší konstrukce může mít jeden tenký štít – tzv. bumper (nárazník) – oddělený od pláště lodi dutým prostorem.
Když drobné zrnko dopadne na bumper vyrobený třeba z lehké kovové slitiny, sice jej porazí, původní kompaktní mikrometeoroid se ale rozpadne a v dutém prostoru vytvoří oblak, který se v lepším případě odpařením rozplyne do okolí, anebo dopadne na plášť lodi v tak širokém kuželu, že se jeho kinetická energie promění jen v neškodné šťouchnutí a poškrábání laku.
Whippleův štít s výplní na lodi ESA ATV po zásahu 7,5mm projektilem o rychlostí 7 km/s. Projektil nejprve prošel 1mm hliníkovým bumperem (v pozadí), roztrhl se a střepiny zachytil vak (v popředí) s výplní z Kevlaru a Nextelu. Na poslední fotce je lehce zašpiněný plášť lodi (Foto: ESA)
Podobný štít může zafungovat jako ochrana před částicemi o velikosti až několika milimetrů a při rychlosti zhruba 20 km/s.
Kevlar, Nextel a hromada bumperů
Moderní Whippleovy štíty jsou ještě o něco sofistikovanější. Namísto jedné kapsy mezi bumperem a skutečným pláštěm lodi nebo raketového nosiče jich může být hned několik, případně prostor vyplňuje nějaký další energii pohlcující materiál.
Vývoj štítů: Whippleův štít s výplní (Kevlar/Nextel), několikanásobný nextelový štít, štít jako membrána vyplněná speciální kompozitní pěnou a konečně budoucnost letů k Marsu a prototyp několikavrstvého štítu s Mylarem, Nextelem, Kevlarem a pěnou
V takovém případě mluvíme o Whippleově štítu s výplní a na Mezinárodní vesmírné stanici se jedná o mix Kevlaru se skvělou absorpcí rázové energie a kompozitního keramického vlákna Nextel od výrobce 3M. Nextel se díky své elektrostatické a tepelné odolnosti dosahující až 1 200 °C používá jak v obkladech pecí, tak právě v leteckém a raketovém průmyslu pro tepelné a impaktní štíty.
Perseidy z trošku jiného úhlu
ISS tedy může na pohled působit křehce a zranitelně, zdání v tomto případě klame, a tak posádku nevyděsí ani letní Perseidy. Ostatně, astronauti na palubě Mezinárodní vesmírné stanice na ně také koukají – jen z opačné strany.
Perseidy z ISS (Foto: NASA)
Takto 13. srpna 2011 zaznamenal jeden z jasných meteorů letního roje astronaut Ron Garan.
Použitý zdroj: Micrometeoroid and Orbital Debris Environment & Hypervelocity Shields, NASA (PDF)