Seriál: Satelitní komunikace a vysílání V Kapacita oběžných drah země a kosmické smetí

I když se zdánlivě jedná o nekonečný prostor, dostává se do něj spousta dalších objektů, které již nejsou funkční a zbytečně jej zaplňují. Tyto kusy mohou být malé, ale pohybují se obvykle relativní rychlostí i 50 000 km/h nebo více s obrovskou kinetickou energií schopnou způsobit katastrofické škody.

Dne 4. října 1957 tehdejší Sovětský svaz vypustil na oběžnou dráhu Země první umělé zařízení, první objekt sestrojený člověkem, družici Sputnik – 1. Tento den je proto obecně považován za počátek tzv. kosmické éry. Vyvrcholila tak nevyhlášená soutěž o první průnik do kosmického prostoru, která tehdy probíhala v prostředí studené války (1947-1991) mezi USA a Sovětským svazem. Po počátečních potížích se podařilo i USA 1. února 1958 vypustit svojí první družici Explorer 1, celkově ale až třetí v pořadí.

Za uplynulých téměř 65 let kosmické éry se však situace na oběžných drahách Země zásadně změnila. V kosmickém prostoru v okolí země se pohybují desítky tisíc člověkem vytvořených umělých objektů. Samostatnou a důležitou roli pak má takzvané Kosmické smetí.

Současná situace na oběžných drahách země

Kosmický prostor v okolí Země do roku 1957 lze ukázat v podobě, jak uvádí Obr. 1.

Obr. 1 – Pohled na kosmický prostor v okolí země před datem 4. října 1957 (Zdroj: LeoLabs)

Do současné doby ale člověk svými aktivitami zaplnil oběžné dráhy v okolí Země tak, jak je uvedeno na Obr. 2.

Obr. 2 – Situace na oběžných drahách 65 let po začátku kosmické éry. Informace uvádí ESA k 11.7.2022, (Zdroj: ESA – Space debris by the numbers )

Animací lze opět znázornit kosmický prostor v okolí Země nyní v polovině roku 2022.

Obr. 3 – Pohled na kosmický prostor v okolí Země v polovině roku 2022 (Zdroj: Stuff in Space (rogue.space))

Je tedy zřejmé, že v okolním prostoru Země se dnes pohybuje velký počet objektů různé velikosti. Objekty lze rozčlenit do několika hlavních kategorií:

• Kosmické těleso sloužící nějakému účelu (družice, sonda, aj., funkční i nefunkční) – Spacecraft
• Stupně nosných raket – Rocket Bodies
• Kosmický odpad (smetí) jako vypuštěné, oddělené nebo uvolněné části v souvislosti s některou z uskutečněných misí (vypuštění družice, sondy) – Mission – related Debris
• Kosmický odpad (smetí) jako částice, předměty nebo objekty vzniklé při destrukci družice, při mimořádných událostech v kosmu jako jsou srážky těles nebo exploze – Fragmentation Debris

Postupný nárůst objektů v uvedených kategoriích na oběžných drahách k datu 1. březnu 2022 je uveden na Obr. 4. Zdrojem dat je NASA, která využívá údaje US Space Surveillance Network (SSN) o sledovaných objektech registrovaných v katalogu SSN. Graf zachycuje celkové počty všech objektů na oběžných drahách Země, které byly katalogizovány SSN. Graf zachycuje i časový sled mimořádných událostí 1-7 zmiňovaných v další části textu viz. Obr.6.

Obr. 4 – Měsíční počty objektů na oběžných drahách podle kategorie z března 2022. (Zdroj: ARES | Orbital Debris Program Office | Quarterly News (nasa.gov) )

Podle uvedených dat je zřejmé, že přibližně od roku 2017 začal dramaticky a téměř exponenciálně narůstat počet objektů, které se pohybují na oběžných drahách Země. Podle údajů ESA se v okolí Země dnes pohybuje cca 31 550 pravidelně sledovaných objektů. Z nich je sledováno cca 8 580 družic na oběžných drahách, ze kterých je v současnosti cca 6 000 funkčních. Počet sledovaných objektů však stále každý měsíc rychle roste. Nejvíce exponované, o objekty všeho druhu, jsou oběžné dráhy LEO. Jen komunikačních LEO satelitů je dnes přes 4 000. Vývoj počtu satelitů za posledních 10 let jsme podrobně popsali v našem II. pokračování o komunikačních satelitech.

Jednotlivá čísla, která uvádí NASA se mohou částečně lišit od údajů zveřejňovaných ESA. Hlavními důvodem je, že každá organizace používá jiné soustavy SSN, a navíc jsou často k dispozici výsledky zveřejňované k jiným časovým bodům. I to ukazuje, že změna počtu objektů na oběžných drahách je velmi dynamická. Ve své podstatě a pro účely tohoto typu informací si však údaje o počtech neodporují.

Jak vzniká kosmický odpad?

Počet družic na oběžných drahách je však menší částí z celkového počtu objektů na oběžných drahách. Největší část objektů, které se pohybují kolem Země, a to zvláště na drahách LEO, představuje takzvané „Kosmické smetí“ nebo „Kosmický odpad“ (Space Debris). Kosmické smetí je tvořeno jak zbytky nosných raket, tak i částmi (zbytky) souvisejícími s procesem vypouštění umělého oběžného tělesa. Hlavně však je kosmické smetí tvořeno částicemi, které vznikají destrukcí družic či dalších objektů, explozích nebo jiných mimořádných událostech ve vesmíru a při neodvratných, avšak běžných vzájemných srážkách mezi jednotlivými objekty. Počet objektů různých rozměrů se tak neustále postupně zvětšuje, a to díky stále četnější technické činnosti lidstva na oběžných dráhách.

Některé z nejznámějších zaznamenaných mimořádných událostí na oběžných drahách jsou uvedeny na Obr. 5.

Obr. 5 – Nejznámější mimořádné události na oběžných drahách Země

Pojem sestřelení znamená, že cílový objekt obdrží po zásahu impulz, který mu upraví dráhu a navede jej do atmosféry. Naproti tomu rozstřelení –znamená, že zásahem cílového objektu dojde k jeho neřízené fragmentaci na oběžné dráze

Jak se tyto mimořádné události projevily na celkovém nárůstu objemu kosmického smetí v průběhu času je uvedeno na Obr. 4.

Ukazuje se tak, že zásadní podíl na růstu objemu kosmického smetí mají aktivity, které jsou označovány jako „ASAT“. Dnes se zatím jedná o testy zbraní (tzv. Anti-SATellite weapons), na kterých se podílí zejména čtyři země USA, Rusko, Čína a Indie.

Rizika zatížení oběžných drah

Stále stoupající úroveň „znečištění“ oběžných drah zejména kosmickým smetím a sílící pochybnosti o potřebě používat pro konstrukci komunikačních sítí umožňujících přístup k internetu tzv. „Družicové megakonstelace“ na drahách LEO v současném objemu, který navíc se stále větší dynamikou roste, vedou ke vzniku stále četnějších stížností, varovných signálů a doporučení. Tato varovná stanoviska stále intenzivně zmiňují možnost narušení dlouhodobé udržitelnosti jedinečného přírodního zdroje, kterým oběžné dráhy bezpochyby jsou.

Již nyní za současného stavu naplnění oběžných drah jsou pojmenovávána nejviditelnější rizika tohoto způsobu využívání oběžných drah v následujících hlavních kategoriích:

Astronomie – Příklady z oblasti optického pozorování vesmíru

Kosmické smetí a oběžná tělesa vytvoří štít (krunýř), který podstatně zhorší nebo zásadně omezí schopnost podrobného zkoumání vesmíru. Mohlo by tak dojít i k přehlédnutí či nezaregistrování jevů, které mohou být životně důležité pro existenci života na zemi.

Na místní obloze značně postižené světelným znečištěním a pro zachycení některých pozorovaných objektů např. slábnoucí komety je nezbytné použití metody snímání mnoha expozic. Výsledek v dnešní situaci zaplnění oběžných drah (konkrétně megakonstelace StarLink) a porovnání současných pozorování s nerušeným výhledem do kosmu ukazuje Obr. 6a, b, c.

Obr. 6 a – Pozorování komety C2019/Y4 (ATLAS), 19.4.2020. (Zdroj: https://tn.nova.cz/zpravodajstvi/clanek/409160-takto-vypada-nebe-pokryte-druzicemi-starlink-astronomove-zuri?campaignsrc=tn_clipboard )

Na dalším snímku autora Victoria Girgis z Lowell Observatory v Arizoně je skupina galaxií NGC 5353/4. Dlouhé světelné stopy na fotografii způsobilo 25 z 60 družic Starlinku.

Obr. 6 b – Skupina galaxií NGC 5353/4. (Zdroj: Už nejde jen o sténání amatérů. Zničíte vědu, varuje IAU před Starlinkem a dalšími konstelacemi – Exoplanety.cz , 3.6.2019)

Následující vizualizace ukazuje galaxie, složené z plynu, hvězd a temné hmoty, které se srážejí a tvoří vlákna ve velkém vesmíru, jak by měly být pozorovány ze Země při ničím nerušeném výhledu.

Obr. 6c– Nerušený výhled do kosmu. (zdroj: JWST Science Simulations:  Viz: https://svs.gsfc.nasa.gov/10663)

Radioastronomie a obecné rušení v oblasti rádiového spektra

Radioastronomie je používána v důležitých oblastech výzkumu vesmíru jako je např. studium raného vesmíru, gravitačních vln, určení role skryté (temné) látky a temné energie na vývoj vesmíru nebo přímé „snímkování“ Zemi podobných exoplanet. Přesto, že pásma rádiových kmitočtů pro radioastronomii jsou striktně vymezena, existují obavy, že s dramaticky rostoucím počtem družic zejména na LEO oběžných drahách může postupně docházet k rušení těchto kmitočtů. Organizace zabývající se radioastronomií např. SKAO (Square Kilometre Array Organization) proto chtějí tento problém vyřešit a trvají na přijetí nápravných opatření, která umožní jejich observatořím nerušeně pozorovat vesmír.

Kromě toho je možno očekávat i problémy se vznikem rádiového rušení jak mezi družicemi různých LEO megakonstelací, tak je předpokládán i možný vznik vzájemného rádiového rušení systémů na LEO oběžných drahách a systémů na jiných oběžných drahách včetně GEO, jak bylo podrobně popsáno v našem čtvrtém pokračování seriálu o koordinaci kmitočtů. Přitom dnes není ještě zaveden ISL (Intra Satellite Link) – přímé spojení mezi satelity.

Kosmické smetí

Část kosmického smetí díky svojí klesající oběžné rychlosti postupně zaniká v atmosféře. Díky stále většímu počtu vypouštěných družic a rostoucímu počtu mimořádných událostí včetně aktivit ASAT roste dynamicky i objem kosmického smetí. Jsou zaznamenávány stále častější případy poškození funkčních družic kosmickým smetím. Na dalším snímku (Obr. 7.) je přes 1 cm veliký otvor na chladicím panelu, který vytvořil úlomek při srážce s raketoplánem Endeavour v roce 2007. Měřítko je v palcích.

Obr. 7 – Nebezpečí srážky s kosmickým smetím (Zdroj: NASA)

S rostoucím objemem kosmického smetí roste i pravděpodobnosti pádu i větších jeho částí, které nestačí zaniknout v atmosféře, na zemský povrch. To pochopitelně znamená i rostoucí míru ohrožení života a majetku na zemském povrchu, viz Obr. 8.

Obr. 8 – Část kosmického smetí na zemi. (Zdroj: JSC/NASA)

Tato nezaniklá část kosmického smetí dopadla do pouště v Saudské Arábii 12. ledna 2001. Jde o horní stupeň pomocné rakety (tzv. boosteru), která vynášela na oběžnou dráhu GPS družici NAVSTAR 32 v roce 1993. Bohužel zdaleka nejde o ojedinělý případ dopadu kosmického smetí na povrch Země.

Generování a pohyb kosmického smetí na oběžných drahách byl samostatným tématem již od roku 1957. Avšak poprvé vážně na nebezpečnou možnost neúnosného naplnění oběžných drah kosmickým smetím upozornil v roce 1978 Donald J. Kessler (nar. 1940), odborník NASA.

Kesslerův teoretický scénář (rovněž Kesslerův syndrom, efekt, kolizní anebo ablační kaskáda) říká, že jednou bude kvůli znečištění vesmíru hustota objektů na nízké oběžné dráze Země (LEO – Low Earth Orbit) dostatečně vysoká na to, aby mohly jejich vzájemné srážky způsobit celou srážkovou kaskádu. Kesslerův syndrom lze podle autora shrnout i takto „V minulosti bylo generováno kosmické smetí rychlostí přímo úměrnou počtu objektů na oběžných drahách, zatímco budoucí četnost kolizí bude generovat kosmické smetí rychlostí rovnou druhé mocnině počtu objektů na oběžných drahách.“ Tedy jinak a krátce: „Čím více letů, tím více odpadu, čím více odpadu, tím méně letů.“

Předpoklady dalšího zatížení oběžných drah v budoucích letech

Přes takto indikovaná vážná rizika zazněly zejména v druhé polovině roku 2021 informace o tom, že počet umělých družic Země pravděpodobně bude v nadcházejících deseti letech s dále se zvyšující dynamikou narůstat a měl by se dramaticky zvýšit o vyšší desítky tisíc, a to zejména na oběžných drahách LEO do 2 000 km. Má tomu tak být proto, že zejména soukromé společnosti nacházejí v tomto obchodním segmentu klíčové příležitosti a projektují vlastní samostatné takzvané „Družicové megakonstelace“, z nichž každá obsahuje tisíce jednotlivých družic, které budou sloužit k rozvoji rychlejších komunikačních online sítí a poskytování řady dalších služeb, jako je například monitorování klimatických změn. Společnou mantrou všech zúčastněných komerčních subjektů je deklarovaná snaha o poskytování spolehlivých globálně dostupných komunikačních služeb“. V první řadě je pak zmiňována snaha o vytvoření celosvětové sítě internetu dostupné i v nejodlehlejších místech na planetě a za tzv. „přijatelnou“ cenu. Nicméně se dá předpokládat, že k průchodnosti navrhovaných projektů mohou přispívat i vojensko – geopolitické zájmy jednotlivých zemí či politických uskupení.

Od roku 2019 se počet komunikačních družic v megakonstelacích na LEO drahách jen dvou komerčních firem SpaceX a OneWeb zvýšil na více než 2 430. To je více než 40 % z celkového počtu cca 6 000 družic na oběžných drahách. Problematikou kmitočtové koordinace komunikačních družic se zabývá

https://www.televizniweb.cz/2022/08/serial-satelitni-komunikace-a-vysilani-iv-jak-se-koordinuji-satelitni-kmitocty/

Již minulém roce byly k dispozici informace o tom, že soukromé subjekty v čele se společnostmi SpaceX, OneWeb, Amazon a StarNet/GW(GuoWang) navrhly vypuštění dohromady více než 75 000 družic, když započítáme všechny fáze jejich družicových programů, které by měly být realizovány v dalších deseti letech.

Následující tabulka je zpracována podle práce „Disability Predictions for Near-Future Satellite Megaconstellations: Latitudes near 50◦ will Experience the Worst Light Pollution„, autorů Samantha M. Lawler, Aaron C. Boley, and Hanno Rein, 24.11.2021, a práce „Large Satellite Constellations & their Impact on Astronomy“, Olivier R. Hainaut ze srpna 2021.

Obr. 9 – Projekty družic v projektovaných megakonstelacích v závěru roku 2021

Tím ovšem výčet připravovaných komerčních aktivit na oběžných drahách Země zdaleka nekončí. 21. září 2021 podala Rwanda prostřednictvím svojí RSA (Rwanda Space Agency) žádost Mezinárodní Telekomunikační Unii ITU o přidělení kmitočtů a oběžných drah pro projekt družicové megakonstelace v rámci projektů Cinnamon – 217 a Cinnamon – 937. Projekty se týkají umístění celkem 327 320 družic na oběžných drahách MEO a LEO, které by měly zajišťovat široké portfolio komunikačních a dalších služeb. Zatím není jasné, kdy by se tento projekt mohl stát skutečností, ale podle RSA je žádost a zahájení jednání s ITU prvním krokem k zabezpečení budoucího vypuštění družic. Tento proces je v souladu se záměrem Rwandské vlády definovat takto jeden z dalších cílů národního rozvoje. Podle dostupných informací je projekt připravován ve spolupráci se společností OneWeb, která je nyní v procesu fúze s Eutelsatem. Jedním z iniciátorů projektu na straně Rwandy je pak zřejmě Greg Wyler původní zakladatel společnosti OneWeb (2012).

Další z komerčních zájemců o podnikání na oběžných drahách severoamerická společnost Astra Space Inc. (založena 2016) požádala 4. listopadu 2021 FCC o schválení provozu 13 620 družic na drahách LEO od 380 do 700 km. I tato družicová megakonstelace by měla zajišťovat vysokorychlostní komunikační služby.

Všechny doposud zmíněné převážně soukromé komerční projekty využití nízkých oběžných drah, které by měly být uskutečněny v příštích 15–20 letech představují pouze v prostém součtu navýšení počtu aktivních družic na oběžných drahách na hodnotu 416 121. To by znamenalo řádově téměř sto násobné navýšení hustoty družic na nízkých oběžných drahách oproti dnešnímu stavu.

Ale ani tento výčet předpokládaných komerčních aktivit na oběžných drahách však není kompletní. V úvodu roku 2019 zveřejnil ruský start-up StartRocket (Vladimir Sitnikov) svůj záměr použít oběžnou dráhu ve výšce 450 km pro kosmickou reklamu. Pro vytváření reklamních obrazců měly být využity shluky družic, každá o průměru cca 10 m. První praktická realizace se měla uskutečnit v roce 2021.

Obr.10– Vizualizace záměru ruské spol. StarRocket v oblasti reklamy (Space ads) (Zdroj: This Russian startup wants to put huge ads in space. Not everyone is on board with the idea. (nbcnews.com) )

Dramatický zdánlivě téměř neřízený nárůst intenzivního využívání oběžných drah by mohl vytvořit dojem, že lidstvo si doposud nestanovilo pro využívání kosmického prostoru zejména v okolí Země jakákoliv pravidla. Ale není to pravda. V příštím pokračování se pokusíme nahlédnout do specifického oboru s názvem Kosmické právo, tedy o mezinárodních dohodách a dokumentech vztahujících se k využívání kosmu.

Předchozí díly si přečtěte zde:

I. PRVNÍ SATELITY PRO TV, OBĚŽNÉ DRÁHY A KMITOČTY

II. NÍZKOOBĚŽNÉ DRÁHY, SATELITY SES a KONSTELACE STARLINK

III. VÝVOJ SATELITNÍCH TECHNOLOGIÍ A POHLED DO ÚTROB ANTÉNY STARLINK

IV. JAK SE KOORDINUJÍ SATELITNÍ KMITOČTY

Článek vznikl za spolupráce s Václavem Udatným. Autorovo plné znění najde čtenář na webových stránkách XXXI. KONFERENCE RADIOKOMUNIKACE 2022.