Kocky na orbite

Ilustrácia M-Argo, prvého CubeSatu agentúry ESA, ktorý bude operovať v medziplanetárnom priestore a ktorého úlohou bude štúdium asteroidov. M-Argo bude 12-jednotkový a bude vybavený kamerovým a laserovým meracím systémom. Jeho štart sa očakáva v rokoch 2024-25, ilustrácia ESA.

Miniaturizácia v elektronike prináša aj miniaturizáciu techniky potrebnej na výskum vesmíru. Malé satelity, ktorých cena je porovnateľná s cenou luxusnejších automobilov, sa stávajú dostupnými pre krajiny a spoločnosti, ktoré by ešte donedávna nemali šancu v astronautike. Vzniká tak celý nový sektor.

Prvý Sputnik, guľa s priemerom 58 cm, vážil približne 80 kg. Druhý Sputnik, na palube ktorého letel pes Lajka, tvoril 4 m vysoký kužeľ s priemerom základne 2 m. Vážil pol tony. Hmotnosť 73 metrov dlhej a 109 metrov širokej Medzinárodnej vesmírnej stanice je takmer 420 ton… Línia vývoja od malého a jednoduchého k veľkému a zložitému však nie je v kozmonautike jedinou možnou. Povedľa nej sa už istý čas odvíja druhá, paralelná: satelity, ktoré sú v porovnaní s bežnými miniatúrne čo do veľkosti i nákladov.

Mini, mikro, nano, piko

Pripájanie malých satelitov k nákladnému priestoru SSMS – Small Spacecraft Mission Service, európsky vesmírny kozmodróm Francúzska Guayana, 12. marca 2020

Ešte donedávna sa mohlo zdať, že tak, ako budú vesmírne technológie čoraz sofistikovanejšie, vesmírna technika bude čoraz väčšia a prístupná iba najrozvinutejším krajinám a veľkým komerčným spoločnostiam. Miniaturizácia a zlacňovanie elektroniky však umožňujú vývoj a výrobu menších satelitov. Tie sú lacnejšie a ich výroba si vyžaduje oveľa menej času ako pri tradičných veľkých družiciach, čo umožňuje, aby ich využívali aj menšie spoločnosti (často spoločne s univerzitami). Nanosatelity demokratizovali prístup k výdobytkom, ktoré boli tradične vyhradené pre veľké spoločnosti alebo vesmírne agentúry s obrovskými finančnými zdrojmi, pripomína na svojej stránke španielska spoločnosť Alén – jedna z tých, ktoré sa špecializujú na výrobu malých satelitov a ktoré tvoria už celý ekonomický sektor nazývaný nový vesmír. Napokon, užitočnosť malých satelitov určite nepopiera ani spomínaný tradičný vesmírny sektor. Európska vesmírna agentúra ESA pred niekoľkými rokmi zriadila špeciálne oddelenie na prácu na štandardizovaných nanosatelitoch nazvaných CubeSats (cube – po slovensky kocka). Cieľom je užšia spolupráca ESA s menšími európskymi spoločnosťami pri vesmírnych misiách, ktorých ciele môžu byť vedecké alebo technické: napríklad sledovanie asteroidov v blízkosti Zeme alebo testovanie dokovacích manévrov umelých kozmických telies.

6-jednotkový CubeSat GomX-4B, ktorý okrem iného testoval synchronizovaný pohyb so svojím dvojčaťom GomX-4A

Satelity možno deliť podľa ich určenia (monofunkčný Sputnik verzus Medzinárodná vesmírna stanica), ale napríklad aj podľa ich hmotnosti. Tá pritom, vzhľadom na náklady spojené s vynášaním družíc na orbitálnu dráhu, určite nie je zanedbateľnou kategóriou. Podľa kritérií NASA sa za nanosatelit považuje satelit s hmotnosťou od 1 kg do 10 kg. Za veľké sa považujú satelity s hmotnosťou viac ako 1 000 kg, stredne veľké sú tie s hmotnosťou od 500 kg do 1 000 kg, kým všetko pod 500 kg spadá do kategórie malých satelitov(od 100 do 500 kg sú to minisatelity a tesne nad kategóriou nanosatelitov sú ešte s hmotnosťou 10 až 100 kg mikrosatelity). Ani nanosatelitmi sa však preteky o najmenšiu hmotnosť a náklady nekončia: v súčasnosti sa už experimentuje s tzv. pikosatelitmi s hmotnosťou nižšou ako 1 kg (vreckové satelity PocketQubes, tubusové TubeSats a podobne).

Hromadné lety

Nanosatelity typu CubeSat Bhutánu, Malajzie a Filipín vypúšťané z vesmírnej stanice ISS v lete 2018

Na rozdiel od veľkých satelitov, ktorých vývoj a výroba trvá roky, v prípade nanosatelitov to možno skrátiť na niekoľko mesiacov. Môže to byť veľkou výhodou: napríklad v oblasti telekomunikácií napreduje vývoj natoľko rýchlo, že kým sa taký veľký satelit dostane na oblohu, často je v niektorých ohľadoch už v podstate technologicky zastaralý. Pravidelné inovovanie systémov na satelitoch, ktoré sú už na obežných dráhach, je pritom nákladné a náročné. Pri lacnejších a rýchlejšie zostaviteľných menších satelitoch tieto starosti odpadajú alebo sú aspoň menšie.
Štandardizovaná podoba nanosatelitu – CubeSatu je kocka s rozmermi 10 × 10 × 10 cm, označovaná tiež ako 1U (U ako unit – jednotka). Takáto štandardizácia dala vzniknúť celému modulárnemu ekosystému: satelity možno skladať z vopred hotových komponentov. Štandardná veľkosť a tvar tiež umožňuje hromadné uskladnenie nanosatelitov v kontajneroch v nosnej rakete – znižuje to náklady a zvyšuje bezpečnosť pri ich vynášaní na orbitálnu dráhu. Hromadné štarty umožňujú nielen rozložiť náklady na ich vypustenie. Dovoľujú spolurozhodovať aj o cieli, na rozdiel od prípadov, keď sa nanosatelity na orbitu vezú len ako stopári popri nejakej veľkej a nákladnejšej družici, pričom musia, pochopiteľne, akceptovať smer a dráhu letu podľa nej. Mimochodom, aj preto sa CubeSaty občas vypúšťajú priamo z ISS (aj tam je však najprv potrebné dopraviť ich zo Zeme).

Štart nosnej rakety Vega z európskeho kozmodrómu na Francúzskej Guayane 2. septembra 2020. Raketa v rámci misie VV16 vyniesla 53 malých satelitov na obežné dráhy vo výške 515 km a 530 km nad Zemou.

Skladačky na obežnej dráhe

Malé rozmery CubeSatov by nemali nikoho pomýliť. Modulárny systém umožňuje prispôsobiť ich misiám s riadnym vedeckým či technickým programom. Napríklad tak, že sa ešte na Zemi pospájajú do väčších zostáv, ktoré sú schopné plniť zložitejšie úlohy. Nedávno takto napríklad ESA vypustila dva šesťjednotkové (6U) CubeSaty typu GomX-4 (v spolupráci s dánskou spoločnosťou Gomspace zo sektoru nového vesmíru, a Dánskou technickou univerzitou). Asi 8 kg vážiace satelity s rozmermi 20 × 30 × 10 cm testovali rôzne pohybové manévre na obežnej dráhe pomocou vlastného miniatúrneho pohonu a rýchly prenos dát pomocou rádioliniek medzi jednotlivými satelitmi. ESA plánuje čoskoro vypustiť ďalšie CubeSaty, ktoré majú technicky testovať vstup do atmosféry, ale tiež monitorovať ozónovú vrstvu, študovať slnečné žiarenie a podobne. Cieľom projektu je dostávať do vesmíru sľubné nové technológie čo najlacnejšie a čo najrýchlejšie tak, aby ich naše partnerské spoločnosti mohli potom využívať aj komerčne, uvádza na stránke ESA šéf oddelenia CubeSatov Roger Walker. ESA výrobcom kociek poskytuje aj svoje zariadenia, v ktorých môžu otestovať tepelnú či vibračnú záťaž svojich CubeSatov, a reziduálne magnetické pole, ktoré ovplyvňuje meracie zariadenia satelitu.
Veľkosť ani výbava, s akou CubeSaty opustia Zem, nemusia byť konečné. Zatiaľ čo napríklad M-ARGO, čo je skratka pre Miniaturizovaného diaľkovo riadeného geofyzikálneho pozorovateľa asteroidov, je sólo kockou zameranou na výskum asteroidov, systém RACE (Experiment stretávania autonómnych CubeSatov) testuje schopnosti jednotlivých kociek stretávať sa a dokovať na obežnej dráhe. Takáto schopnosť umožní vznik agregovaných satelitov zostavených z viacerých CubeSatov až priamo na obežnej dráhe, čo otvorilo nové možnosti ich využitia. Budúcnosť je podľa niektorých práve vo vytváraní takýchto zostáv alebo dokonca rojov miniatúrnych satelitov s rozšírenými schopnosťami.

Preplnené nízke dráhy

CubeSat Quarman vyrobený belgickým Von Karman inštitútom okamih po vypustení z vesmírnej stanice ISS 19. februára 2020. Quarmanovou misiou bolo postupne padať k Zemi a zhromažďovať údaje o fyzike návratu do atmosféry, foto ESA.

Medzinárodná databáza evidovala k 4. aprílu 2021 celkovo 1 683 vypustených nanosatelitov patriacich 74 krajinám sveta (prvými v zozname sú 8,5 kg vážiaci TUBSAT-N a 3-kilogramový TUBSAT-N1 Technickej univerzity v Berlíne, ktoré vypustili v júli 1998). Z tohto celkového počtu bolo 1 553 CubeSatov. Iba 93 nanosatelitov bolo zatiaľ zničených pri štarte. O výhodnosti ich malých rozmerov okrem iného vypovedajú rekordné počty nanosatelitov vypustených na obežné dráhy jednou nosnou raketou. Databáza uvádza ako rekord 120 nanosatelitov, ale firma SpaceX v januári tohto roku oznámila, že jej Falcon mal na palube až 143 nanosatelitov.
Hromadné lety sú výhodné pre obe strany: SpaceX si za vypustenie stredne veľkého, 200-kilogramového satelitu pýta jeden milión dolárov, pričom príplatok za každý kilogram navyše je 5 000 dolárov. Podobné lety pod označením Transporter plánuje podnikať aj naďalej. Mimochodom, len v nasledujúcich niekoľkých rokoch sa očakáva vypustenie najmenej 2 500 ďalších miniatúrnych družíc. Hoci vedecký, technický aj komerčný význam takýchto podnikov je zrejmý, odborníci varujú pred ďalším bezhlavým zapĺňaním nízkych orbít okolo Zeme šrapnelmi v podobe malých satelitov. Neexistujú žiadne všeobecne uznávané pravidlá pre bezpečnosť vesmírnych operácií a predchádzanie kolíziám, pripomenula vo svojej výročnej správe za rok 2020 NASA. Možnosť zrážok na obežných dráhach však s ich vzrastajúcim zapĺňaním narastá a je dôležité uvedomiť si, že tým narastajú aj riziká pre kozmonautov, kritické obranné schopnosti štátov a globálnu vesmírnu ekonomiku. To sú úvahy, ktoré tento nový sektor zažívajúci práve svoj boom čoskoro neminú.

R, ilustrácie a foto ESA

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 5/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre