Slovenský astronóm bol spolu s kolegami členom misie, ktorá skúmala riadený pád sondy do vôd Tichého oceána.
Umelecké stvárnenie preletu družice programu Cluster zemskou atmosférou. Zdroj: ESA
Obyvateľov Poľska prekvapila 19. februára tohto roku na oblohe spŕška žiarivých svetiel. Nezvyčajný úkaz spôsobili časti druhého stupňa rakety Falcon 9 americkej súkromnej spoločnosti SpaceX. Niekoľko z nich vydržalo prelet atmosférou a dopadlo neďaleko mesta Poznaň na západe Poľska. Hoci nebol nikto zranený, medzi tamojšími obyvateľmi spôsobili meter dlhé obhorené kompozitné nádrže na hélium rozruch a obavy.
Ako predchádzať podobným incidentom, z akých materiálov stavať rakety, aby po skončení misií nevznikal dodatočný vesmírny odpad a aby ich odolné časti po prelete atmosférou neohrozovali živé bytosti na Zemi, vo vzduchu či vo vode? Odpovede na túto otázku hľadajú vedci aj v dátach, ktoré získavajú pri sledovaní riadených zánikov družíc.
Na misii, ktorá sledovala kontrolovaný prelet družice atmosférou a jej následný zánik, sa zúčastnila v roku 2024 i skupina slovenských vedcov. Spolu s astronómom Jurajom Tóthom a Jiřím Šilhom letel na palube tiež Stanislav Griguš, ktorý pripravuje o priebehu misie dokumentárny film. Z Veľkonočného ostrova sledoval „posledný tanec“ jednej zo štvorice družíc programu Cluster II s názvom Salsa astrobiológ Tomáš Paulech.
Tento rok zanikne ďalšia družica
Prečo družice padajú k zemskému povrchu?
Naše družice, ktoré obiehajú okolo Zeme, a obzvlášť tie, ktoré sú vo výškach niekoľko stoviek kilometrov, postupne na svojich dráhach klesajú. Je to spôsobené jednak vplyvom riedkej atmosféry a jednak gravitačným vplyvom Slnka alebo Mesiaca. Ich dráhy sa postupne približujú k našej Zemi a buď samy v atmosfére prirodzene zaniknú, alebo majú prídavné motory, ktorými dokážu pád čiastočne riadiť.
Takzvané zániky družíc, v angličtine používaný pojem reentry, sú bežnou záležitosťou. Deje sa tak od prvých družíc vypustených v 60. rokoch prakticky až doteraz.
Misia Cluster skúmala pomocou štyroch družíc, letiacich vo formácii, magnetosféru našej planéty. Zdroj: ESA
Aký je dôvod riadeného zániku družíc?
Je žiaduce, aby staré a nefunkčné satelity zanikli v atmosfére, aby nezostávali na svojich dráhach a neboli prekážkou pre ďalšie satelity, prípadne, aby nezvyšovali riziko kolízie medzi nimi.
Ako sa družica riadene zrúti? Niekto v riadiacom stredisku vypne, jednoducho povedané, gombík?
Teleso, ktoré sa pohybuje v gravitačnom poli Zeme, nemôže samo o sebe stratiť energiu, preto tam musí byť nejaký vplyv, či už trenie o atmosféru, alebo strata celkovej energie pohybu po dráhe a vtedy začne postupne klesať nižšie do hlbších a hustejších vrstiev atmosféry.
Vo výškach okolo sto kilometrov, keď teleso dosiahne spomínanú vrstvu hustej atmosféry, dochádza k zániku družice. To znamená, že nestihne spraviť obeh okolo planéty, ale sa vnára hlbšie do atmosféry a pri vysokom trení dochádza k rozpadu, zahrievaniu, taveniu družice a ak nezhorí celá alebo jej časti, tak dopadá balistickým pádom na Zem.
Keďže nie vždy družice zaniknú v atmosfére a najpevnejšie a najodolnejšie časti dopadajú na zemský povrch, predstavuje to isté riziko pre ľudské aktivity na Zemi i vo vzduchu. Na našom pracovisku preto riešime pod vedením dr. Šilhu, môjho kolegu a bývalého študenta, aj problematiku toho, čo nám zaniká a ako to zaniká, aby sme modely opisujúce tieto zániky, ktoré už máme, mohli vylepšiť alebo spresniť.
Misia, na ktorej som sa minulý rok zúčastnil, bola zameraná presne na to, aby sme naše modely zániku družíc konfrontovali s pozorovaniami a vylepšili ich, aby sme vedeli predpovedať, koľko hmoty, aká časť zostane ešte v celku a dopadne až na pevninský alebo oceánsky povrch.
Začiatkom septembra 2024 ste sa zúčastnili na zaujímavej misii. Sledovali ste riadený zánik družice Salsa. Pôvodne išlo o zoskupenie štyroch družíc. Aká bola ich úloha vo vesmíre?
Misia Cluster II je unikátna v tom, že ide o systém štyroch samostatných a identických družíc, ktoré boli vypustené pred viac ako 20 rokmi Európskou vesmírnou agentúrou (ESA). Skúmajú vzťah medzi Slnkom a našou magnetosférou, skúmajú teda takzvané vesmírne počasie. Nabité častice pochádzajúce zo Slnka dopadajú do zemskej magnetosféry a vplývajú na zmenu magnetického poľa, vznik polárnych žiar aj možného ohrozenia infraštruktúry na Zemi. Pri veľmi silných magnetických búrkach dochádza k indukcii náboja napríklad na dlhých vedeniach potrubí, elektrických sieťach a podobne.
Štart rakety 16. júla 2000 z kazašského kozmodrómu Bajkonur. Na palube je umiestnená štvorica sond: Salsa, Tango, Samba a Rumba. Zdroj: ESA
Po viac ako 20 rokoch sú už družice zastarané, čo bola práve príležitosť sledovať zánik jednej po druhej, aby sme konfrontovali naše modely. Väčšinou sú družice rozdielne, preto musíme modely konkrétne prispôsobovať. Pri jednotlivých zánikoch každej z nich sa teraz ale vieme opakovane niečo naučiť.
Tento rok má zaniknúť aj ďalšia a v roku 2026 zvyšné dve. Keby sa nám podarilo odpozorovať sériu týchto zánikov, vylepšovať stále modely, mali by sme aj do budúcnosti v rukách kvalitný nástroj, ako lepšie predpovedať zániky družíc.
Ako ste sa zapojili do expedície? Bolo potrebné sa prihlásiť alebo vás oslovila samotná ESA?
ESA požiadala firmu Astros Solutions, čo je akýsi spin-off Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Na starosti ju má kolega Jiří Šilha, ktorý sa zaoberá touto problematikou. Spolu s touto firmou oslovil ďalších partnerov v Nemecku, Austrálii a nás na fakulte, aby sme pomohli s pozorovaním a aby sme dodali získané dáta do ESA.
Lietadlo malo zatemnené okná
Vedeli ste presný čas a presné miesto dopadu?
Išlo o semiriadený pád. To znamená, že paliva nebolo v družici nazvyš, ale pár týždňov pred samotným zánikom došlo ku korekcii dráhy a potom sme už len sledovali oblety družice. Mala viac ako 50-hodinovú periódu a pomerne výstrednú excentrickú dráhu okolo našej planéty. K Zemi sa približovala na vzdialenosť rádovo okolo 150-200 kilometrov, ale jej apogeum – najvzdialenejší bod dráhy – bolo až vo vzdialenosti viac ako 100 000 kilometrov od Zeme.
Pri preletoch hustejšími vrstvami atmosféry dochádzalo k postupnému brzdeniu, čo výrazne závisí od stavu atmosféry, ktorá je formovaná aj slnečnou aktivitou, a tento faktor nevieme presne predpovedať. Až po následnom prelete družice sme mohli vidieť, aká je zmena na daných telemetrických dátach v komunikácii s družicou cez rádiový signál a aká je jej presná poloha, ako sa zmenila jej dráha. Potom sme následne mohli výpočtami povedať, aká bude jej trajektória o 50 hodín a kde presne nad Zemou nastane zánik.
Mali sme nejakú oblasť, ktorá sa v rámci našej možnosti doletu lietadla pohybovala. Posledné upresnenie bolo deň pred samotnou misiou, na základe ktorého sme presne na sekundy vedeli čas a lokalitu na úrovni kilometrov až málo desiatok kilometrov, kde bude zánik.
Ako vyzerá pozorovanie z paluby lietadla?
Problém bol trochu v tom, že sa pozorovanie dialo počas dňa nad južným Tichým oceánom. Táto oblasť nie je tak husto obývaná. Ako základňu sme používali Veľkonočný ostrov, odtiaľ sme vylietali a zhruba 2000 kilometrov sme sa museli prepraviť do oblasti, kde bola možnosť pozorovať zánik družice.
Keďže zánik družice trvá niekoľko desiatok sekúnd, ide o relatívne časovo obmedzené pozorovanie. Osobne mám skúsenosti z dvoch iných leteckých expedícií. Nepozorovali sme síce zánik umelého telesa, ale zánik meteorov – prirodzených telies – v atmosfére.
V roku 2011 išlo o roj Drakonidy a v roku 2022 tau Herkulidy – bolo to pozorovanie v noci. Práve z tohto sme vychádzali, ale, samozrejme, sme museli adaptovať prístroje – kamery, väčšinou zobrazovacie, prípadne nejaké spektrálne kamery alebo špeciálne upravené kamery na sledovanie zániku telesa –, aby sme počas dňa videli aj samotné teleso.
Okienka boli obsadené kamerami z jednej strany, keďže lietadlo letelo určitým smerom, počas letu sa nakláňalo, stáčalo a sledovalo zánik družice na jednej strane svojho pohľadu. Na to sme sa pripravovali niekoľko týždňov až mesiacov. Ešte pred odletom zo Sydney, kde sme mali hlavný stan, sa prístroje prispôsobovali, inštalovali, testovali. Potom sme preleteli na miesto, odkiaľ sme pozorovanie vykonávali.
Išlo o niekoľkomesačnú prípravu, pričom samotné pozorovanie trvá rádovo minútu alebo niekoľko desiatok sekúnd. Potom nasleduje fáza spracovania dát a dodanie výsledkov do ESA, čo sa zase naťahuje na niekoľko mesiacov, kým výsledky spracujeme.
Aké veľké bolo lietadlo?
Bolo to malé lietadlo s kapacitou pre približne desať ľudí. Išlo o prúdové lietadlo, ktoré dokázalo vyletieť do výšky okolo 14 kilometrov a mať dolet päťtisíc kilometrov. Na palube bolo do desať ľudí vrátane pilotov a šéfa ESA, zodpovedného za zániky týchto telies.
Videli ste pád družice na vlastné oči, keď boli okienka obsadené kamerami?
Nie. Ani jeden z nás. Maximálne spomenutý vedúci bol v kokpite s pilotmi a sledoval zánik, ale tým, že to bolo ešte ďaleko, bolo to ťažké zachytiť očami a ani on to nakoniec nevidel. My sme len na základe výpočtov mierili kamerami do oblasti, kde malo k zániku dôjsť.
Členovia misie, ktorá pozorovala riadený zánik družice Salsa. Na fotografii (zľava) Juraj Tóth, Tomáš Paulech, Jiří Šilha a Stanislav Griguš. Zdroj: FMFI UK
Očakávali sme, že to na monitoroch uvidíme, ale uvideli sme to až neskôr, až keď sme záznam prehrali a spracovali. Bolo to teda dosť naslepo. Ešte aj okienka sme museli mať trochu zatemnené, lebo počas dňa sem prenikalo svetlo a mohlo by vytvoriť v kamerovom zázname nežiaduce odrazy. Osobne sme zánik družice teda nevideli, len sme sledovali monitory.
Muselo sa pádu zanikajúceho telesa prispôsobovať aj lietadlo z dôvodu dobrého výhľadu?
Táto konkrétna družica sa počas zániku pohybovala rýchlosťou 11 kilometrov za sekundu, pričom za minútu bola schopná preletieť tisíc kilometrov. Aby sme mohli sledovať čo najdlhšiu časť jej dráhy, vymysleli kolegovia z Austrálie manéver, pri ktorom lietadlo neletelo priamo, ale urobilo výkrut. Bolo to trošku ťažké vzhľadom na orientáciu a tiež na fungovanie prístrojov, ale podarilo sa nám družicu odsledovať.
Osobne by som preferoval, keby sme k nej boli oveľa bližšie a videli väčšie detaily, ale kolegovia, ktorí boli za to zodpovední, chceli vidieť čo najväčšiu časť jej trajektórie.
Niektoré časti družice sa neroztavili
Zostávajú vám ešte tri ďalšie pokusy. Chystáte sa pozorovať riadené pády aj zvyšných družíc?
Áno, máme to v pláne. Druhá v poradí by mala zanikať v októbri tohto roku a zvyšné dve na prelome augusta a septembra 2026. Čiastočne to závisí aj od vyhodnotenia tejto prvej misie, aj od financií a záujmu ESA. Zatiaľ to vyzerá, že je záujem odsledovať, ak nie všetky udalosti, tak aspoň niektorú z nich. Takže sa ďalej pripravujú projekty, aby sa mohlo letieť na podobnú misiu.
Od pozorovania pádu uplynulo niekoľko mesiacov. Čo sa bude ďalej diať so získanými dátami?
Naše pozorovania, či už polohy, času alebo vývoja mraku fragmentov, alebo samotnej družice, ktorá sa postupne v atmosfére rozpadávala, si vieme konfrontovať s prvotnými modelmi, ktoré sme mali k dispozícii. Kolega Jiří Šilha už v rámci ESA a v rámci výboru pre mierové využitie vesmíru prezentoval predbežnú analýzu našich výsledkov.
Konfrontujeme si nové údaje s už existujúcimi a výsledky pozorovania nám približne sedia s modelom, čo je to dobrá správa pre modelovanie. Zároveň ale potrebujeme analyzovať aj nejaké jemné nuansy, aby sme dodali detailnejšiu informáciu, či je model konzistentný s pozorovaním alebo sú tam odchýlky, kolegom, ktorí to modelovali. Na to sa chystáme v najbližších mesiacoch.
Aké poznatky ste získali?
Model zahŕňa fyziku preletu atmosférou a zároveň v sebe obsahuje aj model samotnej družice, čiže z ktorých komponentov sa skladá, a predpovedá, v akom čase sa jednotlivé komponenty uvoľnia a vytvoria, či už oblak malých častíc, alebo väčšie fragmenty. Z týchto predbežných výsledkov to vyzerá tak, že najväčšie kusy nám celkom sedia do modelu. Pozorovanie to potvrdzuje. Dochádzalo ale aj k viacnásobným rozpadom, ktoré už model úplne nevystihoval, no u nás sú viditeľné. Toto sú predbežné výsledky a zároveň nové informácie, ktoré v tom zázname vidíme.
Niektoré časti družice sa neroztavili? Čo sa z nich zachovalo?
Závisí od materiálu, z ktorého sú jednotlivé časti vyrobené. Napríklad sférické, guľovité nádrže na palivo sú najodolnejšie a vyzerá to, že buď všetky, alebo niektoré z nich prežili prelet a dopadli do oceánu. Toto má byť tiež jeden z výsledkov: či prelet atmosférou prežila jedna alebo viaceré.
Lepšie chápeme interakcie medzi časticami slnečného vetra a magnetosférou
Prečo je potrebné skúmať pády a zániky družíc?
V súčasnosti nám pribúda veľké množstvo nových družíc, obzvlášť v rámci takzvaných megakonštelácií, ktoré sú zamerané na globálne internetové pokrytie na Zemi. Ide napríklad o Muskove Starlinky alebo iné konštelácie, ktoré nám niekoľkonásobne zväčšujú počet družíc na obežnej dráhe. To znamená, že bude viac zánikov a s vyššími počtami sa dostávame do vyšších pravdepodobností, že aj úlomky zo zanikajúcich družíc môžu dopadnúť na Zem.
Pozorovanie zániku družice Salsa 8. septembra 2024 nad Tichým oceánom pri jej vstupe do atmosféry z paluby výskumného lietadla kamerami FMFI UK. V hornej časti snímky je vidno Mesiac. Zdroj: FMFI UK
Ide vyslovene o bezpečnosť, aby sme vedeli dopredu povedať, ako musíme družicu dizajnovať, aby pri početných zánikoch v atmosfére neohrozovala ľudí na Zemi, v lietadlách alebo prípadne na mori.
Budú vedecké výstupy k dispozícii aj vývojárom alebo firmám v rámci astropriemyslu?
V rámci ESA je veľmi silné prepojenie na vesmírny priemysel, kde firmy vyrábajú alebo konštruujú samotné družice. Ony musia tiež spĺňať bezpečnostné atribúty. ESA sa napríklad zaviazala znížiť odpad z družíc na nulu (takzvaný Zero Debris), čiže je snaha konštruovať družice tak, aby firmy splnili normy a limity, aby bolo ohrozenie minimálne. Vedecké pozorovanie sa teda prostredníctvom modelov, administratívy alebo legislatívy dostáva do praktického života stavby družíc.
Čo sa stane s družicou Salsa? Zdroj: Youtube/ESA Space Science Hub
Ako spätne hodnotíte pôsobenie misie Cluster II?
Misia Cluster II bola veľmi úspešná, dodala okolo 3000 vedeckých článkov, ktoré boli na základe týchto dát publikované. Prispela k lepšiemu pochopeniu interakcie medzi časticami slnečného vetra a našou magnetosférou. Ďalšie podobné družice sa buď pripravujú, alebo už sú na mieste. Aj preto ich ESA vedela stiahnuť, keďže nadsluhovali dlhé roky.
(RR)
