Upratovanie okolo Zeme. Slovák navrhol model, ktorý recykluje vesmírny odpad

Začína sa biť na poplach. Na obežnej dráhe okolo našej planéty sú milióny kúskov odpadu rôznej veľkosti, ktoré boli vytvorené človekom, ale už neslúžia žiadnemu účelu. Majú potenciál ohroziť fungujúce umelé družice i pilotované kozmické lety. Mladý slovenský architekt Ivan Maťas (nar. 1990) riešil vo svojej diplomovej práci, ako tento odpad likvidovať. Svoju prácu obhájil na Technickej univerzite vo Viedni a s úspechom ju prezentuje na prestížnych svetových fórach.

Listovanie v diplomovej práci Ivana Maťasa s názvom Cleaning up the Final Frontier (vo voľnom preklade Čistenie konečnej hranice) je takmer na 200 stranách zážitkom v kvalite aj vo výpravnosti. Je to naozaj príbeh o troch vesmírnych staniciach, ako o tom aj napovedá podtitul diplomovky – Orbital Debris as a Potential Resource: The Story of Three Space Stations (Úlomky na orbite ako potenciálny zdroj: Príbeh troch vesmírnych staníc).

Medzi prvými pocitmi pri jej čítaní je asociácia na film Alfonsa Cuárona Gravitácia (2013), v ktorom je vesmírna loď zničená kúskami kozmického odpadu. „Áno, vo filme to bolo pôsobivé, ale tam to bolo zobrazené veľmi dramaticky, tak by to v skutočnosti celkom nefungovalo,“ usmieva sa Ivan Maťas.

„Existujú však vedecké štúdie, v ktorých sa píše, že ak nezačneme odoberať aspoň päť veľkých kusov ročne, už nebudeme mať šancu skontrolovať celkový nárast úlomkov. Je to reálne nebezpečenstvo a na jeho eliminácii pracuje v súčasnosti množstvo vedeckých kapacít.“

Veľké upratovanie vo vesmíre

Ako by vyzeralo veľké upratovanie okolo našej planéty? Robot sa navedie na správnu obežnú dráhu a vystopuje kus vesmírneho odpadu. Spustí navádzacie manévre, a keď sa priblíži, roztiahne štyri ramená a predmet chytí. Natočí sa k Zemi, odpad smerom k nej vypustí a ten sa spáli v zemskej atmosfére.

Jeden kus je odstránený, ostávajú tisíce a tisíce ďalších. Robot spustí motory a vydá sa k ďalšiemu predmetu. Toto je približná predstava Európskej vesmírnej agentúry (ESA), ktorá chce v roku 2025 vypustiť prvú misiu. Tá z obežnej dráhy odstráni jeden kus vesmírneho odpadu. Misia vzniká v spolupráci so švajčiarskou spoločnosťou ClearSpace.

Jej cieľom bude Vespa – stokilogramová vrchná časť rakety Vega určená na rozmiestňovanie družíc. Teleso je podľa ESA vďaka kužeľovitému tvaru vhodné na prvú misiu. Vespa by mala obiehať Zem vo výške asi 800 kilometrov. Robot ClearSpace-1 vystúpi na rovnakú dráhu, štyrmi ramenami uchopí časti rakety a navedie ju do atmosféry, kde spolu zhoria.

Zrod vesmírnej stanice

Ale naspäť k slovenskému architektovi a jeho diplomovke. „Pri jej zrode bola pre mňa dôležitá aj prednáška od Davida Nixona, anglického architekta, ktorý sa podieľal na dizajne ISS (International Space Station),“ približuje pre ASB Ivan Maťas.

„Idea vesmírnej architektúry sa mi veľmi zapáčila a povedal som si, že musím využiť túto šancu. Téma diplomovky bola totiž slobodná a stačilo si nájsť príslušného profesora – konzultanta, ktorému bola tematika blízka. Zvolil som si teda diplomovú prácu, v ktorej opisujem zrod vesmírnej stanice, ktorá by čistila vesmír.“

„Veľká časť z odpadu na orbite sú kovové komponenty súčiastky starých rakiet, ktoré sa dajú veľmi dobre recyklovať, čo je významný ekonomický aspekt, keďže dostať kilogram akéhokoľvek materiálu na obežnú dráhu stojí približne 20 000 dolárov,“ pokračuje slovenský architekt.

„V prvotnom koncepte som teda vymyslel vesmírnu stanicu na recykláciu vesmírneho odpadu. Mal to byť veľký hangár s ľudskou posádkou. Keďže som to pripravoval na univerzite s architektonickým zameraním, mal byť v návrhu zdôraznený vzťah k človeku.“

Ivan Maťas prepracoval prvotnú verziu a využil poznatky firmy Made In Space, ktorá pracuje na robotoch s kapacitou tlačiť 3D štruktúry z kovu priamo vo vesmíre. Tým by sa obišlo dôležité kritérium ovplyvňujúce vesmírnu architektúru, ktorým je veľkosť rakiet.

„Vesmírna architektúra je veľmi modulárna a každá súčiastka musí byť stavaná tak, aby sa vošla do rakety. Toto sa však dá preskočiť a môžu sa stavať väčšie objekty priamo vo vesmíre,“ zdôrazňuje Ivan Maťas.

„Cieľom stanice bolo spracovať segmenty starých nefunkčných rakiet, ktoré sa mali v hangári zošrotovať, zmenšiť a následne posielať do solárnych pecí, kde by sa pri rôznych teplotách vytriedili rôzne kovy. Tak by vznikol nový materiál, ktorý by mohli využiť roboty na tlačenie ďalších 3D štruktúr.“

Štúdia realizovateľnosti

Prvé dve verzie slovenský architekt odprezentoval ešte počas štúdia v roku 2018 na kongrese IAC-International Astronautical Congress v Bremene. Dostával „feedback“, že nápad je dobrý, ale technológia nie je ešte tak ďaleko, aby sa dala vystavať veľká stanica s hangárom, kde by sa drvili rakety.

„Okrem toho, obe verzie potrebovali veľké množstvo materiálu zo Zeme, čím sa stali ekonomicky nerentabilnými. Rozhodol som sa, že to urobím v menšom meradle a navrhnem výskumnú stanicu na vesmírny odpad. Tá by súbežne mohla začať recyklovať a zbierať materiál na výstavbu veľkého recyklačného hangára v budúcnosti,“ hovorí Maťas.

„Samozrejme, stanica by mala stálu štvorčlennú posádku, ktorá by zodpovedala za výskum materiálu. Hlavnou časťou mal byť nafukovací modul s objemom 330m³, dĺžkou 10 m a rádiusom približne 4 m. Ako predlohu som použil modul B-330 firmy Bigelow Aerospace, ktorý sa vyrába v USA a ešte tento alebo začiatkom budúceho roka by mal mať prvý štart do vesmíru.

Konzultantka diplomovky Dr.-Ing. Sandra Häuplik-Meusburger z Technickej univerzity vo Viedni bola náročná a trvala na tom, aby v návrhu všetko fungovalo a malo svoju logiku. A hoci Ivan Maťas nemal z pochopiteľných príčin kapacitu všetko prepočítavať, v koncepte to dotiahol tak, aby to čo najviac „sedelo“ aj v skutočnosti.

„Dokonca som uvažoval, v akom poradí by sa to vo vesmíre stavalo,“ vysvetľuje Ivan Maťas. „Najprv bolo treba poslať prvú ruku pre robota, aby to tam mohol skladať, súbežne by išiel hore veľký modul v nenafúknutom štádiu, kde by sa pomaly nafúkol. Následne by prišli prví členovia posádky, ktorí by modul začali dotvárať zvnútra. Potom by sa pripojil ešte jeden modul, ktorý by začal chytať odpad.“

A materiál? Ako základ si vybral už spomínaný nafukovací Modul B-330. Konštrukciu si treba predstaviť ako vrstvu 50 rôznych látok. Nechýba keramika, kevlar a ďalšie odolné a ľahké „vesmírne“ materiály. V tejto vrstve je ešte aj hmota podobná špongii, ktorá je vo vákuu veľmi tenká, ale keď sa nafúkne, zhrubne a vytvára ochranu modulu aj proti malým úlomkom vo vesmíre.

Vesmírna architektúra je bez gravitácie

„Vesmírna architektúra má svoje špecifiká a najviac ma na nej lákalo, že netreba pracovať s gravitáciou a pri výpočtoch sa dá použiť všetkých šesť strán jednej miestnosti,“ hovorí Ivan Maťas, ktorý zostrojil model v pomere 1 : 33 pozostávajúci zo sprejovaného a čistého 3D tlačeného PLA (polyesterový výrobok z rastlinných materiálov), akrylového skla a zliatych polyuretánových elementov.

„Architekt musí rozmýšľať v 3 D, lebo sa dá využiť celý objem miestnosti. Človek vo vesmíre má inú pozíciu tela a od toho sa odvíjajú aj mierky nábytku vo vesmírnom module. Treba premýšľať nad množstvom nových ergonomických a svetelných zákonitostí, ktoré fungujú inak ako na Zemi,“ hovorí Maťas.

„Tento priestor takisto nemôže byť príliš zaprataný technológiou, aby sa v ňom dalo pohodlne pohybovať a saturoval ľudské potreby. Vnútro ISS alebo vesmírnej stanice MIR je dnes už takmer klaustrofobické. Kedysi, keď misie netrvali dlho, to bolo ešte v poriadku, ale dnes, keď trvajú aj rok, musia stanice vyzerať inak,“ dodáva architekt.

Úspech v zahraničí

Diplomovka zachytáva celý proces uvažovania, ako aj dvojnásobnú zmenu celkového konceptu. Výsledkom bola veľmi pozitívna reakcia odborníkov, ktorí tvrdili, že celý priestor pre posádku bol veľmi dobre vyriešený. Zároveň odporučili doriešiť, na čo by sa vesmírny odpad ako zdroj mohol využiť.

Diplomová práca Ivana Maťasa je nominovaná na Archiprix International, kde sa predstavujú najlepšie diplomové práce, a budúci rok by mala byť prezentovaná na Technickej univerzite vo Viedni v rámci výstavy „Archdiploma“ a následne znovu na kongrese IAC, ktorý sa bude 2021 konať v Dubaji.

„Verím, že si prácu niekto všimne a že sa tak problematika vesmírneho odpadu dostane aj medzi širokú verejnosť,“ dodáva Ivan Maťas, ktorý v súčasnosti pracuje v architektonickej kancelárii bof-architekten v Hamburgu. „Vesmírna architektúra je pomaly sa rozvíjajú- ce priemyselné odvetvie, ale s veľkým potenciálom v budúcnosti.“

Vesmírny odpad

Výskyt: od 160 km do 2 000 km (nízka obežná dráha)
• približne 3 500 nefunkčných satelitov
• asi 5 400 telies väčších ako 1 m
• asi 34 000 telies väčších ako 10 cm
• vyše 130 miliónov telies väčších ako 1 mm
• rýchlosť úlomkov: okolo 28-tisíc km/h
Počet družíc: necelých 2 000 (Zdroj: SME, 10. 12. 2019)

Kesslerov syndróm

V roku 1978 americký astrofyzik Donald Kessler predpovedal, že začiatkom milénia bude množstvo kozmického odpadu exponenciálne rásť. Jeho predpoveď sa opiera o skutočnosť, že v priebehu času sa hromadí množstvo kozmického odpadu. Nefunkčné satelity ostávajú na obežnej dráhe.

Ak do nich narazí meteorit alebo kozmický odpad, nastane takzvaný kaskádový proces. Ten odkazuje na kritický bod, v ktorom bude hustota kozmického odpadu taká vysoká, že jedna kolízia zapríčiní dominový efekt ďalších kolízií.

„Toto je obrovský problém, pretože drobný kozmický odpad bude vznikať omnoho rýchlejšie, ako ho budeme schopní odstraňovať,“ dodáva Kessler pre portál techinsider.io. (Zdroj: TREND, 1. 2. 2016)

Článok bol publikovaný v časopise ASB 11-12/2020.