Z garáže do vesmíru

V posledním desetiletí se v obecném povědomí zabydlely termíny jako „kosmická turistika“ nebo „soukromá kosmická loď“. Blíží se snad doba, kdy si konečně budeme moci místo limuzíny pořídit výletní kosmickou loď? Nebo alespoň ubastlit na zahradě vlastní orbitální raketu? Krátká odpověď: tak daleko ještě nejsme. Delší odpověď: je třeba začít malým srovnáním.

Je dobré si připomenout, že u počátků kosmonautiky stálo z velké části právě amatérské nadšení. Sama idea, že by se do vesmíru dalo létat raketami, byla dlouho brána jako lehce kuriozní. Konstantin Ciolkovský pracoval jako učitel, disertační práce Hermanna Obertha byla odmítnuta. I mezi staviteli prvních raket na kapalná paliva byli amatéři věnující vlastní čas, peníze a někdy i život. I Wernher von Braun začínal v tzv. Verein für Raumschiffahrt (VfR) – Sdružení pro vesmírné lety. Jakmile se však začaly rýsovat (převážně vojenské) aplikace velkých raket a kosmonautiky, nemohli už amatéři prostředkům dostupným profesionálům konkurovat.

Když začaly být na konci 50. let minulého století vynášeny do vesmíru první družice a za několik let poté je následovali lidé, byla to již jednoznačně záležitost velkých vládních agentur, armády a nejvyspělejších výzkumných institucí. Ono povědomí o kosmonautice jako o něčem genius-high-tech se třeba v angličtině drží i ve rčení o věcech, které jsou – na rozdíl od kosmického výzkumu – pochopitelné i smrtelníkům: „Well, it is not a rocket science!“ Kosmonautika byla jedním z hlavních tahounů vývoje vědy i technologií.

Od doby prvních kosmických letů však uplynuly desítky let.

Když byla v roce 1996 vyhlášena soutěž X-Prize o 10 milionů dolarů, kdo jako první soukromý subjekt na světě postaví stroj schopný vynést opakovaně turistu na suborbitální skok do výšky 100 km a zpět, přihlásilo se dvacet šest týmů!

Přestože většina projektů nakonec příliš nevykročila z papíru, některé týmy s většími prostředky se ukázaly jako schopné otestovat motory odpovídající motoru druhoválečné rakety V-2 (Canadian Arrow) nebo postavit raketová „létadla“ podobná zmenšenému měsíčnímu modulu Apolla (Armadillo Aerospace). Nakonec v roce 2004 zvítězil tým Scaled Composites legendárního konstruktéra Burta Rutana. Jejich řešení raketového stroje SpaceShipOne neseného výškovým letounem se konceptem (ne rychlostmi) podobá letům letounu X-15, testovanému v NASA na hranici vesmíru o čtyřicet let dříve. Scaled Composites však k úspěchu potřebovalo několikanásobek hodnoty výhry.

Německý inženýr Lutz Kayser v 80. letech minulého století při pokusu postavit čistě soukromě orbitální nosič OTRAG ještě neuspěl. Dnes už dvě komerční společnosti (SpaceX a Orbital Sciences) vozí vlastními loděmi na vlastních raketách náklady na Mezinárodní kosmickou stanici. Okamžik, kdy kosmonauti usednou do první pilotované „soukromé“ kosmické lodě, je pravděpodobně vzdálen jen pár let. To, co před půl stoletím dokázaly jen projekty celého státu, je dnes možné na soukromé bázi.

To je však stále „velká“ kosmonautika s velkými výzvami, velkými týmy a velkými penězi. Nic pro partu nadšenců v garáži.

Jedna oblast, kde se mohou v kosmonautice „fyzicky“ realizovat i amatéři, však existuje – jsou to družice.

Potíže s amatéry

Alespoň „papírově“ amatéři už mnoho let staví malé radiokomunikační družice – OSCAR 1 letěl jen čtyři roky po prvním Sputniku a jeho následovníci, většinou vyrobení pod sdružením AMSAT, jsou vypouštěni jednou dvakrát za desetiletí. Velká část lidí zapojených v těchto projektech jsou amatéři jen s přivřenýma očima – buď pracují souběžně na kosmických projektech univerzit, nebo pocházejí z různých velkých agentur a firem. Projekty AMSAT se zaměřují na radioamatéry a na jednu stranu velikost organizace zajišťuje přijatelný přísun lidí i prostředků, ale prosadit nějaké velmi netradiční řešení nebo experiment není jednoduché.

Hlavní potíž je v tom, že pro velmi malé družice není praktické zařizovat samostatný start. Cena za kilogram nákladu vyneseného na oběžnou dráhu dramaticky stoupá s klesající nosností rakety. Nosiče na méně než cca 500 kg nákladu se tak nevyplatí stavět. Na druhou stranu jen zcela výjimečně je nosná kapacita rakety zcela dokonale vyčerpána. Amatérské (i jiné menší) družice proto bývají vypouštěny – stejně jako např. československé Magiony – jako „spolupasažéři“ větších družic. Ty však mívají výrazně větší cenu. Jejich provozovatelé tedy nemusí být vůbec nakloněni riskovat, že by například uvolněná součástka, zkrat nebo radiové rušení ze spolucestující družice od nějakého neznámého týmu mohla ohrozit jejich „hlavní“ družici. Dostat malou družici na oběžnou dráhu je pak problém nejen stavby a peněz, ale i nalezení důvěryhodné autority, která by se zaručila za to, že nějaký amatérský projekt nezničí misi za miliardu dolarů. Pro malé týmy je to prakticky nemožné množství testů i papírování.

Existuje však zajímavé řešení problému, jak se pro vývoj družic organizačně osamostatnit.

CubeSat – malé velké družice

V roce 1999 vznikla spoluprací Kalifornské polytechniky a Stanfordovy univerzity specifikace malých družic o hmotnosti 1, 2 nebo 3 kg (v zažité terminologii jde o „pikodružice“). Základní „kostka“ – odtud CubeSat – má rozměry 10x10x10 cm s určeným tvarem „ližin“ na hranách.

To by samo o sobě nebylo příliš objevné. Hlavní výhodou je standardizované pouzdro (P-POD), které umožňuje vypustit až tři „kostky“. Spolu s několika bezpečnostními pravidly (například, že CubeSat musí být při startu vypnutý) je pak mnohem jednodušší jednání s provozovatelem hlavního nákladu. Ten nemusí řešit potenciální problémy s každou jednotlivou pikodružicí, ale prakticky jen odsouhlasí (nebo ne) jeden čí více dostatečně „bezpečných“ P-PODů, které už mají integraci s daným nosičem obvykle vyřešenou. Některé typy testů (vakuové, vibrační) jsou pro pikodružice sice stále potřebné, ale celková jednací a administrativní práce je neporovnatelně jednodušší, protože tým stavící pikodružici jedná především s provozovatelem P-PODu.

Postupně vznikly různé mutace tohoto systému (např. dnes je pro základní CubeSat povolená hmotnost zvýšena na 1,33 kg). Existují i odvozené varianty pro družice větší i menší, např. 5x5x5 cm „femtodružice“ PocketQub nebo úprava CubeSatu jako nosiče ještě menších „femtodružic“ (komunitně financovaný projekt KickSat). Základní princip, tedy zjednodušení předstartovní certifikace, ale zůstává stejný. Díky této standardizaci bylo možné vypustit několik CubeSatů i z Mezinárodní kosmické stanice, kde jsou požadavky na bezpečnost ještě vyšší než u běžných družic. Celkově už byla od prvního startu v roce 2003 CubeSatů vypuštěna dobrá stovka.

Věda a technologie v malém

Mohou být ale tak malé družice vůbec k něčemu? Kupodivu se ukazuje, že ano.

Prvotním impulsem bylo především najít způsob, jak by si studenti technických univerzit „sáhli“ na skutečné družice, a většina CubeSatů jsou v podstatě „lepší Sputniky“. Koncept se však ukázal tak plodný, že ho začaly využívat i firmy (např. Boeing) nebo vojenské projekty pro testování různých nových družicových systémů. Překvapivě zajímavé se ukázaly i pikodružice vědecké.

Lze na nich provádět některá předběžná měření jevů, které jsou ještě „neověřené“. Pikodružice už byly postaveny pro pokusy zachytit magnetický „šum“ zemětřesení, pro sledování kosmického záření, světélkování vysoké atmosféry Země nebo sledování gama mikrozáblesků z bouřek. Lze jimi testovat i zdánlivě triviální ale málo prozkoumané věci, jako efektivní rozkládání lehkých konstrukcí nebo dynamiku dlouhých lan na oběžné dráze.

Mají pochopitelně svá omezení – z kamery za objektivem o průměru 5 cm z principiálních důvodů nelze dostat stejné rozlišení a citlivost jako ze špionážní družice nebo Hubbleova dalekohledu. Na druhou stranu, některá měření mohou využít možnosti vypustit mnoho družic najednou, kdy každá slouží jako samostatný, ale simultánní „senzor“ a např. mapování zemské ionosféry tak získává zároveň na prostorovém i časovém rozlišení. Takové „sady“ stejných družic se používají, zatím jako dvojice až čtveřice. Kdyby jich však bylo k půlstovce, jak plánuje (polo-soukromý) projekt QB50…

Experimentuje se (se smíšenými výsledky) i s využitím zcela obyčejných součástek, například jemně očesaných chytrých telefonů jako řídících počítačů. Risk u družice za stamiliony nemyslitelný, u pikodružic přijatelný – cena za „radiačně odolné“ čipy je běžně tisícinásobná oproti obyčejným. Souběžně se však vyvíjejí i „high-tech“ miniaturizované technologie speciálně pro piko/femtodružice včetně téměř mikroskopických iontových motorů. Jedna z prvních úspěšných solárních plachetnic, Nanosail-D2, byla vypuštěna jako 3 kg CubeSat. V návrhu jsou i družice testující různé přístupy k likvidaci orbitálního odpadu.

Mezi pikodružicemi je nadstandardní množství selhání. Čtvrtina až polovina vypuštěných má malé nebo velké potíže, podle toho, jak striktně je hodnocen „úspěch“. Poměrně rychlý a levný vývoj pikodružic však umožňuje svým způsobem návrat k přímočarému a novátorskému přístupu z dřevních dob kosmonautiky:

„Vymyslíme, postavíme, vypustíme…, uvidíme.“

Bez škol i bez peněz

Pro stavbu malé družice je dnes potřeba především lidský čas (počítáno v tisících, ale spíše desítkách tisíc člověkohodin), know-how (v relevantních suboborech minimálně na vysokoškolské úrovni, byť třeba získané samostudiem) a peníze (i bez plateb za lidskou práci jde minimálně o stovky tisíc Kč). Tady mají univerzitní projekty velkou výhodu: čas studentů lze získat bakalářskými, diplomovými a disertačními pracemi, know-how udržují vedoucí a školitelé a peníze rozložené na několik let lze získat částečně z provozních prostředků, částečně (se štěstím) z grantů. Pokud máte k dispozici 1-2 miliony Kč, existují už i základní CubeSat stavebnice, které stačí jen upravit pro daný účel.

Také je ale zapotřebí zajistit vypuštění družice. Standardní cena za vypuštění 1kg družice typu CubeSat je dnes 1,5-2 miliony Kč. Jen málokterá instituce (i v bohatších státech) takové prostředky může zajistit jen tak „z vlastní kapsy“, tím spíše je to potíž pro amatérské nadšence. Granty speciálně pro vypuštění družice se trochu paradoxně získávají hůře než pro stavbu samotnou. Naštěstí vzdělávací projekty mají poměrně velkou podporu kosmických agentur (minimálně ESA a NASA). Jednou za několik let se tak naskýtá možnost „vyhrát“ vynesení zdarma nebo „se slevou“. Méně časté bývají možnosti posadit družici na inaugurační start nějakého nového, nevyzkoušeného raketového nosiče – na vlastní riziko, pochopitelně.

Tady je však pro čistě amatérské týmy jistá potíž: pravidla drtivé většiny grantů i soutěží o „volná místa“ stále ještě vůbec nepočítají s tím, že by projekt družice mohl nebýt spojen s nějakou vzdělávací nebo výzkumnou institucí či s firmou. Pro zajištění stavby i vypuštění tak krom dodatečného zapojení univerzit do projektu pro týmy, které chtějí zůstat zcela „nezávislé“, zbývají soukromé prostředky. Ty (krom výjimečných mecenášů) lze v principu získat formou sponzoringu od velkých firem, nebo formou komunitního financování. To se naštěstí ukazuje jako potenciálně poměrně mocný nástroj a skutečně dobré – a dostatečně známé – projekty mají šanci vybrat dostatek prostředků.

Hlavním nebezpečím pro amatérské kosmické projekty však nejsou nutně peníze.

Družice, která nevznikla

V roce 2004 místní skupina „internetových“ nadšenců do kosmonautiky usoudila, že po delší době nazrál čas pro českou družici. Formát CubeSat se přímo nabízel pro pokus o její stavbu na čistě amatérské a otevřené bázi. Tak vznikl projekt czCube (jehož jsem měl možnost se od samého začátku účastnit). První idea byla prostá – postavit družici z jednoduchých dílů na základě „inzerátu“ na jednotlivé subsystémy, kdy celková cena za družici neměla překročit 50 000 Kč. To se ukázalo jako nereálné velmi brzy.

Po prvním malém vystřízlivění se tým (tvořený převážně studenty a absolventy různých technických škol) rozesetý po republice začal věnovat vývoji poněkud reálněji. Začala vznikat hrubá koncepce družice a první nesmělé pokusy o vývoj jednotlivých dílů. Tady se ukázal první problém – bylo mnoho nadšených návrhů řešení, ale bylo složité „nařídit“ jednotlivým lidem, jak je navzájem sladit. V projektu také zůstalo navrženo příliš mnoho experimentů – původně měla družice (za ideálních podmínek) testovat hned dva různé pohony – elektromagnetický tether a solární plachtu. I když nejde o nemožné věci (elektromagnetický tether na CubeSatu byl navržen vícekrát a solární plachta srovnatelných rozměrů letěla v roce 2010), spolu se snahou udělat i vše ostatní zároveň „pokročilé“ i „blbovzdorné“ to vývoj dále komplikovalo. Řídit dobrovolnou činnost deseti a více nezávislých lidí na stavbě družice se i pro velice schopné „tahouny“ ukázalo jako úkol srovnatelný s pokusem naučit náhodnou smečku koček chodit ve trojstupu.

Standardní metody projektového řízení se ukázaly jako nepoužitelné, ani bodové (nakonec i menší finanční) úkolové „odměny“ a „tresty“ u dobrovolné práce nefungují. Pokud se dobrovolníkovi přestane chtít, je z povahy věci téměř nemožné ho k činnosti donutit. Je jedno, že nějaká komponenta je z 80 % hotová, pokud byla z 80 % hotová už předloni a autor se k dílu dále nezná… Jako oživení částečně působily kontakty s jinými CubeSat týmy a pokusy zapojit se do soutěží ESA.

Přesto vznikaly průběžně zajímavé výstupy – například „inteligentní“ palubní systém schopný se pravděpodobně vyrovnat se selháním prakticky jakékoliv komponenty nebo velmi komplexní simulátor družice, schopný simulovat nejen dynamiku pohybu družice (včetně zbytkových sil atmosféry a tlaku slunečního záření), ale i její vnitřní systémy až do úrovně simulace běhu skutečných řídících algoritmů. Mnohé další – i s odstupem několika let a srovnání s jinými CubeSaty zajímavé – nápady (například „bezmomentová“ magnetická komora, která by umožnila otestovat nejen magnetické senzory družice, ale i reálnou „odpověď“ magnetického řídícího systému, nebo „dvojitý“ rádiový systém včetně poměrně krkolomně sehnaných komponent) zůstávaly v tu větším, tu menším stupni dokončenosti.

Projekt se začal vléct (někteří členové týmu mezitím stačili dostudovat nebo založit rodinu), a tak bylo rozhodnuto zapojit do projektu přece jen i „neamatérské“ univerzity. Student pracující na bakalářské nebo diplomové práci je přeci jen poněkud předvídatelnější… Zřejmě však bylo pozdě.

V roce 2010 bylo rozhodnuto pokusit se prokazatelně dokončit alespoň něco – pozemní komunikační stanici. To se skutečně podařilo a stanice (i s webovým rozhraním na czcube.org) stále funguje a je ještě průběžně vylepšována. Ovšem pokus o stavbu první české amatérské družice tím fakticky skončil.

Projekt czCube svého času vzbudil poměrně nezanedbatelný zájem médií. Minimálně některé pozdější projekty (v současnosti běžící převážně na univerzitách) v ČR a na Slovensku přiznávají inspiraci pro vlastní družice i poučení z nedokončení czCube. Snad všichni, kdo se projektu účastnili, mohou říci, že je to naučilo leccos o (jen zdánlivě triviálních) problémech kosmonautiky.

Jak neztratit elán

Proč projekt czCube ve svém hlavním cíli selhal? Základní odpověď je podle mě poměrně jednoduchá: Složitý projekt stojící především na nadšení lidí si ukousl příliš velké sousto a trval příliš dlouho.

Pro jakýkoliv náročnější úkol na dobrovolné bázi je naprosto nezbytné mít občas dílčí úspěch. Něco, co se dá oslavit, něco, po čem se je možné alespoň mezi sebou poplácat po ramenou. Dobrovolný projekt může být užitečný, ale musí hlavně bavit! Jen „setrvačností“ po řekněme dvou a více letech dokážou udržet vůli obětovat projektu stejné úsilí jen ti nejoddanější – a to je málo.

Je potřeba mít i možnost pracovat spolu najednou na jednom místě. Pokud má vzniknout něco fyzického, žádná dálková komunikace nemůže nahradit dílnu, kde na jedné věci souběžně kutí několik lidí.

Pokud projekt není podpořený takovými finančními injekcemi, aby se na něm dali lidé přímo zaměstnat, odhadovaný potřebný čas je dobré vynásobit nejméně deseti. Když panuje pocit, že „když se do toho trochu dáme“, bude to-a-to hotovo za měsíc, je takový subprojekt reálný kandidát na slavnostní milník dokončený do roka. Nemá smysl si lhát do kapsy.

Speciálně u „garážové kosmonautiky“ je snadné přecenit svoje síly. „Hloupý Sputnik“ sice nezní příliš sexy, ale na pokročilé nápady může být čas příště. Věc, která má spolehlivě, bez možnosti fyzického servisu, fungovat a komunikovat na oběžné dráze, je stále ještě výzva sama o sobě. I první družice institucí, které dnes pracují na pikodružicích se složitými experimenty, začínaly na hloupých kostkách s webkamerou.

Balóny do stratosféry: vesmír to není. Ale…

Stále je tu riziko, že se při vývoji družice dlouho nezadaří nic tak zajímavého, aby to zainteresovaným připomnělo, že jejich práce má smysl. Oblíbeným sportem amatérů se však v poslední době stává v určitém ohledu „mezikrok“ k vesmíru – lety na stratosférických balonech. Samotný balon o nosnosti jednotek kilogramů do stratosféry se dá pořídit už za několik tisíc korun a prakticky jediná povinnost při vypuštění je včas se slušně dovolit řízení letového provozu.

Byť se v médiích občas objevuje, že jde o lety „k hranici vesmíru“, má stratosféra ke kosmickým podmínkám stále velmi daleko. Některé věci (komunikace na dlouhé vzdálenosti nebo práce elektroniky v nezvyklých teplotách a tlacích) jsou ale i tak v lecčem poučné a vypouštění „polodružic“ na balónech je tedy oblíbený sport i mezi staviteli malých družic. Selhání zařízení v takovém „předprojektu“ je na rozdíl od orbitálního letu lekcí velmi lacinou. Přitom i při letu na stratosférických balónech už se dají dělat zajímavé (a dokonce i užitečné) experimenty.

A především, mohou dodat potřebnou špetku hrdosti a potěšení.

Vlastní raketou? Na oběžnou dráhu ne.

Nabízí se otázka, jestli je alespoň trochu reálné vypustit vlastní zařízení do vesmíru svépomocí, nezávisle na velkých společnostech.

Co se družic týká, zatím určitě ne. Existují návrhy jednoduchých raket o hmotnosti několika tun s nosností cca jednoho CubeSatu. I u nás kdysi byla vypracována menší studie amatérského nosiče MINOR (MInimální NOsná Raketa), ale jako všechny zůstala na papíře. „Malé“ orbitální nosiče jsou pro amatéry zatím příliš velké…

Poněkud lepší je to u balistických skoků sondážních raket, kdy je možné ochutnat kosmické podmínky alespoň na pár minut. Tady už se nejvyspělejší amatéři vesmíru dotkli – raketa amerického sdružení CSXT dosáhla v roce 2004 výšky 115 km. Balistické skoky do podobných a větších výšek provozují spolu se stratosférickými balóny jako příležitost hlavně pro studenty i velké kosmické agentury, v ESA je to program REXUS/BEXUS.

Časem zřejmě přibude možnost testovat zařízení podobným způsobem i na prostředcích pro turistické suborbitální lety. I tam ale půjde pravděpodobně o částky se čtyřmi nulami (v dolarech). Pro amatéry to bude zajímavé asi jen výjimečně.

Pravda, amatéři se snaží i o ještě náročnější úkoly, než je stavba fungující družice. I když na oběžnou dráhu amatérští raketýři zřejmě ještě nějaký pátek nedosáhnou, dnes už je (alespoň někde) možné pošilhávat po stavbě raket s posádkou! Například dánští Copenhagen Suborbitals (kteří se stále sami označují za amatéry, i když jde o velký a dobře organizovaný tým) už testují stroje, které by člověka na malý skok k hranicím vesmíru vynést mohly. Je možné, že v historicky ještě dohledné době z plošiny v Baltském moři odstartuje raketa s prvním amatérským kosmonautem. Snad nebude muset (jak byl původní plán) letět vestoje, aby se do rakety vešel…

Pracovití snílci a vizionáři

Dosáhnout na technickou úroveň už zavedených profesionálů je pro amatéry obtížné bez ohledu na dobu a obor. Mohou se však uchýlit tam, kde jsou si vzdělaní amatéři a profesionálové téměř rovni: do budoucnosti.

Jeden z prvních poměrně použitelných nápadů jak přistát na Měsíci pochází od British Interplanetary Society. Stejně tak projekt Daedalus z roku 1978, studie mezihvězdné (!) sondy s termojaderným pohonem, se propracovaností naprosto vyrovná futuristickým návrhům velkých agentur. Celosvětovou komunikaci pomocí družic na geostacionární dráze předpověděl Arthur C. Clarke (v té době radarový instruktor a začínající spisovatel).

Větších i menších organizací, kde i dnes jsou hlavy otevřené vesmíru vítány, je mnoho, i v ČR jich působí několik. Sám jsem se jako člen českého Kosmo Klubu mohl přesvědčit, že i malé amatérské postřehy, jak by se daly vylepšit budoucí marsovské základny nebo balónové sondy do atmosfér plynových obrů, mohou sklidit pozornost i na mezinárodní konferenci. Každý rok se také pořádají soutěže, které vyžadují „jen“ aplikovat fyziku a matematiku – například pro sestavování optimálních manévrů kosmických sond.

Kosmonautika klávesnicí a myší

I pokud má nadšenec obě ruce levé a technické vědy jsou mu příliš složité, pořád se ještě může stát užitečným, aniž by vstal od počítače.

Data z kosmických sond a družic je potřeba zpracovávat. Analýza slunečního větru nebo radiace na oběžné dráze vyžaduje specialisty. Ale pokud jde o to, najít na mnoha tisících snímků Marsu ve vysokém rozlišení všechny krátery, masa dobrovolníků, kteří je „zaklikávají“ ručně, může být stejně dobrá nebo lepší, než analýza na superpočítači.

Lidský mozek, vzdělaný i nevzdělaný, je totiž výborný nástroj na vyhledávání nejasně daných vzorů v nedokonalých datech. Sondu sbírající zrnka meziplanetárního prachu si amatér nepostaví. Ale pomoci oddělit na mikrosnímcích vzorků zrno od plev rozhodně může.

Vesmír zn. „koleno“

Moderní komunikační kanály umožňují mnohem snadněji spojit prostředky a pracovní síly nadšenců i ve velmi „úzkoprofilových“ činnostech. Spolu s poměrně snadnou dostupností velkého množství informací hlavně na internetu není divu, že přístup Do-It-Yourself („samo-domo“) zasahuje i do oblastí donedávna nemyslitelných. Oproti situaci let šedesátých se stejně začíná proměňovat situace i v kosmické technice.

Dá se kosmonautika tedy dělat i „na koleně“? Celá jistě ne – ale její malé výseky už ano.