Budoucnost telekomunikačních družic? Tažné remorkéry a tankovaní za letu

Důležitá část globální komunikace probíhá přes uzel ve výšce 35 786 kilometrů nad rovníkem. Ze vzdálenosti asi jedenáctiny cesty na Měsíc pokrývá necelých pět set družic planetu televizním signálem či satelitním internetem. Zdánlivě visí nad určitým bodem planety, na geostacionární oběžné dráze (GEO) totiž letí satelity stejnou úhlovou rychlostí jakou se otáčí Země a tedy souběžně s ní. Současné družice však postupně začnou být nahrazovány stroji zcela odlišné konstrukce.

Zatímco přístroje starších telekomunikačních satelitů pracují s přednastavenými parametry, nejmodernější stroje již dokáží samy upravovat svoje vytížení. Na místo určení se dopraví na paprsku částic, v blízké budoucnosti by je tam však mohl dotlačit vesmírný remorkér. Budou mezi nimi svištět robotičtí opraváři, kteří budou modulárně konstruované družice přeskládávat podle jejich aktuálního využití. Náklady na provoz i vypuštění se budou raketově snižovat, a promění se také samotný princip telekomunikačního byznysu. 

Lehčí díky plazmatu

Dnes se musí družice na GEO dopravit skoro sama, poslední stupeň nosné rakety se odpojí už po zhruba dvou stech kilometrech cesty. Svými vlastními reaktivními motory na kapalné palivo se satelit vyšvihne na eliptickou dráhu přecházející v geostacionární. Při tom spálí naprostou většinu paliva, které s sebou nese. Zbytek bude používat na občasné korekce kurzu a nakonec k přesunu na takzvaný hřbitovní orbit, kam se uchýlí po uplynutí typicky patnáctileté doby životnosti. Tu přitom neurčuje ani tak životnost komponentů, jako omezené množství paliva, které se stroje vleze.

V posledních letech jsou však družice vybavovány iontovými či plazmovými motory, které si vystačí s jen malým množstvím plynu jako palivem. V ústrojí tvarem a velikostí připomínajícím větší reproduktor je xenon či jiný prvek urychlován do stavu plazmatu, které je pomocí magnetického pole vyháněno tryskou rychlostí až 50 km/s. Typem iontového pohonu nazývaného Hallův motor je vybaven kupříkladu v červnu tohoto roku vypuštěný SES-12 z flotily lucemburského satelitního operátora SES.

Iontové motory mohou značně zvýšit operační dobu družic na oběžné dráze, s dnešními technologiemi přibližně o třetinu. Již se však promýšlí možnosti, jak využitelnost geostacionárních satelitů prodloužit mnohem radikálněji. Kupříkladu je lze udělat zcela nezávislé na tom, kolik se do nich vleze paliva. Na stole leží koncepty vesmírných remorkérů s iontovým pohonem, které družici odchytí po odpojení posledního stupně nosné rakety, dotlačí na GEO a tam naplní její při startu prázdné nádrže. Tyto remorkéry by mohly dotankovávat i satelity již dávno kroužící na své orbitální pozici. 

Iontový pohon zabere jen asi desetinu místa, které vyžaduje chemický motor včetně nádrží. Zmíněný SES-12 by tak vážil nejméně šest namísto 5,3 tun, kdyby byl vybaven konvenčními motory na tekuté palivo. Pokud by jej po startu vyzvedl a po dobu jeho služby staral vesmírný remorkér, nejenže by mu stačily ještě menší nádrže, ale i samotné pohonné ústrojí by mohlo být skromněji dimenzováno, pokud by je satelit používal jen ke korekci kurzu. 

Do rakety jako je Falcon 9 společnosti SpaceX se vleze jen jedna geostacionární družice s pohonem na tekuté palivo, stroje s nižší váhou a menšími rozměry by však unesla i dva najednou. Anebo lze do krychle se standardní délkou stran kolem dvou metrů vecpat více transpondérů, tedy přístrojů modulujících signál ze Země a vysílajících jej zpátky. Nevýhodou iontového pohonu je, že nabírá rychlost jen velmi pozvolně. Cesta z nízké oběžné dráhy na GEO tedy takové družici trvá několik měsíců namísto týdnů, což však v satelitním byznysu nehraje žádnou roli. Proto prý bude koncem dvacátých let až polovina geostacionárních družic poháněná paprskem.  

Nahoru levněji

Podobně dramatickým vývojem již pár let prochází nosné technologie. Klasické rakety jen tak něco nenahradí, přestože lze družice vypouštět i třeba z letadel. Sedmnáctimetrové rakety Pegasus a Pegasus XL od roku 1990 vystartovaly již třiačtyřicetkrát, převážně z pod dopravního Lockheedu TriStar. V blízké budoucnosti je nejspíš budou vypouštět i suborbitální letouny Stratolaunch společnosti Scaled Composites, nákladní bratříčci známějšího White Knight Two určeného pro vesmírný turismus. 

Americký Pegasus ale unese jen čtyři metráky nákladu a v současnosti vyvíjený evropský systém Aldebaran jen tři sta kilo. Tento koncept se tedy dobře uplatní k vysílání menších přístrojů na nižší oběžné dráhy, těžko se ale tímto způsobem budou vypouštět geostacionární satelity se složenými čtyřicetimetrovými solárními panely. I v hájemství klasických nosných raket však již padl monopol hrstky státních agentur či jejich kontraktorů, jakým je americká United Launch Alliance (ULA), společný podnik koncernů Lockheed Martin a Boeing.

Když se v září 2008 podařilo kalifornské SpaceX jako prvnímu zcela soukromému subjektu vypustit na oběžnou dráhu raketu na tekuté palivo, ULA si za vypuštění družice účtovala 100 až 200 miliony dolarů. Start na raketě Falcon 9 společnosti SpaceX přitom dnes stojí kolem padesáti milionů, a doprava nosičem Falcon Heavy bude od ledna příštího roku prý stát jen kolem dvaceti. A to je teprve začátek: majitel firmy Elon Musk chce cenu za vypuštění rakety do deseti let snížit na pouhých 700 tisíc dolarů. 

Klíčem k tomu je vícenásobné používání komponentů raket. Alespoň co se orbitálních nosičů týče, byly i v tomto ohledu pionýry inženýři SpaceX. V prosinci 2015 se jim jako prvním povedlo ubrzdit vracející se první stupeň rakety Falcon 9 a vertikálně s ním přistát na rampě komplexu v Cape Canaveral, který si SpaceX pronajímá od amerického letectva. Vyšlo to až na osmý pokus, dřívější přistání buď končila úmyslně ve vlnách nebo neplánovaně v plamenech. Historicky první let rakety s již jednou použitou komponentou proběhl v únoru loňského roku s družicí SES-10 na palubě.

Vesmírná stavebnice

Družice tedy budou stále menší či lehčí, a náklady na jejich dopravu na orbit výrazně klesat. Promění se však i podoba těchto strojů. Již dnes staví Airbus Defense and Space či Boeing Satellite Systems telekomunikační satelity na principu stavebnice, což podobně jako v automobilovém průmyslu šetří peníze i čas na vývoj jednotlivého stoje. Postupně by se však design družic mohl stát natolik modulárním, že umožní jednotlivé komponenty měnit přímo na oběžné dráze. 

Na satelitu krátkodobě zakotví robotická sonda a vymění či doplní určitý díl, třeba transpondér lépe odpovídající jejímu novému úkolu. Anebo se sonda na pár let se satelitem přímo spojí, aby svými přístroji na potřebnou dobu rozšířila jeho funkcionalitu. Víceúčelovými se však telekomunikační družice stávají již dnes, jejich počítače dovolují významně upravovat parametry vysílání podle okamžité potřeby. Efektivnější využití „hardware“ družice může i o řád zvýšit její vysílací kapacitu, a navíc již nemusí nést filtry signálu, frekvenční konvertery a další přístroje o váze mnoha metráků. 

Satelity tedy nejenže drží krok s neustále se zrychlující dobou informační, ale budou hrát klíčovou roli v zajišťování všudypřítomné konektivity. Ostatně v nedostupných či méně vyvinutých regionech již dnes nahrazují pozemní telekomunikační infrastrukturu. „Naše flotila pokrývá 99,99 procent zemského povrchu. Zajišťujeme tak dostupnost telekomunikačních služeb i v letadlech či na lodích uprostřed oceánu,“ vysvětluje Martin Ornass-Kubacki, viceprezident satelitního operátora SES. „Flexibilita nastupující generace družic navíc umožní zcela nové podnikatelské modely, třeba krátkodobý a na okamžité vyžádání dostupný pronájem vysílacích kapacit,“ předpokládá Ornass-Kubacki.