Rostoucí globální závislost na satelitní infrastruktuře, která je životně důležitá pro telekomunikace, navigaci a národní bezpečnost, čelí narůstající a často podceňované hrozbě: vesmírnému počasí. Tyto jevy, pocházející ze sluneční aktivity, mají potenciál způsobit značné ekonomické škody a narušit základní služby, což podtrhuje naléhavou potřebu lepších predikčních schopností k ochraně orbitálních i pozemních aktiv.
- Odhadovaná globální ekonomická expozice vůči extrémním událostem vesmírného počasí dosahuje 2,7 bilionu USD.
- V roce 1859 způsobila tzv. Carringtonova událost, nejsilnější zaznamenaná geomagnetická bouře, požáry telegrafních linek napříč Severní Amerikou a Evropou.
- V únoru 2022 vedla středně silná událost vesmírného počasí ke ztrátě 39 z 49 nově vypuštěných satelitů Starlink společnosti SpaceX.
- Současné monitorování z Lagrangeova bodu L1 poskytuje před událostmi směřujícími k Zemi varování s předstihem pouhých 40 minut.
- Konstelace SWIFT si klade za cíl prodloužit dobu varování na téměř 60 minut, umístěním monitoru 2,1 milionu kilometrů od Země.
- Demonstrační mise Solar Cruiser, která má být zahájena již v roce 2029, ověří technologii solární plachty o ploše 1 653 m2.
Hrozba vesmírného počasí a její dopady
Vesmírné počasí zahrnuje dynamické změny ve slunečním prostředí, které mohou mít hluboký dopad na Zemi. Primární obavou je meziplanetární výron koronální hmoty (ICME), silné výbuchy magnetických polí a nabitých částic vypuzené ze Slunce. Tyto výrony, cestující rychlostí až 2 000 kilometrů za sekundu (1 242 mil za sekundu), mohou po dosažení Země vyvolat geomagnetické bouře. Ačkoli někdy vytvářejí ohromující polární záře, tyto bouře představují značná rizika, včetně rušení satelitních operací, potenciálních výpadků elektrických sítí a vystavení astronautů na misích v hlubokém vesmíru nebezpečným úrovním radiace. Globální ekonomická expozice z takových událostí se odhaduje až na 2,7 bilionu USD.
Historické události zdůrazňují vážné důsledky extrémního vesmírného počasí. Carringtonova událost z roku 1859, nejsilnější zaznamenaná, vyvolala požáry telegrafních linek napříč Severní Amerikou a Evropou. Solární událost v roce 1972 málem způsobila smrtelnou dávku radiace astronautům obíhajícím Měsíc. Nedávno, v únoru 2022, způsobila středně silná událost vesmírného počasí, že společnost SpaceX ztratila 39 ze 49 nově vypuštěných satelitů Starlink, což demonstruje zranitelnost i moderních, velkých satelitních konstelací.
Současné monitorovací systémy a potřeba delšího varování
Současné systémy monitorování vesmírného počasí do značné míry závisí na satelitech, které sledují složení slunečního větru a magnetická pole. Zatímco magnetické pole Země nabízí přirozený štít, extrémní události mohou tuto ochranu stlačit nebo dokonce dočasně prorazit, což umožňuje škodlivým slunečním částicím proniknout do magnetosféry a ovlivnit orbitální aktiva. Většina operačních monitorovacích satelitů se nachází na nízké oběžné dráze Země (přibližně 161 kilometrů / 100 mil) nebo na geostacionární oběžné dráze (kolem 40 000 km / 25 000 mil). Pro přímé měření přicházejícího slunečního větru jsou další satelity strategicky umístěny dále proti proudu, zejména v Lagrangeově bodě L1, téměř 1 450 000 km (900 000 mil) od Země. Tento výhodný bod poskytuje kritických, avšak omezených, 40 minut předběžného varování před událostmi slunečního původu směřujícími k Zemi.
Prodloužení této doby varování nad současných 40 minut je klíčové pro účinné strategie zmírnění dopadů. Delší časové rezervy by umožnily operátorům satelitů zpřesnit výpočty aerodynamického odporu a v případě potřeby aktivovat pohonné systémy k manévrování satelitů na vyšší, bezpečnější oběžné dráhy během atmosférické expanze způsobené geomagnetickými bouřemi. Letecké společnosti by mohly upravit letové trasy, aby chránily cestující a posádku před zvýšenými dávkami radiace. Budoucí astronauti na Měsíci nebo Marsu, postrádající atmosférickou ochranu, by mohli být včas upozorněni, aby vyhledali úkryt. Kromě toho by operátoři sítí a personál Vesmírných sil získali životně důležitý čas na přípravu kritické infrastruktury a operací.
Inovativní řešení: Konstelace SWIFT a solární plachty
V reakci na tuto potřebu je ve vývoji konstelace Space Weather Investigation Frontier (SWIFT). Tento ambiciózní projekt si klade za cíl umístit monitor vesmírného počasí za bod L1, do vzdálenosti 2,1 milionu kilometrů (1,3 milionu mil) od Země. Očekává se, že tato prodloužená vzdálenost zvýší dobu varování před událostmi vesmírného počasí směřujícími k Zemi na téměř 60 minut, což poskytne neocenitelný časový polštář pro přípravná opatření.
Dosažení této bezprecedentní orbitální vzdálenosti a její udržení po dobu více než deseti let představuje významnou inženýrskou výzvu pro konvenční pohonné systémy, které by vyžadovaly nepřetržitou spotřebu paliva proti gravitačnímu tahu Slunce. Inovativní řešení SWIFT spočívá v jeho využití technologie solární plachty. Solární plachta, pozoruhodně tenký, vysoce reflexní povrch o rozloze přibližně jedné třetiny fotbalového hřiště, využívá hybnost fotonů ze slunečního světla pro pohon. Tento „bezpalivový“ systém vyrovnává vnější tlak slunečního záření s gravitačním tahem Slunce, což umožňuje stabilní provoz na jinak nestabilní sub-L1 oběžné dráze bez rizika vyčerpání paliva. Tento koncept byl úspěšně demonstrován misemi jako NASA NanoSail-D2 (2010) a JAXA IKAROS (2010), které obíhaly Venuši s plachtou o ploše 196 m2 (2 110 čtverečních stop).
Budoucnost predikce vesmírného počasí
Základním krokem programu SWIFT je demonstrační mise Solar Cruiser, plánovaná k vypuštění již v roce 2029. Tato mise rozvine výrazně větší plachtu o rozloze 1 653 m2 (17 793 čtverečních stop), aby ověřila složité techniky rozvinutí a navigace. Úspěšná realizace Solar Cruiser otevře cestu pro plnou konstelaci SWIFT, skládající se z jednoho satelitu poháněného solární plachtou za L1 a tří menších satelitů s chemickým pohonem v bodě L1. Tato konfigurace umožní nepřetržitý, nepřerušovaný sběr dat z více odlišných pozorovacích bodů ve slunečním větru, což vědcům poskytne bohatší data pro přesnější předpověď vývoje slunečních bouří.
Jelikož se moderní společnost stává stále závislejší na vesmírné infrastruktuře, trvalé investice do pokročilých predikčních schopností vesmírného počasí, jako je SWIFT, jsou nanejvýš důležité. Takové iniciativy nejsou pouhým vědeckým úsilím, ale strategickými imperativy pro ochranu globálních technologických aktiv a zajištění odolnosti kritických služeb na Zemi.