Doprava ve vesmíru se zásadně liší od ostatních druhů dopravy. Na Zemi se dopravní prostředky opírají o vnější prostředí, ať jde o zemi, vodu, nebo vzduch. Ve vesmíru ale vnější prostředí není, takže si dopravní prostředek musí „prostředí“ přivézt s sebou v podobě pohonné látky. Jakmile se ale jednou pohon o pohonnou látku „opře“, urychlí ji v opačném směru a navždy už o ni přijde. S daným množstvím pohonné látky tedy dosáhne jen daného výsledku, a to z důvodů, jež nejde vyřešit jen přidáním energie. Proto z principu nelze vytvořit raketu poháněnou jen elektřinou.

Problém vyjadřuje raketová rovnice svazující tři hodnoty: delta-v, tedy změnu rychlosti potřebnou pro manévr, který chceme vykonat (např. start na nízkou oběžnou dráhu, přesun na geostacionární oběžnou dráhu, nebo únik ze Sluneční soustavy); „účinnost“, s jakou motor využívá pohonnou látku, přesněji úniková rychlost spalin, uváděná často jako specifický impuls; procento hmotnosti celé rakety, které zabere spotřebovaná pohonná látka. Jakmile známe dvě veličiny, se třetí už nehneme, čemuž se příhodně říká „tyranie raketové rovnice“^[1].

Souběžně s vývojem letů do kosmu ale vznikají ambiciózní nápady, jak ji obejít. Jednou myšlenkou jsou kosmické megaprojekty budující umělé prostředí, o které se může dopravní prostředek „opřít“. Z nich je nejznámější vesmírný výtah, pro nějž ale nedokážeme vytvořit dostatečně pevný materiál v dostatečné délce. Megaprojekty obecně trpí problémem, že nejsou proveditelné v menším. Pokud máme jen část technologií, nemůžeme získat část výsledku. Toto omezení můžeme částečně obejít stavbou mimo Zemi, vesmírný výtah na Měsíci nebo měsících Marsu by materiálově omezen nebyl, je zde ale problém jeho konstrukce.

Proto se nabízí využít již existující „infrastruktury“. Na nízké oběžné dráze se nachází slabé vnější prostředí: zemské magnetické pole. To stáčí pohybující se nabité částice a tak nás chrání před kosmickým zářením, s trochou inženýrství ale může také pohánět družice. Princip elektromagnetického lana spočívá v takzvané Lorentzově síle, kterou magnetické pole působí na pohybující se vodič.

Principy

V angličtině používaný termín electrodynamic tether je dlouhé vodivé lano, v němž je řada volných elektronů. Magnetické pole je stáčí v jednom směru a vytváří tak proud na úkor toho, že pohyb celého lana na oběžné dráze zpomaluje. Pokud ovšem pustíme lanem proud v opačném směru, spotřebujeme elektrickou energii, ale pohyb lana se zrychlí. Lano tak může zároveň fungovat jako motor nebo brzda (a zároveň generátor elektrické energie).

Vzniká ale problém, protože proud můžeme pouštět jen jedním směrem. Pokud by na družici byl uzavřený obvod, proud by musel téct na obrázku nahoru i dolů a družice by zároveň byla urychlována i brzděna. Naštěstí je poblíž Země ionosféra, ve které jsou nabité částice, zejména elektrony. Na jedné straně jsou elektrony chytány na plazmový stykač, zatímco na druhé jsou vystřeleny zpět do volného prostoru elektronovým dělem.

Maximální síla, kterou pohon dokáže vyvinout, je dána součinem proudu v lanu, délky lana, a intenzity magnetického pole. S rostoucí vzdáleností od Země prudce klesá intenzita pole i množství elektronů v ionosféře (což omezuje proud), takže pohon je omezen na blízkozemní dráhy a zhruba nad 2 000 km už je jeho účinnost zanedbatelná.

Lana se chovají zvláštně i bez elektromagnetického působení. Zatímco běžné družice jsou ve stavu mikrogravitace, na velmi dlouhá lana působí slapové síly. Na spodní části lana působí zemská přitažlivost silněji, než na části horní, což vytváří v laně mechanické napětí. Jde o výhodný efekt, protože udržuje lano jednak natažené, jednak ve svislé poloze, jež je ideální pro interakci s magnetickým polem.

Historie

Rok	Název mise	Zodpovědná země	Úspěch?	Druh dráhy
1966	Gemini [4]	USA	Ano	Orbitální
1980	H-9M-69 [5]	USA	Ne	Suborbitální
1981	S-520-2 [6]	USA	Ne	Suborbitální
1983	CHARGE-1 [7]	Japonsko/USA	Ano	Suborbitální
1985	CHARGE-2 [8]	Japonsko/USA	Ano	Suborbitální
1989	OEDIPUS-A [9]	Kanada/USA	Ano	Suborbitální
1992	TSS-1 [10]	Itálie/USA	Ne	Orbitální
1992	CHARGE-2B [11]	Japonsko/USA	Ano	Suborbitální
1993	SEDS-1 [12]	USA	Ano	Orbitální
1993	PMG [13]	USA	Ano	Orbitální
1995	SEDS-2 [14]	USA	Ano	Orbitální
1996	OEDIPUS-C [15]	Kanada/USA	Ano	Suborbitální
1996	TSS-1R [16]	Itálie/USA	Částečně	Orbitální
1997	TiPS [17]	USA (NRL/NRO)	Ano	Orbitální
1997	YES [18]	ESA (mezinárodní)	Ne	Orbitální
1998-9	STEX/ATE-x [19]	USA (NRL) [20]	Ne	Orbitální
2000	PICOSAT	USA (letectvo) USAF (vojenské letectvo), DARPA	Ano	Orbitální
2007	YES2 [21]	ESA, mezinárodní spolupráce 25 zemí	Částečně	Orbitální
2007	MAST [22][23]	USA (Tethers Unlimited & univerzita Stanford)	Ne	Orbitální
2009	STARS [24]	Japonsko (univerzitní)	Ne	Orbitální
2010	T-Rex [25]	Japonsko (JAXA)	Ano	Suborbitální
2013-14	ESTCube [26]	Estonsko	Ne	Orbitální
2014	STARS-II [27]	Japonsko	Ne	Orbitální
2016	KITE [28]	Japonsko	Ne	Orbitální
2019	TEPCE [29]	USA (Naval Research Laboratory)	Pravděpodobně	Orbitální

^[30]

Historie vesmírných lan se začala psát už během pilotovaného kosmického programu šedesátých let. Mise Gemini 11 a 12 s sebou nesly lano o délce „pouhých“ 30 metrů, kterým byly připojeny k cílovému tělesu Agena. Slapové síly měly udržet lodě ve stabilní vzájemné poloze, ale nakonec byly nedostatečné, a stabilitu zajistila až umělá gravitace – odstředivá síla vzniklá rotací kolem středu lana.

V osmdesátých letech proběhla řada úspěšných měření na suborbitálních raketách, díky nimž jsou známy vlastnosti ionosféry a magnetosféry. V devadesátých letech proběhlo několik klíčových projektů. Mise SEDS-1 a SEDS-2 měřily chování, stabilizaci a vypouštění mnohakilometrových lan. Při SEDS-2 bylo lano po pouhých několika dnech přetrženo, pravděpodobně srážkou s mikrometeoritem.^[31]

NASA ve spolupráci s Italskou kosmickou agenturou ASI vyvinula TSS-1, experiment na raketoplánu Atlantis, s lanem dlouhým přes 20 km, tehdy největší lidmi vyrobenou strukturou ve vesmíru. Lano mělo fungovat jako generátor a měl se měřit indukovaný proud. Vinou vyčnívajícího šroubu se ale zaseklo během odvíjení po pouhých 250 metrech. Přesto se potvrdila smysluplnost myšlenky, i když proud byl příliš malý.^[32] O čtyři roky později proběhl na raketoplánu Columbia druhý pokus, TSS-1R, při němž se princip prokázal až příliš jasně, když došlo ke zkratu, pravděpodobně vinou vzduchových bublinek v izolaci. Lano se v jeho důsledku přepálilo, a slapovou silou až 65 N^[33] se utrhlo. Tou dobou už ale bylo vysunuto přes 19 kilometrů lana, takže většinu dat se podařilo získat.

PMG byla klíčová úspěšná mise, která teoreticky demonstrovala funkčnost sběru elektronů z ionosféry a funkci lana jako motoru i jako generátoru, i když jen po dobu několika hodin, než došla baterie. Zjistila také, že proud značně kolísá mezi dnem a nocí (světlem a stínem) a že během dne násobně předčil očekávání.

Stále existovalo nejasné riziko srážky s mikrometeority nebo kosmickou tříští. Byl tedy potřeba přesnější odhad nebezpečí přetržení, který získala mise TiPS. Lano bylo vypuštěno v roce 1996 a vydrželo vcelku přes deset let. V případě SEDS-2 tedy šlo jen o nepravděpodobnou nehodu.

Návrhy na využití

V roce 1998 působila lana jako nová technologie s velkým potenciálem. V této atmosféře vznikla Tethers in Space Handbook^[34], celková zpráva o technologii lan s řadou návrhů na jejich využití.

Řízení ISS

Než měla být deorbitována stanice Mir, vznikl projekt METS, řízení stanice pomocí elektrodynamického lana. Přišel příliš pozdě a nezabránil rozhodnutí nechat Mir deorbitovat^[35], ale myšlenka ve vzduchu byla a její analogie pro Mezinárodní vesmírnou stanici ISS se nabízela.

ISS totiž musí být jednou za čas urychlena, aby se vyrovnaly ztráty způsobené odporem vrchních vrstev atmosféry. Tradičním způsobem tato údržba spotřebuje kolem sedmi tun paliva ročně^[36], zatímco navrhovaný pohon na bázi lana by palivo nepotřeboval. Využíval by jen 5-10 kW elektřiny (asi 10 % výkonu solárních panelů ISS) a vážil by méně než tunu. Podle studie proveditelnosti^[37] mohl za dobu existence ISS ušetřit až čtyři miliardy dolarů, a navíc by vyrovnával drobné výchylky od stavu beztíže, které odpor vzduchu způsobuje.

Projekt to je ambiciózní: motor dříve zmíněné mise PMG dosáhl maximálního proudu pouhých 0,3 A^[39], zatímco pro pohon ISS by byl nutný proud až třicetkrát větší. Proud je omezen rychlostí sběru elektronů z okolí, přičemž dříve používané plazmové stykače na koncích lana by tolik náboje z okolí nedokázaly odebrat. Místo nich by tak měl sběr probíhat po většině délky lana jednoduše tak, že lano nebude mít izolaci.

Předstupněm nasazení takového systému v praxi měl být test neizolovaného lana na misi ProSEDS, vyvíjené levně s většinou hardware převzatou z SEDS a rychle jako sekundární náklad. Primární náklad se ale opožďoval, což ProSEDS zdrželo z roku 2000 do roku 2003. Tehdy havaroval raketoplán Columbia, kvůli čemuž NASA přehodnotila bezpečnost řady projektů. Parametry mise se změnily, aby neohrozila ISS. Zároveň se se zdržením změnily podmínky v magnetosféře. Změny byly dohromady pro sběr potřebných dat likvidační a mise byla potichu zrušena.^[40][41]

Velmi nízká oběžná dráha

Další možností využití je studium vyšších vrstev atmosféry (mise ATM). Atmosféra v této výšce je těžko dlouhodobě měřitelná: rekordní výška, které dosáhl balon, je 53 km^[42] a družice obíhající pod 200 km nedokončí pro odpor vzduchu ani jeden celý oběh. Proto by místo toho raketoplán obíhal ve výšce kolem 220 kilometrů a směrem k Zemi spustil (nevodivé) lano s malou kapslí na konci. Odpor vzduchu by působil jen na kapsli, kterou by hmotný raketoplán udržel na oběžné dráze. Počítalo se s lanem o délce 90 kilometrů připojeným k raketoplánu. Měřící sonda by se tak dostala do vzdálenosti 130 km od povrchu Země.

Reálné výsledky

Z navržených misí se do vesmíru dostala jen jedna: ATEx, součást skupiny experimentů STEX, s méně ambiciózním cílem přesněji měřit dynamiku vysouvání. I ta ale selhala hned na začátku, když bylo lano odhozeno, aby neohrozilo ostatní experimenty.

Studentské pokusy po roce 2000

YES

Pod vedením ESA vznikl mezinárodní studentský projekt YES, mající za cíl vyzkoušet myšlenku SpaceMail, dopravu vzorků ze stanice na zem. Experiment měl být vynesen na značně eliptickou dráhu GTO (přechodová dráha ke geostacionární). Tam se měl rozvinout do dvou částí, TORI a YES (na obrázku bod 3), spojených lanem o délce až 35 km, což by byla nejdelší struktura lidmi vynesená do vesmíru. Takto dlouhé lano se na protáhlé dráze samovolně roztočí (bod 5). V apogeu by bylo lano přerušeno (bod 7). Rotace by udělila části TORI rychlost (podobně, jako třeba při hodu roztočeného lasa) ve zpětném směru. Část TORI by tak byla zbrzděna a dopadla by zpět na Zem (bod 8). Výhodou systému je, že nepotřebuje motor ani palivo, a ještě „stanici“ (část YES) urychlí.

Družice měla letět jako sekundární náklad během testování (tehdy) nové rakety, Ariane 5. Start ale nakonec nastal v nevhodnou denní dobu, takže výsledná dráha byla vyšší, než se plánovalo, a v případě nefunkčního přerušení mohlo zůstat osamocené lano ve vesmíru po desítky let. U tak velké struktury by bylo značné riziko srážky s jinými družicemi (což znamená konkrétně riziko zhruba 1:1 000). Z tohoto důvodu tak bylo lano deaktivováno a mise proběhla jen jako „generální zkouška“.

O deset let později byl experiment vzkříšen pod názvem YES2 s úpravami reagujícími na prvotní selhání. Zvolená oběžná dráha byla mnohem nižší, pod 300 km, nehrozilo tedy dlouhodobé ohrožení ostatních družic. Předem byl připraven přibližný cíl pro dopad kapsle, která byla z pouhého závaží povýšena na vědecké zařízení sbírající během návratu na Zem data o atmosféře a svojí poloze. Měla přistát bezpečně na padáku a vysílačkou upozornit poblíž čekající tým na svou polohu.

Zatímco původní mise YES vznikla v časovém presu několika měsíců, tentokrát trval vývoj přes čtyři roky. Výsledná družice letěla jako součást startu přes 40 různých experimentů v rámci programu Foton. To s sebou neslo nové nebezpečí ohrožení mateřské družice Foton M3. Vysunutí lana mělo proběhnout prostým počátečním impulzem několika pružinami. Lano by pokračovalo ve vysunutí setrvačností a slapovými silami. To má výhodu, že není potřeba žádný motor, pro ovládání stačí případně lano brzdit. Pokud by se ale během odvíjení zaseklo (což se již v předchozích misích stalo), koncová družice by se mohla pružně odrazit, vrátit se, a narazit do Fotonu. Proto bylo lano na konci připevněno pouze na uzel. Ten při běžném napětí v laně drží, ale v případě záseku a škubnutí proklouzne a lano se odpojí. K tomu nakonec málem opravdu došlo: chyba senzorů způsobila, že nedošlo k pozvolnému zabrždění na konci vysouvání. Lano se tak oproti plánované délce 30 km vysunulo až do maximální délky 31,7 km, kde prudce zastavilo. Změna délky posunula plánovanou dráhu kapsle, takže pozemní tým nezaznamenal žádný signál. Kapsle se nenašla, pravděpodobně nepřežila přistání. I přesto ESA považuje experiment za úspěch a shání návrhy pro případné budoucí YES3^[45]. Mise zároveň drží dodnes platný rekord nejdelšího lana.

Řada selhání

Mise MAST, vyvíjená společností Tethers Unlimited, měla využít tří CubeSatů pro minimalistický zkušební systém. Dva CubeSaty se měly vzdálit až jeden kilometr a třetí měl jezdit po laně a monitorovat případná poškození. Jeden z koncových CubeSatů měl být odhozen s podobným cílem, jako u misí YES. Mise ale selhala hned na začátku, když se lano zaseklo.

Zaseknuté lano způsobilo i selhání mise STARS, která přitom měla primárně testovat něco naprosto jiného – ovládání směru družice pomocí robotické ruky a mechanický naváděcí systém pro dokování. Šlo opět o kombinaci CubeSatů (dvou) spojenou krátkým lanem, jež jim umožňovalo vzájemný pohyb a opětovné spojení. Takový systém by mohl být použit pro odklízení vesmírného odpadu. Druhý pokus o pět let později, STARS-II, zahrnoval i elektrodynamické lano, jež mělo tentokrát sloužit jako brzda na konci životnosti družice. Selhalo ale spojení.

Další podobná mise měla být KITE, vynesená společně s nákladem pro ISS v letu HTV-6, měřící předběžná data pro plán úklidu vesmírného odpadu, ale lano se opět nevysunulo.

Jediný další úspěch posledních let byla suborbitální mise T-Rex, která použila složené kovové pásmo, jež se ve vesmíru rozložilo. Šlo o první, a zatím jediné, využití neizolovaného lana, a to jen jako demonstrační mise.

Nevyužitý potenciál

Lana nejspíše nikdy nenahradí konvenční raketové motory a určitě nejsou použitelná pro meziplanetární pohon, kde mají nadějnější dlouhodobé vyhlídky sluneční plachetnice. Ve „svém“ blízkozemním prostředí jsou ale nedoceněna. Mohou prodloužit životnost družic a po jejím konci je rychle nechat zaniknout v atmosféře, nebo družici téměř zadarmo přesunout z dráhy, na niž míří nosič, na jakoukoli jinak orientovanou dráhu. Využití by mohla najít i pro výrobu elektrické energie u misí poblíž Jupiteru^[47], jehož magnetické pole je oproti Zemi násobně silnější.

Pro jakékoli využití je ale v první řadě nutné, aby se z výzkumu přešlo do praxe, a tam je zatím problém. Výzkum NASA trpěl odklady, ale byl nadějný do momentu havárie Columbie. V roce 2004 v reakci na ni představil prezident Bush novou vizi kosmického průzkumu, zaměřenou na meziplanetární cíle, která lana pohřbila. Od té doby se ani přes další vize nic principiálně nezměnilo. Výzkum lan, působící najednou jako relikt minulého století, neobnovili Obama, Trump, ani (zatím) Biden.

Nevládní projekty netvořily navazující linii výzkumu, takže vždy začínaly od píky a vytvořily technologii fungující jen pro konkrétní projekt. Tím vznikla reputace poruchovosti samotných lan, způsobená s jednou výjimkou (TSS-1R) opakujícími se vadami téže komponenty – vysouvání. To funguje obvykle na principu počátečního impulzu a slapových sil^[48][49], ďábel je ale v detailech dynamiky a zabránění nežádoucích oscilací. Odtud plyne potřeba řídící jednotky a velmi pomalého vysouvání, což ale zvyšuje riziko poruchy systému nebo mechanického záseku. Dokud jsou projekty jednotlivé a pokaždé technologicky jinak řešené, úspěch nebo neúspěch je do jisté míry věcí náhody. Možným řešením by bylo víceré použití úspěšného hardware, jak to mělo být u mise ProSEDS, nebo obecněji masová výroba.

Jediná naděje dnes zůstává ve využití lan pro úklid vesmírného odpadu. Základní problém odklízení odpadu je jeho roztroušenost, což by pohon bez paliva řešil. Za tímto účelem navrhla Výzkumná laboratoř amerického námořnictva (NRL) EDDE^[50], řádově stokilové vozidlo, které vysloužilý satelit nebo druhý stupeň chytí do sítě, dopraví na velmi nízkou oběžnou dráhu, kde shoří během několika měsíců, a toto opakuje stále dokola pro jednotlivé kusy odpadu. Každé takové vozidlo by odklidilo stovky objektů ročně. Pokud by jich operovalo najednou kolem deseti, mohla by během několika let odstranit většinu velkých kusů odpadu. Vývoj takového systému by zároveň vytvořil spolehlivou technologii lan, což by přispělo ke všem ostatním možnostem jejich využití.

Test v malém proběhl na CubeSatu TEPCE, ale jeho výsledky byly ohlášeny poněkud neurčitě. Lano se zřejmě odvinulo, jak mělo, ale s malým výkonem solárních panelů na CubeSatu dosáhlo sotva měřitelných výsledků^[52]. Na další technologický vývoj EDDE NASA udělila kontrakt^[53], zatím ale probíhá pozemní vývoj, jehož současný stav je neznámý, a zůstává otevřenou otázkou, jestli se ho podaří dotáhnout do cíle.

[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/station/expeditions/expedition30/tryanny.html
[2] Obrázek: http://www.thebetsproject.com/introduction
[3] Graf: Kruijff, Michiel. (2011). Tethers in Space – a propellantless propulsion in-orbit demonstration. Str. 36.
[4] https://ntrs.nasa.gov/citations/19980018321
[5] Tamtéž
[6] Tamtéž
[7] Tamtéž
[8] Tamtéž
[9] Tamtéž
[10] Tamtéž
[11] Tamtéž
[12] Tamtéž
[13] Tamtéž
[14] Tamtéž
[15] Tamtéž
[16] Tamtéž
[17] Tamtéž
[18] Kruijff, Michiel. (2011). Tethers in Space – a propellantless propulsion in-orbit demonstration. Str. 265.
[19] https://ntrs.nasa.gov/citations/19980018321
[20] https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1998-055C
[21] Tamtéž, co YES, str. 319.
[22] https://web.archive.org/web/20110517195150/https://www.tethers.com/papers/MASTJPC2003Paper.pdf
[23] https://web.archive.org/web/20071008083138/http://www.tethers.com/MAST_Blog.html
[24] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/stars
[25] http://www.spaceref.com/news/viewsr.html?pid=34856
[26] https://web.archive.org/web/20180311140551/https://www.eas.ee/kosmos/en/estonian-space-office/news/article/389-estcube-1-ceased-working
[27] http://robotics.estec.esa.int/i-SAIRAS/isairas2014/Data/Session%203b/ISAIRAS_FinalPaper_0057.pdf
[28] https://www.spaceflightinsider.com/missions/iss/japanese-tether-experiment-hits-snag/
[29] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/tepce
[30] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/space-tethers
[31] Tamtéž
[32] https://ntrs.nasa.gov/citations/19980018321
[33] https://ntrs.nasa.gov/citations/19970011947
[34] https://ntrs.nasa.gov/citations/19980018321
[35] Levin, E.M. (2007). Dynamic Analysis of Space Tether Missions Advances in the Astronautical Sciences, svazek 126.
[36] https://space.stackexchange.com/questions/4250/what-propulsion-methods-does-the-iss-use-for-station-keeping
[37] https://ntrs.nasa.gov/citations/19980223479
[38] Graf: Johnson, Les & Herrmann, Melody. (1998). International Space Station Electrodynamic Tether Reboost Study. 458. 10.1063/1.57614
[39] https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19960002041/downloads/19960002041.pdf
[40] https://www.researchgate.net/publication/4707232_Review_of_the_ProSEDS_Electrodynamic_Tether_Mission_Development
[41] https://space.skyrocket.de/doc_sdat/proseds.htm
[42] http://www.isas.jaxa.jp/e/special/2003/yamagami/03.shtml
[43] Obrázek: Kruijff, Michiel. (2011). Tethers in Space – a propellantless propulsion in-orbit demonstration. Str. 268.
[45] https://www.esa.int/Education/Young_Engineers_Satellites/YES3_missions_shortlisted
[46] Obrázek: Kruijff, Michiel. (2011). Tethers in Space – a propellantless propulsion in-orbit demonstration. Str. 297.
[47] https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19980203952/downloads/19980203952.pdf
[48] https://link.springer.com/article/10.1007/s42423-020-00068-9
[49] https://www.researchgate.net/publication/323595253_Review_of_deployment_technology_for_tethered_satellite_systems
[50] https://www.amostech.com/TechnicalPapers/2010/Posters/Levin.pdf
[51] Obrázek: https://space.skyrocket.de/doc_sdat/tepce.htm
[52] https://www.nanosats.eu/sat/tepce
[53] https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/game_changing_development/projects/archived/clean-space