Ascensorul spațial ar revoluționa călătoriile spațiale
Este ușor să vă bateți joc de această idee: o sută de mii de kilometri de frânghie întinsă între suprafața pământului și un satelit pentru a atrage oamenii și materialul în spațiu. Desigur, este, de asemenea, ușor să răspundeți oricui crede că este o prostie science fiction că unele dintre tehnologiile cheie ulterioare au fost inițial respinse și ca fantezie. Gândiți-vă doar la avionul pe care celebrul fizician William Thomson, primul baron Kelvin, l-a declarat public în 1895 că așa ceva era imposibil, iar opt ani mai târziu, frații Wright au decolat. Dar, ca multe vise tehnice, de la fabricarea aurului la pilula împotriva cancerului, nu s-au împlinit niciodată?
Ceea ce are în comun „Liftul spațial” cu aceste două exemple este că implementarea sa nu necesită încălcări ale legilor bine-cunoscute ale naturii - spre deosebire, de exemplu, de zborurile prin spațiu mai rapide decât lumina. De fapt, nu a fost nimeni altul decât profesorul rus de matematică Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski (1857-1935), unul dintre descoperitorii teoriei rachetei, care, în același an în care lordul Kelvin s-a jenat de istoria tehnologiei, a început să se gândească la un turn de 36.000 de kilometri. Vârful său ar fi locul în care un corp eliberat orbitează pământul într-o singură zi, așa-numita orbită geo-staționară, în care astăzi sateliții meteorologici sau de televiziune orbitează astfel încât să fie întotdeauna peste același punct de pe suprafața pământului. Oricine a urcat o astfel de structură, oricât ar dura, ar fi depășit gravitația Pământului făcând acest lucru singur.
Desigur, un astfel de turn ar pune probleme inginerilor structurali care erau cu adevărat insolubili. Dar în 1960, compatriotul lui Ziolkowski, Yuri Arzutanow, născut în 1929, și-a dat seama că ar face o frânghie ușoară, dar suficient de puternică, care ar fi coborâtă de la un satelit lansat pe orbita geostaționară și ancorată pe suprafața pământului. Asta sună încă destul de nebunesc. Arzutanov a descris ideea doar într-un articol de ziar din Komsomolskaya Pravda, iar când în 1966 un grup de americani condus de inginerul și oceanograful John Isaacs (1913-1980) a trimis Științei un articol de două pagini cu un concept similar, a apărut doar cu o notă editorială că examinatorii au avut îndoieli considerabile.
Motorul rachetei în criză
Astăzi, însă, un număr de fizicieni și ingineri sunt foarte preocupați de această idee. În afară de marile organizații spațiale finanțate public, ele organizează concursuri de tehnologie și conferințe de specialitate; cea mai recentă a avut loc acum patru săptămâni la Seattle, cu Microsoft ca principal sponsor. În 2008 s-a format Consorțiul internațional pentru ascensorul spațial (ISEC), iar în octombrie 2013 venerabila Academia Internațională de Astronautică (IAA) a publicat un raport de 350 de pagini despre stadiul cercetării.
Această activitate este, de asemenea, un fenomen de criză. Ziolkowski a avut ideea turnului său când nu a văzut altă cale de a ajunge în spațiu - nu și-a stabilit ecuația rachetei până în 1903. Iar primele calcule detaliate au fost publicate de inginerul forțelor aeriene americane Jerome Pearson, născut în 1938, în revista specializată IAA Acta Astronautica în 1975. În anii precedenți, programul Apollo se încheiase prematur, iar programul american pentru dezvoltarea sistemelor de propulsie spațială nucleară a fost întrerupt. Călătoriile spațiale se strecuraseră într-o adevărată criză. Ultimul val de interes pentru lifturile spațiale a început în cele din urmă în jurul sfârșitului de mileniu, când a fost văzut sfârșitul programului de navetă spațială.
Datorită reutilizării sale, naveta spațială a fost inițial destinată a fi o rută deosebit de ieftină în spațiu. Dar acum s-a dovedit că nu atât principiul unidirecțional a împiedicat dezvoltarea călătoriilor spațiale, cât și ideea rachetei în sine. Pentru a depăși gravitația, rachetele trebuie să-și tragă combustibilul cu ele. Pentru sarcina utilă a vehiculelor alimentate chimic, mai puțin de cinci la sută din masa la decolare rămâne, pentru naveta spațială a fost de doar 1,2 la sută. Costă 80.000 de dolari pentru a transporta un kilogram pe orbita geostaționară folosind vehicule de lansare precum Atlasul American sau Delta, iar în orbite precum Stația Spațială Internațională este încă 10.000 de dolari. „Și asta în ciuda experienței de 50 de ani și a optimizării costurilor rachetelor”, spune fizicianul de la Nürnberg Martin Lades, care este implicat în ISEC. "Nu mai devine mult mai ieftin."
Când liftul funcționează, visele de science fiction devin realitate
Această enormă dependență a costurilor de pornire de cantitatea de material care trebuie pornită este de departe cel mai mare sport de călătorie în spațiu. Nu numai că încetinește utilizarea economică a spațiului - și astfel împiedică dezvoltarea tehnică, deoarece acestea se întâmplă întotdeauna numai atunci când cineva poate câștiga mulți bani cu ei, dar este, de asemenea, argumentul real al tuturor criticilor călătoriilor spațiale cu echipaj. Dacă spațiul nu ar fi cu adevărat un loc pentru oameni, nu ar fi munți înalți, regiuni polare și chiar marea liberă. Homo sapiens lipsește pe Lună sau pe Marte în aceste zile, nu pentru că nu aparținea acolo, ci pentru că este pur și simplu prea scump pentru a smulge navele spațiale confortabile și sistemele asociate de susținere a vieții din gravitația pământului.
Dar dacă ar fi posibil să se întindă o astfel de frânghie în spațiu și să lase ascensorii să urce pe ea, rezultatul final ar fi complet diferit. Dar de ce ai nevoie?
Când oamenii se gândesc astăzi la lifturile spațiale, de obicei o fac pe baza unui scenariu al americanului Bradley Edwards din 2003. Conform acestui fapt, un lift spațial are cinci componente.
Sute de mii de kilometri de pitch
Mai întâi este frânghia, al cărei centru de greutate se învârte pe orbita geostaționară la o altitudine de aproape 36.000 de kilometri. Ar fi lansat dintr-un satelit lansat acolo cu rachete convenționale. Acest satelit ar urca din ce în ce mai sus, până la aproximativ 100.000 de kilometri, și acolo, ca o contrapondere, a doua componentă, ține cablul încordat prin forța sa centrifugă. Cu cât această contrapondere este mai mare, cu atât poate fi mai scurtă lungimea totală. „Dacă luați o frânghie care are 144.000 de kilometri lungime, nu aveți nevoie de o contrapondere”, explică fizicianul Markus Landgraf de la Agenția Spațială Europeană. „Atunci partea frânghiei de deasupra orbitei geostaționare servește drept contrapondere. Avantajul suplimentar al părții superioare a frânghiei este că de acolo puteți zbura în sistemul solar fără nicio acționare, până la Saturn. "
Cu toate acestea, pentru mărfurile și pasagerii care călătoresc pe orbita terestră, baza geostaționară, componenta numărul trei, ar fi stația finală. A patra componentă ar fi atunci stația de la sol. Conceptele actuale, inclusiv cele din raportul IAA, au deja idei foarte specifice despre locație. O platformă plutitoare în Pacific, la o mie de kilometri vest de Insulele Galapagos, ar fi ideală. Marea este în mare parte liniștită acolo, riscul ciclonilor tropicali este scăzut și furtunile nu se produc atât de des.
Problema aprovizionării cu energie
În al cincilea rând, există mașina cu ascensorul propriu-zisă, numită de obicei „alpinist” de către ingineri. Alpinistul avea propriile sale tracțiuni și roți, sau mai bine zis role, deoarece studiile conceptuale de astăzi, precum și cele prezentate în raportul IAA, se bazează pe o panglică lată de aproximativ un metru în loc de o frânghie cu secțiune rotundă. Una dintre cele două probleme principale ale liftului spațial este alimentarea cu energie a acestei unități. Aducerea combustibilului pentru călătoria de 36.000 de kilometri nu are sens - atunci ai avea aceeași problemă ca și cu racheta. În schimb, alpinistul ar putea fi alimentat de un puternic fascicul laser. Fotocelulele puternice la bordul alpinistului ar converti apoi energia laserului în electricitate.
Astfel de acționări - dar și „fasciculul de putere” prin intermediul farurilor puternice sau al laserelor în intervalul a câțiva kilowați de putere - au fost studiate pe sisteme de modele timp de câțiva ani sub forma așa-numitelor „provocări”, adică competiții în care echipele (deseori studențești) concurează între ele Trebuie să îndeplinească anumite cerințe pentru a câștiga. La cel mai recent eveniment din Japonia de la începutul lunii august, sarcina a fost de a construi alpiniști care să cucerească o frânghie lungă de 1200 de metri, ținută de un balon. În 2012, a avut loc a doua „European Space Elevator Challenge” la Departamentul de Tehnologie Spațială de la Universitatea Tehnică din München din Garching. Dar banii sponsorizării nu sunt încă suficienți pentru a oferi mai mult decât sume simbolice decât premii. Un pic mai mult spirit de pionierat, în special în instituțiile din spațiul public, ar putea face mult mai mult aici, spune Martin Lades.
Urcătorul unui ascensor spațial terminat, așa cum se prevede în raportul IAA, ar cântări de obicei 20 de tone, din care 14 tone era o sarcină utilă și ar dura aproximativ opt zile pentru a ajunge la stația spațială geostaționară. Până la șapte alpiniști ar fi pe frânghie în același timp; Dacă energia lor poate fi de fapt alimentată cu lumină laser este o întrebare aprins dezbătută în scena liftului spațial. „Laserele ar necesita o infrastructură enormă pe teren”, spune Peter Swan, președinte ISEC și redactor-șef al raportului IAA. „Aveți nevoie de șapte grinzi, una pentru fiecare alpinist, plus sisteme optice adaptive și țintă. Energia pentru aceste lasere uriașe ar trebui să fie furnizată de generatori în marea liberă - și vorbim despre câțiva gigavați! "
Urcare mai ecologică cu energie solară
Raportul IAA plasează, prin urmare, o sursă de energie alternativă în centrul considerațiilor sale: „Datorită progreselor recente și a dezvoltărilor previzibile în fotovoltaică, este acum posibil să ne concentrăm asupra proiectelor pentru alpiniști care își derivă toată energia direct din lumina soarelui”, spune în raport. Inginerii își pot imagina Climber trăgând mai multe suprafețe cu celule solare în spatele lor.
Cu toate acestea, propulsia solară pură este realistă doar de la o înălțime de 40 de kilometri. Nu numai că norii amenință să afecteze alimentarea cu energie, dar și panourile solare fragile ar fi expuse vântului și vremii.
O soluție posibilă, deși gigantică, la această problemă ar fi construirea capătului inferior al ascensorului nu la sol, ci ca „etapă înaltă” la o înălțime de 40 de kilometri. Pentru a face acest lucru, probabil că ne-am întoarce la ideea așa-numitelor bucle Lofstrom, un set de tuburi de vid lungi de sute de kilometri în care curelele nesfârșite rulează atât de repede încât accelerația lor centrifugă creează o forță ascendentă. Transportul de la suprafața pământului la „High Stage One” ar putea avea loc electromagnetic de-a lungul tuburilor de vid.
Ar fi mai ușor să începeți ascensiunea verticală pe pământ și să ascundeți panourile solare pliate într-un capac de protecție pentru primii 40 de kilometri. Energia ar trebui să fie apoi furnizată de la sol în această primă etapă, fie cu lasere, fie printr-un cablu de alimentare tras în sus, sau - și aceasta ar fi de departe cea mai elegantă soluție - prin utilizarea frânghiei (sau benzii) la stația de la sol cu energie înfășoară lungimea necesară, abia apoi atașează alpinistul și, în cele din urmă, eliberează bobina. Ca urmare, forța centrifugă a frânghiei și contragreutatea ar atrage alpinistul în atmosfera înaltă până când soarele poate prelua alimentarea cu energie.
Progrese în ceea ce privește problema materială
Dacă acest lucru este posibil depinde în mare măsură de materialul disponibil pentru frânghie sau bandă. Iar acest punct este a doua și foarte importantă provocare cu care se confruntă vizionarii ascensorului spațial. Deoarece până în prezent nu există niciun material care să fie stabil și în același timp suficient de ușor pentru a fi folosit pentru a construi un lift spațial. Așadar, este vorba despre puterea specifică, pentru care cercetătorii din ascensorul spațial și-au introdus propria unitate fizică și au numit-o „Megayuri”, sau MYuri pe scurt, în onoarea lui Iuri Arzutanov. Un megayuri este egal cu un gigapascal pe gram și centimetru cub. O bandă de ascensor spațial trebuie să fie de cel puțin 20 Megayuri, mai bine ar fi 50. La puțin peste jumătate de Megayuri, oțelul este de până la un factor de sută prea slab și, până în 1975, când Jerome Pearson și-a prezentat calculele, nu a existat niciun material în vedere a căror putere specifică ar fi fost suficientă.
Dar exact asta s-a schimbat între timp. În 1991, oamenii de știință japonezi au descoperit o formă de carbon care fusese deja observată în Rusia cu zeci de ani înainte, fără ca aceasta să fie cunoscută în Occident: nanotuburile de carbon, care au fost studiate intens de atunci, deoarece au și proprietăți electronice interesante. Aceste tuburi sunt corzi moleculare cu o rezistență fantastică. Acestea au dat un impuls decisiv viziunilor ascensorului spațial, mai ales când în anul 2000 au fost observate puncte forte specifice de peste 20 megayuri în astfel de nanofibre individuale. Înregistrarea anterioară este un nanotub de carbon lung de zece centimetri, care în 2011 măsura peste 100 de megayuri.
Acum lucrează febril la învârtirea fibrei minune într-un fir de rezistență comparabilă, din care pot fi făcute frânghii sau panglici de orice lungime. Câteva sute de metri sunt suficiente, chiar dacă numai cu fire din nanofibre care sunt optimizate pentru cabluri electrice ușoare. Fire peste 20 de megayuri ar putea fi prezentate încă din 2015, potrivit raportului IAA. Cât de mult timp structurile pot fi produse din aceasta depinde, de asemenea, de cât de bine cercetătorii primesc problema defectelor moleculelor tubului sub control. Teoretic, un singur atom de carbon lipsă într-un alt tub perfect de 30.000 de kilometri ar reduce puterea cu 20 la sută.
Coroziune și resturi spațiale
Cu toate acestea, autorii IAA sunt încrezători: dacă tendința actuală continuă, ei scriu, nanotuburile în lungime de kilometri vor fi disponibile în jurul anului 2022. Panglica către stele ar trebui în cele din urmă să fie țesută din ele.
Dar chiar și atunci, ar trebui clarificate alte întrebări înainte ca un ascensor spațial să poată fi clasificat în sfârșit ca fezabil din punct de vedere tehnic. De exemplu, dacă fibra de mirare poate fi acoperită și pentru a sfida coroziunea în zonele chimic agresive ale atmosferei superioare.
O altă preocupare este junk space. Nu se pot prevedea lovituri de la resturi mai mici, cu dimensiuni mai mici de 10 centimetri, spune Martin Lades, și statistic vor apărea la fiecare zece zile. Prin urmare, banda trebuie proiectată în așa fel încât să rămână în continuare chiar și cu una sau mai multe găuri. În plus, va fi ușor curbat, astfel încât chiar și o singură micro-resturi lovite exact pe margine să nu o poată tăia complet. În general, alpiniștii de întreținere ar trebui să inspecteze în mod regulat centura și, acolo unde este necesar, să o repare. Cu toate acestea, de câteva ori pe an, centura ar fi lovită de bucăți de resturi de mărimea lățimii sale. Cu toate acestea, puteți să le urmăriți cu ajutorul radarului și să le evitați, de exemplu, prin mișcarea stației flotante de la sol.
Dar dacă lucrurile devin stupide și oricum se rupe centura liftului? Cea mai mare probabilitate este de aproximativ 800 de kilometri deasupra nivelului mării, unde densitatea deșeurilor de zbor este cea mai mare. Dar orice separare sub stația geostaționară ar împinge-o și banda superioară se fragmentează pe o orbită superioară, în timp ce cea inferioară cade pe Pământ, înclinându-se rapid din verticală. Cea mai mare parte a fragmentului de bandă inferior ar fi atunci, pe termen scurt, o bucată foarte lungă de gunoi spațial, care ar putea reprezenta o amenințare pentru sateliții din apropierea Pământului și stațiile spațiale, dar ar arde curând complet în atmosferă. Numai suta de kilometri inferiori au căzut pe suprafața pământului. O sută de kilometri din panglica subțire de carbon cântărește mai puțin de o sută de kilograme și este puțin probabil să provoace multe daune în imensitatea Pacificului.
Un astfel de accident ar fi cel mai enervant pentru astronauții care se află în prezent în lift. Probabil că navele spațiale speciale ar trebui menținute pregătite pentru recuperarea alpinistului dvs., dar acest lucru ar trebui să fie posibil din punct de vedere financiar, având în vedere faptul că, conform estimărilor actuale, costul încărcăturii a scăzut la 500 USD pe kilogram. Cu toate acestea, în niciun caz nu ați dori să fiți nevoit să aduceți un lansator de substanțe chimice de la muzeu pentru a reconstrui liftul spațial. „Primul lucru pe care îl vom face atunci când vom construi un lift spațial este să construim un al doilea. Și un al treilea ”, spune Peter Swan. „Nu mai vrem niciodată să fim închiși în câmpul gravitațional al pământului”.