Coarda pe orbită Ce face de fapt ... spectrul ascensorului spațial al științei
Frânghie pe orbită: ce face ... de fapt face liftul spațial?
Plecând de la o insulă tropicală din mijlocul Pacificului, curge o linie subțire de napolitane care pare să se piardă undeva pe cerul albastru fără nori: Este o frânghie care se extinde în spațiu. De-a lungul acestei frânghii, capsulele se ridică în cer, care transportă pe îndelete încărcăturile și oamenii pe o orbită geostaționară. Fără numărătoare inversă, fără motoare cu rachetă aburitoare, în schimb un lift fără zgomot: Această viziune a viitorului a inspirat autorii de science fiction de zeci de ani, deoarece ar face călătoria spațială mult mai ieftină și ar deschide ramuri complet noi ale economiei în spațiu.
Dar inginerii încep doar să se ocupe ocazional de problemele care trebuie rezolvate. Unul dintre ei este Yoshiki Yamagiwa de la Universitatea Shizuoka din Japonia, care, împreună cu studenții săi, are un mic lift spațial tras în Stația Spațială Internațională (ISS) pe 22 septembrie 2018 la bordul navei spațiale de aprovizionare fără pilot HTV. Este un CubeSat lățime de zece centimetri și lungime de 23 de centimetri care urmează să fie împins în spațiu de la ISS în următoarele săptămâni pentru a testa primul lift din spațiu. Cu toate acestea, este puțin probabil să eliminați obstacolele tehnice din calea acestei tehnologii.
Speranță pentru nanotuburi de carbon
Încă din 1895, pionierul rus al călătoriilor spațiale, Konstantin Ziolkowski, a formulat ideea unei structuri și mai mari, care să poată ajunge în spațiu, sub impresia nou-înălțatului Turn Eiffel. Dar timp de aproape 100 de ani pur și simplu nu a existat niciun material cunoscut care să fie potrivit pentru acest lucru. Oțelul, de exemplu, s-ar rupe la o înălțime de abia 30 de kilometri de propria greutate, indiferent de cât de stabil a fost construit cablul de oțel.
Deși conceptul a fost preluat în mod repetat de scriitori de science fiction, abia după 1991 inginerii au început să se ocupe mai serios de liftul în spațiu. În acel an, omul de știință japonez Sumio Iijima a descoperit nanotuburile de carbon. Acest material este de 100 de ori mai puternic decât oțelul, dar doar pe jumătate la fel de greu ca aluminiu. Din punct de vedere matematic, o frânghie formată din nanotuburi de carbon ar putea fi întinsă mult în spatele unei orbite geostaționare și ar fi totuși atât de ușor încât racheta de astăzi de mare capacitate ar putea să o aducă în spațiu, de unde ar putea fi rulată în jos.
Un studiu NASA din 2000 a examinat cerințele tehnice pentru o astfel de frânghie: de pe o insulă sau platformă din latitudinile tropicale mai puțin furtunoase din Pacific, frânghia ar ajunge până la 144.000 de kilometri în spațiu - până la o treime din distanța de lună. Aici, o contragreutate ar menține frânghia tensionată prin forța centrifugă, în timp ce o platformă la o înălțime de 34.000 de kilometri ar putea găzdui o stație spațială sub greutate. În acest fel, s-ar putea apoi transporta încărcături și oameni pe orbită și astfel să facă rachetele inutile. Un kilogram pus în spațiu ar costa puțin mai mult de 200 de dolari în loc de 20.000 de dolari astăzi.
Susținătorii tehnologiei visează la hoteluri uriașe în spațiu, la centrale solare pe orbită și la mine pe asteroizi. Forța centrifugă de la capătul frânghiei ar permite chiar deplasarea interplanetară cu o utilizare mult mai redusă a combustibilului. Dar cea mai importantă problemă rămâne materialul: până acum, nanotuburile de carbon și-au dovedit rezistența enormă doar la scară de laborator; Tehnicile de fabricație pentru frânghii care au metri sau chiar kilometri lungime nu există până în prezent.
Ascensorul cutiei de chibrituri
Satelitul robotizat autonom autonom spațial japonez - Mini Lift (STARS-ME) japonez, care cântărește doar 2,7 kilograme, este un CubeSat, unul dintre mulți sateliți mici care sunt în prezent lansați în spațiu și proiectat pentru a testa procese noi și riscante din punct de vedere tehnic pentru călătoriile spațiale. STARS-ME poartă o frânghie de kevlar care nu este încă potrivită pentru o ridicare de la sol în spațiu. Când CubeSat a părăsit stația spațială și înconjoară liber pământul, cuboidul se împarte în două CubeSats în formă de cub, care rămân conectate între ele printr-o frânghie care are doar 14 metri lungime. Se presupune că un robot mic cu propriul său drive alunecă între ele. Ar fi primul lift din spațiu, dar de dimensiunea unei cutii de chibrituri, unul destul de mic.
O astfel de ascensiune pe orbită nu este o realizare deosebit de solicitantă pentru Markus Landgraf: „Oamenii se grăbesc să rezolve problemele simple în loc să le rezolve pe cele cu adevărat dificile”, spune inginerul, care planifică sondele lunare la Agenția Spațială Europeană, dar are în mod privat o slăbiciune pentru lifturile spațiale. Are. Potrivit acestuia, acționarea capsulei liftului este una dintre problemele rezolvabile ale unui lift spațial: ar trebui să funcționeze foarte diferit decât un lift normal al clădirii; pentru că, în timp ce este tras de frânghii, ascensorul spațial ar trebui să lucreze singur. Din motive de greutate, capsula ar trebui să fie alimentată cu energie din sol, probabil printr-un laser puternic care iradiază celulele solare de pe capsula liftului.
Din 2005 au avut loc competiții în SUA, Japonia, Germania și Israel, în care un robot de ridicare dezvoltat de studenți trebuie să urce cât mai repede o frânghie ținută de un elicopter. În timp ce în primii ani un robot de cățărat nu a ajuns întotdeauna la capătul superior al frânghiei, o echipă japoneză a reușit recent să ridice 100 de kilograme de sarcină utilă până la 1200 de metri. Cu toate acestea, la fel ca misiunea STARS-ME, aceste competiții sunt încă departe de dimensiunile unei frânghii orbitale: „Cu siguranță joacă un rol în familiarizarea elevilor cu efectele dinamice ale călătoriilor spațiale”, spune Markus Landgraf. - Dar nu vor duce mai departe liftul spațial.
Diavolul sta in detalii
Organizațiile care operează singure călătoresc în spațiu, precum Agenția Spațială Europeană ESA - angajatorul lui Markus Landgraf - nu au acordat până acum nicio importanță ascensoarelor spațiale în bugetele lor. Felix Huber este, de asemenea, sceptic pentru considerații fundamentale: „Nu este ușor să păstrezi o astfel de frânghie stabilă pe orbită”, spune directorul de operațiuni spațiale și de formare a astronauților de la Centrul aerospațial german din Oberpfaffenhofen. Huber se referă la diferite încercări din trecut în care doi sateliți au încercuit pământul conectat prin kilometri de cabluri.
Multe dintre aceste misiuni au eșuat din cauza faptului că, din greșeală, s-au acumulat tensiuni mari, trolii blocate sau pentru că frânghiile s-au încurcat din cauza unor mici erori de producție. În plus, frânghiile se leagănă ușor pe orbită. Cu toate acestea, un lift spațial nu ar ajunge doar prin vid, ci și prin atmosferă, care o trage și de ea, de exemplu în timpul furtunilor tropicale. „Chiar și atunci când un lift pornește, trage de frânghie”, spune Huber. „Numai acest lucru permite vibrațiilor să se răspândească și să se acumuleze în continuare.”
O frânghie lungă de zeci de mii de kilometri ar trebui să se lupte cu alte probleme: la o altitudine de 200 până la 900 de kilometri ar trece printr-o zonă în care apare oxigenul atomic divizat de radiația UV a soarelui, care oxidează materialele organice ca o frânghie din nanotuburi de carbon și s-ar descompune. Deșeurile spațiale ar putea, de asemenea, să distrugă frânghia - în special pe orbita cimitirului geostaționar: Aceasta este o zonă îngustă și aproape liniară deasupra orbitelor geostaționare în care sunt eliminați sateliții dezafectați - și care ar trebui traversată de frânghia orbitală. În plus, există resturi spațiale care se înconjoară rapid pe orbite mai profunde și micrometeoriți care ar putea găuri în coardă sau, în cel mai rău caz, să le distrugă.
Visul trăiește
Markus Landgraf, care are experiență în dinamica zborului, consideră că toate aceste probleme pot fi rezolvate în principiu: teoretic, dinamica unor astfel de corzi a fost înțeleasă de mult. Și proiectanții ar putea monta pur și simplu capătul inferior al frânghiei spațiale în așa fel încât să amortizeze vibrațiile cu mișcări contrare rotative. Bucăți mai mari pe orbita Pământului ar putea fi ocolite de vibrații vizate.
Pe de altă parte, ar trebui reparate găuri rupte mai mici. Deșeurile de pe orbita cimitirului sunt deja destul de lente față de frânghie. Și frânghia ar trebui pur și simplu să fie acoperită pentru a se proteja împotriva radiațiilor și a oxigenului atomic. Un studiu NASA din anul 2000, bazat pe experimente inițiale, presupune că un strat oxidat s-ar dezvolta în exteriorul frânghiei, ceea ce servește drept protecție naturală pentru straturile mai profunde.