Vesmírný výtah

Kdo si myslí, že pomocí nanotechnologií je možné vytvořit jen něco submikroskopického, lidskému oku neviditelné, toho asi překvapí projekt, který v poslední době vyvíjejí specialisté z NASA a který vzbudil tolik pozornosti vědců i široké veřejnosti. veřejnost. Hovoříme o projektu tzv. vesmírného výtahu.

Vesmírný výtah je kabel dlouhý několik desítek tisíc kilometrů, který spojuje vesmírnou stanici na oběžné dráze s platformou umístěnou uprostřed Tichého oceánu.

Myšlenka vesmírného výtahu je stará více než sto let. Jako první o tom v roce 1895 promluvil velký ruský vědec Konstantin Ciolkovskij, zakladatel moderní kosmonautiky. Poukázal na to, že princip moderní raketové vědy neumožňuje, aby moderní nosné rakety byly účinným prostředkem pro dopravu nákladu do vesmíru. Důvodů je několik:

Za prvé, účinnost moderních raket je velmi nízká vzhledem k tomu, že lví podíl na výkonu motorů prvního stupně jde na práci na překonání gravitační síly.

Za druhé, je známo, že několikanásobné výrazné zvýšení hmotnosti paliva vede pouze k malému zvýšení rychlostirakety. Proto například americký raketový systém Saturn-Apollo se startovací hmotností 2900 tun vynesl na oběžnou dráhu pouhých 129 tun. Z toho plynou astronomické náklady na starty do vesmíru pomocí raket (náklady na vypuštění kilogramu nákladu na nízkou oběžnou dráhu jsou v průměru asi 10 000 $.)

A navzdory opakovaným pokusům snížit náklady na vypouštění raket se zdá, že náklady na dopravu zboží a lidí na oběžnou dráhu se radikálně snižují na náklady standardní letecké dopravy založené na moderních raketových technologiích.

zásadně nemožné.

Aby bylo možné poslat náklad do vesmíru levněji, výzkumníci z Národní laboratoře Los Alamos navrhli vytvoření vesmírného výtahu. Podle předběžných odhadů by náklady na vypuštění nákladu pomocí výtahu mohly klesnout z desítek tisíc dolarů na 10 dolarů za kilogram. Vědci věří

že vesmírný výtah mohl doslova převrátit svět a dát lidstvu zcela nové možnosti.

Výtah bude v podstatě kabel spojující orbitální stanici s platformou na povrchu Země. Kabiny na pásovém podvozku se budou pohybovat nahoru a dolů po kabelu a převážet satelity a sondy, které je třeba vynést na oběžnou dráhu. Pomocí tohoto výtahu bude možné úplně nahoře postavit ve vesmíru odpalovací rampu pro kosmické lodě mířící na Měsíc, Mars, Venuši a asteroidy. Originálním způsobem je vyřešen problém zásobování samotných „kabin“ výtahů energií: kabel bude pokryt solárními panely nebo budou kabiny vybaveny malými fotovoltaickými panely, které budou osvětlovány výkonnými lasery ze Země.

Vědci navrhují umístit pozemní základnu vesmírného výtahu v oceánu, v rovníkových vodách Tichého oceánu, stovky kilometrů od komerčních letových tras. Je známo, že hurikány nikdy nepřekročí rovník a nejsou zde téměř žádné blesky, což poskytne výtahu další ochranu.

Vesmírný výtah je popsán v dílech Ciolkovského, stejně jako spisovatel sci-fi Arthur C. Clarke a projekt na stavbu takového výtahu vypracoval leningradský inženýr Jurij Artsutanov v roce 1960. Po mnoho let byl aktivním propagátorem myšlenky vesmírného výtahu Astrachán

vědec G. Polyakov.

Ale až dosud nikdo nebyl schopen nabídnout materiál tak lehký a pevný, aby se z něj dal vyrobit vesmírný kabel. Donedávna byla nejodolnějším materiálem ocel. Není však možné vyrobit ocelové lano dlouhé několik tisíc kilometrů, protože i zjednodušené výpočty naznačují, že ocelové lano požadované pevnosti by se zhroutilo vlastní vahou již ve výšce 50 km.

S rozvojem nanotechnologie se však naskytla skutečná příležitost vyrobit kabel s požadovanými vlastnostmi na bázi vláken z ultrapevných a ultralehkých uhlíkových nanotrubiček.Zatím se nikomu nepodařilo vyrobit ani metrovou kabel z nanotrubiček, ale podle tvůrců projektu se technologie výroby nanotrubiček každým dnem zdokonalují, takže takový kabel bude možná za pár let hotový.

Hlavním prvkem výtahu je kabel, jehož jeden konec je připevněn k povrchu Země a druhý je ztracen ve vesmíru ve výšce asi 100 tisíc km. Tento kabel nebude jen „viset“ ve vesmíru, ale bude natažen jako struna díky vlivu dvou vícesměrných sil: středu

prchající a dostředivé.

Abyste pochopili jejich povahu, představte si, že jste na lano přivázali nějaký předmět a začali jej rozmotávat. Jakmile nabude určité rychlosti, lano se napne, protože na předmět působí odstředivá síla a na samotné lano působí dostředivá síla, která jej táhne. Něco podobného se stane s kabelem zvednutým do prostoru. Jakýkoli objekt na svém horním konci, nebo dokonce samotný volný konec, se bude otáčet jako umělý satelit naší planety, pouze „přivázaný“ speciálním „lanem“ k zemskému povrchu.

K rovnováze sil dojde, když bude těžiště obřího lana ve výšce 36 tisíc kilometrů, tedy na takzvané geostacionární dráze. Právě tam visí umělé satelity nehybně nad Zemí a za 24 hodin s ní provedou úplnou revoluci. V tomto případě bude nejen napnutá, ale také bude moci neustále zaujímat přesně definovanou polohu – kolmo k zemskému horizontu, přesně směrem ke středu naší planety.

Obrázek 24. Vesmírný výtah podle představ umělce Pata Rawlingse*

Přetištěno z http://flightprojects.msfc.nasa.gov

K zahájení stavby vesmírného výtahu bude nutné provést několik letů raketoplánu. Oni a speciální platforma s vlastním autonomním motorem dopraví na geostacionární dráhu 20 tun kabelu. Poté má spustit jeden konec kabelu k Zemi a zajistit jej někde v rovníkové zóně Tichého oceánu na platformě podobné současné startovací rampě pro odpalování raket.

Poté plánují umístit podél kabelu speciální výtahy, které budou na kabel přidávat další a další vrstvy nanotrubičkového povlaku, čímž se zvýší jeho pevnost. Tento proces by měl trvat několik let a první vesmírný výtah bude připraven.

Podivuhodné náhody: v roce 1979 spisovatel sci-fi Arthur C. Clarke ve svém románu „The Fountains of Paradise“ předložil myšlenku „vesmírného výtahu“ a navrhl nahradit ocel určitým ultra silným „pseudo-jedna“. -dimenzionální diamantový krystal“, který se stal hlavním stavebním materiálem tohoto zařízení. Nejzajímavější je, že Clark málem uhodl Současná fáze zájmu o projekt stavby vesmírného výtahu je spojena právě s uhlíkovými krystaly – nanotrubičkami, které mají pozoruhodné vlastnosti, se kterými jsme se již seznámili.

A co je naprosto překvapivé: fyzik, jeden z účastníků vývoje vesmírného výtahu, se jmenuje Ron Morgan. Morgan se také jmenovala postava z románu Arthura C. Clarka, inženýr, který postavil vesmírný výtah!

Myšlenka vesmírného výtahu byla zmíněna ve sci-fi dílech britského spisovatele Arthura Charlese Clarka již v roce 1979. Ve svých románech napsal, že si byl naprosto jistý, že jednoho dne takový výtah postaví.

Ale první, kdo přišel s tak zvláštním nápadem, byl ruský inženýr a zakladatel ruské kosmonautiky Konstantin Eduardovič Ciolkovskij. Inspirován stavbou Eiffelovy věže navrhl postavit ještě vyšší věž několik tisíc kilometrů vysokou. Ciolkovskij navrhl zalidnění vesmíru pomocí orbitálních stanic, předložil myšlenky vesmírného výtahu a vznášedla.

Vesmírný výtah zní fantasticky. Ale lidé v 19. století by také nemohli uvěřit tomu, že se objeví takové technické vymoženosti, jako je letadlo nebo vesmírná loď. Obayashi Construction Corporation v Japonsku již zpracovává technickou dokumentaci pro přípravu stavby vesmírného výtahu. Náklady na projekt jsou 12 miliard dolarů. Stavba zařízení bude dokončena v roce 2050.

Potenciální výhody používání vesmírných výtahů jsou poměrně vysoké. Věc se má tak, že překonání gravitace pomocí tryskového pohonu je nepraktické. Například vypuštění raketoplánu jen jednou vyžaduje utratit 500 milionů dolarů, takže starty tradičních nosných raket již nejsou ekonomicky životaschopné.

Vesmírný výtah se skládá ze tří hlavních částí: základny, kabelu a protizávaží.

Masivní plošina v oceánu, představující základnu výtahu, bude držet jeden konec kabelu z uhlíkových vláken, na jehož konci bude protizávaží – těžký objekt, který bude fungovat jako satelit, rotující za naší planetou a drží na oběžné dráze odstředivou silou. Právě po tomto kabelu, nataženém k nebi do výšky až sto tisíc kilometrů, bude náklad stoupat do vesmíru.

Dopravit kilogram nákladu do vesmíru pomocí rakety stojí až 15 tisíc dolarů. Japonci spočítali, že za dodání nákladu o stejné hmotnosti na oběžnou dráhu by utratili... 100 dolarů

Vesmírný výtah je pečlivě zpracovaný nápad. Například bylo spočítáno, že kabel nemůže být vyroben z oceli. Jednoduše se roztrhne pod tíhou své vlastní. Materiál musí být 90krát pevnější a 10krát lehčí než ocel.

Inženýři hodlali jako kabely použít uhlíkové nanotrubice, ale ukázalo se, že z takového materiálu není možné uplést dlouhé kabely.

Zrovna nedávno se objevil vynález, který může konečně učinit fantazii vesmírného výtahu realitou. Tým výzkumníků pod vedením Johna Buddinga z Pensylvánské univerzity vytvořil ultratenká nanovlákna z mikroskopických diamantů, které jsou výrazně pevnější než nanotrubice a polymerová vlákna.

Tokyo Sky Tree je televizní věž v oblasti Sumida, nejvyšší televizní věž na světě.

Vedoucí výzkumného oddělení společnosti Obayashi Yoji Ishikawa věří, že know-how Pensylvánské univerzity skutečně dokáže přiblížit lidstvo vesmíru. Říká, že nový materiál samozřejmě musí projít řadou pevnostních testů, ale zdá se, že je to přesně to, co on a jeho kolegové tak dlouho hledali.

Obayashi již postavil vysokorychlostní výtahy pro televizní věž vysokou asi 635 metrů

NASA je nyní také úzce zapojena do tajného vývoje vesmírného výtahu. V budoucnu bude možné dopravit části obřích meziplanetárních lodí na oběžnou dráhu a sestavit je ve vesmíru. Takový projekt lze realizovat pouze s pomocí vesmírného výtahu.

Nejdůležitější však je, že stát, který jako první postaví vesmírný výtah, bude na mnoho staletí monopolizovat sféru přepravy vesmírných nákladů.

Ilustrace ke sci-fi románu Kim Stanley Robinsonové „Zelený Mars“ zobrazující
vesmírný výtah instalovaný na Marsu.

Přestože stavba vesmírného výtahu je již v našich inženýrských možnostech, vášně kolem této stavby bohužel v poslední době opadly. Důvodem je, že vědcům se zatím nepodařilo získat technologii výroby uhlíkových nanotrubic požadované síly v průmyslovém měřítku.

Myšlenku vypuštění nákladu na oběžnou dráhu bez raket navrhl stejný člověk, který založil teoretickou kosmonautiku - Konstantin Eduardovič Ciolkovskij. Inspirován Eiffelovou věží, kterou viděl v Paříži, popsal svou vizi vesmírného výtahu v podobě věže obrovské výšky. Jeho vrchol by byl pouze na geocentrické oběžné dráze.

Věž výtahu je založena na pevných materiálech, které zabraňují stlačení – ale moderní nápady pro vesmírné výtahy stále zvažují verzi s kabely, které musí mít pevnost v tahu. Tuto myšlenku poprvé navrhl v roce 1959 jiný ruský vědec Jurij Nikolajevič Artsutanov. První vědecká práce s podrobnými výpočty vesmírného výtahu ve formě kabelu byla publikována v roce 1975 a v roce 1979 ji Arthur C. Clarke zpopularizoval ve svém díle „The Fountains of Paradise“.

Přestože jsou nanotrubice v současnosti uznávány jako nejpevnější materiál a jako jediný vhodný pro stavbu výtahu v podobě kabelu táhnoucího se od geostacionární družice, síla nanotrubiček získaných v laboratoři zatím nestačí k dosažení vypočtené pevnosti.

Teoreticky by pevnost nanotrubic měla být více než 120 GPa, ale v praxi byla nejvyšší tažnost jednostěnné nanotrubice 52 GPa a v průměru se lámaly v rozmezí 30-50 GPa. Kosmický výtah vyžaduje materiály o pevnosti 65-120 GPa.

Koncem loňského roku promítal největší americký festival dokumentárních filmů DocNYC film Sky Line, který popisuje pokusy amerických inženýrů postavit vesmírný výtah – včetně účastníků soutěže NASA X-Prize.

Hlavními postavami filmu jsou Bradley Edwards a Michael Lane. Edwards je astrofyzik, který od roku 1998 pracuje na myšlence vesmírného výtahu. Lane je podnikatel a zakladatel společnosti LiftPort, která propaguje komerční využití uhlíkových nanotrubic.

Koncem 90. let a začátkem 20. století Edwards, který získal granty od NASA, intenzivně rozvíjel myšlenku vesmírného výtahu, kalkuloval a vyhodnocoval všechny aspekty projektu. Všechny jeho výpočty ukazují, že tato myšlenka je proveditelná - pokud se objeví vlákno dostatečně silné pro kabel.

Edwards krátce spolupracoval s LiftPort, aby hledal financování projektu výtahu, ale kvůli vnitřním neshodám se projekt nikdy neuskutečnil. LiftPort byl uzavřen v roce 2007, i když o rok dříve úspěšně předvedl robota šplhajícího po míli dlouhém vertikálním kabelu zavěšeném na balónech jako součást proof of concept pro některé ze svých technologií.

Tento soukromý prostor, který se soustředí na opakovaně použitelné rakety, by mohl v dohledné době zcela nahradit vývoj vesmírných výtahů. Kosmický výtah je podle něj atraktivní už jen tím, že nabízí levnější způsoby dopravy nákladu na oběžnou dráhu a právě proto, aby se náklady na tuto dodávku snížily, jsou vyvíjeny opakovaně použitelné rakety.

Edwards viní stagnaci nápadu z nedostatku skutečné podpory projektu. „Takto vypadají projekty, které stovky lidí roztroušených po celém světě vyvíjejí jako hobby. Nebude dosaženo žádného vážného pokroku, dokud nebude existovat skutečná podpora a centralizovaná kontrola.“

Situace s rozvojem myšlenky vesmírného výtahu v Japonsku je odlišná. Země je známá svým vývojem v oblasti robotiky a japonský fyzik Sumio Iijima je považován za průkopníka v oblasti nanotrubic. Myšlenka vesmírného výtahu je zde téměř národní.

Japonská společnost Obayashi slibuje, že do roku 2050 dodá funkční vesmírný výtah. Výkonný ředitel společnosti Yoji Ishikawa říká, že spolupracují se soukromými dodavateli a místními univerzitami na vylepšení stávající technologie nanotrubiček.

Ishikawa říká, že ačkoli společnost chápe komplexnost projektu, nevidí žádné zásadní překážky pro jeho realizaci. Věří také, že popularita myšlenky vesmírného výtahu v Japonsku je způsobena potřebou mít nějakou národní myšlenku, která spojuje lidi na pozadí obtížné ekonomické situace posledních několika desetiletí.

Ishikawa je přesvědčen, že ačkoli myšlenku takového rozsahu lze s největší pravděpodobností realizovat pouze prostřednictvím mezinárodní spolupráce, Japonsko by se mohlo stát její hnací silou kvůli velké popularitě vesmírného výtahu v zemi.

Mezitím kanadská vesmírná a obranná společnost Thoth Technology US No. 9085897 pro svou variantu vesmírného výtahu. Přesněji řečeno, koncept zahrnuje konstrukci věže, která si zachovává tuhost díky stlačenému plynu.

Věž by měla náklad dopravit do výšky 20 km, odkud budou vyneseny na oběžnou dráhu pomocí konvenčních raket. Tato přechodná varianta podle propočtů společnosti ušetří až 30 % paliva ve srovnání s raketou.

Zrovna jsem si prohlížel vědecké problémy, za které nabízejí velké odměny, a narazil jsem na tento zvláštní - natahování kabelu do vesmíru.

Hypotetickou myšlenku postavit takovou strukturu, která by byla založena na použití kabelu nataženého z povrchu planety k orbitální stanici, poprvé vyslovil již v roce 1895 Konstantin Ciolkovskij. Od té doby, přes všechny úspěchy vědy a techniky, projekt zůstává pouze ve fázi nápadu.

Kolik je cenový fond pro tento projekt?

Od roku 2005 se ve Spojených státech každoročně koná soutěž Space Elevator Games, kterou pořádá Spaceward Foundation s podporou NASA. V těchto soutěžích jsou dvě kategorie: „nejlepší kabel“ a „nejlepší robot (výtah)“.

To znamená, že abyste získali bonus, nemusíte stavět plně funkční vesmírný výtah. Stačí vyvinout nápad na vhodný kabel nebo vhodný výtah a postavit jejich prototypy. V roce 2009 činil celkový cenový fond Space Elevator Games 4 000 000 $.

Proč je o tento konkrétní způsob výstupu do vesmíru takový zájem? Napadá vás něco levného? Ale udržování tak složité infrastruktury, zvednutí kabelu, odstranění útesu – může být dražší než vypuštění rakety. Kolik hmoty lze zvednout pomocí takového kabelu? Nemyslím si, že je to mnoho a je třeba vzít v úvahu i náklady na energii.

To jsou myšlenky, které nyní bloudí v myslích výzkumníků a designérů o ELEVATOR TO Space.

Výtahy, které dokážou přepravit lidi a náklad z povrchu planety do vesmíru, by mohly znamenat konec vesmírných raket. Ale vyrobit takový výtah je nesmírně obtížné. Koncept vesmírných výtahů byl znám již dávno a představil jej Konstantin Eduardovič Ciolkovskij, ale od té doby jsme se k praktickému provedení takového mechanismu ani o kousek nepřiblížili. Elon Musk nedávno tweetoval: "A prosím, neptejte se mě na otázky ohledně vesmírných výtahů, dokud nevypěstujeme materiál z uhlíkových nanotrubic alespoň metr dlouhý."

Elon Musk je mnohými považován za vizionáře naší doby – průkopníka soukromého průzkumu vesmíru a muže stojícího za myšlenkou dopravního systému Hyperloop, schopného přepravit lidi z Los Angeles do San Francisca kovovou trubkou během pouhých 35 minut. Existují však myšlenky, které i on považuje za příliš přitažené za vlasy. Včetně vesmírného výtahu.

"Je to neuvěřitelně těžké." Nemyslím si, že postavit vesmírný výtah je realistický nápad,“ řekl Musk loni v říjnu na konferenci na MIT a dodal, že by bylo jednodušší postavit most z Los Angeles do Tokia než výtah, který by mohl přepravovat materiály do vesmíru.

Posílání lidí a nákladu do vesmíru v kapslích, které se táhnou po obřím kabelu drženém na místě rotací Země, bylo znázorněno v dílech spisovatelů sci-fi, jako je Arthur C. Clarke, ale bylo nepravděpodobné, že by to bylo možné v reálném světě. Ukazuje se, že klameme sami sebe a naše schopnosti nestačí vyřešit tento složitý technický problém?

Zastánci vesmírných výtahů si myslí, že to stačí. Chemické rakety považují za zastaralé, riskantní, poškozující životní prostředí a finanční únik. Jejich alternativou je v podstatě vlaková linka do vesmíru: elektricky poháněná kosmická loď pohybující se z kotvy na Zemi na těžkém laně spojeném s protizávažím na geostacionární oběžné dráze kolem planety. Jakmile budou vesmírné výtahy zprovozněny, mohly by do vesmíru dopravit užitečné zatížení za pouhých 500 dolarů za kilogram, ve srovnání s 20 000 dolary za kilogram při současných sazbách.

„Tato fenomenálně výkonná technologie by mohla otevřít sluneční soustavu lidstvu,“ říká Peter Swan, prezident International Space Elevator Consortium. "Myslím, že první výtahy budou robotické a za 10-15 let vyrobíme šest až osm výtahů, které budou dostatečně bezpečné pro přepravu lidí."

Bohužel by taková struktura nemusela být jen 100 000 kilometrů dlouhá – více než dvojnásobek obvodu Země – musela by také unést svou vlastní váhu. Na Zemi zatím není žádný materiál s takovými vlastnostmi.

Někteří vědci se však domnívají, že to lze provést – a během tohoto století se to stane realitou. Velká japonská stavební firma slíbil, že ji vytvoří do roku 2050 rok. Američtí vědci, kteří nedávno vyvinuli materiál podobný diamantu vyrobený z nanovláken, také věří, že kabel pro vesmírný výtah se objeví ještě před koncem století.

Konstrukce takové neuvěřitelné struktury bude vycházet ze speciálního kabelu vyrobeného z tenkých a ultrapevných uhlíkových nanotrubiček. Tento kabel bude mít délku 96 tisíc kilometrů.

Podle fyzikálních zákonů zabrání pádu takového kabelu odstředivá síla rotace, která ho natáhne po celé délce. V případě úspěchu bude výtah schopen jet rychlostí 200 km/h a v kabině unese až 30 osob. Ve výšce 36 tisíc kilometrů, kam se výtah dostane za týden, je plánována zastávka. Výtah vyveze turisty do této výšky a výzkumníci a specialisté budou moci vystoupat až na samotný vrchol.

Moderní nápady na vesmírný výtah pocházejí z roku 1895, kdy se Konstantin Ciolkovskij inspiroval nově postavenou Eiffelovou věží v Paříži a vypočítal fyziku stavby budovy, která sahá až do vesmíru, aby mohla být kosmická loď vypuštěna z oběžné dráhy bez raket. V románu Arthura C. Clarka The Fountains of Heaven z roku 1979 hlavní hrdina staví vesmírný výtah s podobným designem, jaký je dnes představen.

Ale jak z toho udělat realitu? „Miluji pobuřující nápad,“ říká Kevin Fong, zakladatel Centra pro nadmořskou výšku, vesmír a extrémní medicínu na University College London. "Chápu, proč se lidem tento nápad líbí, protože kdybyste se mohli levně a bezpečně dostat na nízkou oběžnou dráhu Země, velmi brzy byste měli k dispozici vnitřní sluneční soustavu."

Bezpečnostní otázka

Kámen úrazu spočívá v tom, jak takový systém postavit. „Pro začátek musí být vytvořen z materiálu, který ještě neexistuje, ale je pevný a pružný se správnými hmotnostními a hustotními charakteristikami, aby podporoval transport a odolal neuvěřitelným vnějším silám,“ říká Fong. "Myslím, že to vše bude vyžadovat řadu nejambicióznějších orbitálních misí a vesmírných procházek na nízké a vysoké oběžné dráze Země v historii našeho druhu."

Existují také obavy o bezpečnost, dodává. „I kdybychom dokázali vyřešit značné technické potíže spojené se stavbou takové věci, obraz, který se objeví, je děsivý obrázek obřího sýra s dírami, které udělalo všechno to vesmírné smetí a trosky nahoře.“

Za posledních 12 let byly předloženy tři podrobné detailní návrhy. První, kterou publikovali Brad Edwards a Eric Westling v knize Space Elevators z roku 2003, předpokládala přepravu 20tunové užitečné zátěže poháněné pozemskými lasery za cenu 150 dolarů za kilogram a celkové náklady na stavbu 6 miliard dolarů.

Návrh Mezinárodní asociace astronautů z roku 2013, který vzal tento koncept za základ, již během prvních 40 kilometrů kabinu zvětral a poté ji vybavil solárními panely. Doprava podle tohoto plánu stojí 500 dolarů za kilogram a výstavba celé konstrukce stojí 13 miliard dolarů na první projekt (pak je vždy levnější).

Tyto návrhy zahrnují protizávaží v podobě zachyceného asteroidu na oběžné dráze Země. Zpráva IAA uvádí, že tato položka může být jednoho dne možná, ale ne v blízké budoucnosti.

plovoucí kotva

Místo toho by 1900tunová část, která by podpírala 6300tunové lano, mohla být sestavena z kosmické lodi a vozidel, která nosila lano do vesmíru. Doplní jej také zachycené satelity, které přestaly fungovat a zůstaly viset na oběžné dráze jako vesmírný odpad.

Navrhli také představit si kotvu na Zemi jako plovoucí plošinu velikosti velkého tankeru nebo letadlové lodi poblíž rovníku, protože by to zvýšilo její nosnost. Preferovanou lokalitou je bod 1000 kilometrů západně od souostroví Galapágy: hurikány, tajfuny a tornáda jsou tam považovány za vzácné.

Obayashi Corp., jedna z pěti největších japonských stavebních společností, loni odhalila plány na ještě robustnější vesmírný výtah nesoucí robotická vozidla poháněná motory maglev, jako jsou ta, která se používají na vysokorychlostní železnici. Mohly by přepravovat lidi s požadovanou pevností kabelu. Tento design by stál odhadem 100 miliard dolarů, ale doprava by stála 50 až 100 dolarů za kilogram.

I když existuje jistě mnoho překážek, jedinou součástí, bez které by dnes stavba vesmírného výtahu nebyla možná, je samotný kabel, říká Swan.

„Najít materiál, ze kterého by se dal vyrobit kabel, je velký technologický problém,“ říká. - Všechno ostatní je nesmysl. Tohle všechno už umíme."

Diamantové dráty

Hlavním uchazečem je kabel vyrobený z uhlíkových nanotrubiček, které byly vytvořeny v laboratoři tak, aby měly pevnost v tahu 63 gigapascalů – 13krát silnější než nejlepší ocel.

Maximální délka uhlíkových nanotrubic se od jejich objevu v roce 1991 neustále zvyšuje. V roce 2013 již čínští vědci dosáhli půlmetrové délky. Autoři zprávy IAA předpovídají délku kabelu z uhlíkových nanotrubiček do roku 2022 na kilometr a do roku 2030 – nutnou pro výrobu vesmírného výtahu.

Mezitím byl v září odhalen nový uchazeč o vesmírné lano. Tým vedený Johnem Buddingem, profesorem chemie na Pennsylvania State University, publikoval článek v Nature, ve kterém tvrdí, že vytvořil ultratenká diamantová nanovlákna, která mohou být silnější a tužší než uhlíkové nanotrubice.

Tým začal stlačováním benzenu při atmosférickém tlaku 200 000 atmosfér. Když se pak tlak pomalu uvolnil, atomy se znovu poskládaly do nové, vysoce uspořádané struktury, jako čtyřstěn.

Tyto tvary se spojily a vytvořily ultratenká nanovlákna extrémně podobnou strukturou diamantu. Přestože zatím není možné změřit jejich pevnost přímo kvůli jejich velikosti, teoretické výpočty ukázaly, že vlákna mohou být pevnější a tužší než nejpevnější syntetické materiály, které jsou dnes k dispozici.

Snížení rizika

„Pokud bychom se dokázali naučit vyrábět materiály na bázi diamantových nanovláken nebo uhlíkových nanotrubic dostatečně dlouho a vysoce kvalitní, věda naznačuje, že bychom mohli rovnou začít stavět vesmírný výtah,“ říká Budding.

Ale i kdyby se jeden z těchto materiálů ukázal jako dostatečně pevný, zůstává montáž a instalace jednotlivých prvků vesmírného výtahu velmi problematickým počinem. Mezi další bolesti hlavy bude patřit bezpečnost, získávání finančních prostředků, uspokojování konkurenčních zájmů atd. Swan se tím alespoň netrápí.

"Samozřejmě se vyskytnou vážné problémy, stejně jako u těch, kteří postavili první transkontinentální železnici a Panamské a Suezské průplavy," říká. "Bude to vyžadovat spoustu času a peněz, ale stejně jako všechny velké podniky musíte překonat překážky pouze jednou."

Ani Musk se nemůže přimět, aby tuto myšlenku zdiskreditoval. "Tohle není něco, o čem teď můžeme mluvit," řekl. "Ale kdyby mě někdo dokázal přesvědčit o opaku, bylo by to skvělé."

A někteří vědci vyjadřují následujících pět důvodů, proč takový výtah nikdy nebude postaven:

1. Pro kabel není dostatečně pevný materiál

Zatížení kabelu může přesáhnout 100 000 kg/m, takže materiál pro jeho výrobu musí mít extrémně vysokou pevnost, aby odolal natahování, a zároveň velmi nízkou hustotu. I když takový materiál neexistuje, vhodné nejsou ani uhlíkové nanotrubice, které jsou nyní považovány za nejpevnější a nejpružnější materiály na planetě.

Technologie na jejich výrobu se bohužel teprve začíná vyvíjet. Doposud bylo možné získat malé kousky materiálu: nejdelší nanotrubice, která byla vytvořena, je několik centimetrů dlouhá a několik nanometrů široká. Zda z toho někdy bude možné vyrobit dostatečně dlouhý kabel, se zatím neví.

2. Náchylnost k nebezpečným vibracím

Kabel bude náchylný na nepředvídatelné poryvy slunečního větru – pod jeho vlivem se ohne, a to negativně ovlivní stabilitu výtahu. Mikromotory mohou být připojeny ke kabelu jako stabilizátory, ale toto opatření způsobí další potíže z hlediska údržby konstrukce. Navíc to znesnadní pohyb po kabelu speciálním kabinám, takzvaným „lezcům“. Kabel se s nimi s největší pravděpodobností dostane do rezonance.

3. Coriolisova síla

Kabel a „lezci“ jsou nehybní vzhledem k povrchu Země. Ale vzhledem ke středu Země se objekt bude pohybovat rychlostí 1700 km/h na povrchu a 10 000 km/h na oběžné dráze. V souladu s tím musí „lezci“ mít při startu tuto rychlost. „Horolezec“ zrychluje ve směru kolmém na lano, a proto se lano bude houpat jako kyvadlo. Zároveň vzniká síla, která se snaží odtrhnout náš kabel od Země. Síla je nepřímo úměrná průhybu lanka a přímo úměrná rychlosti zvedání břemene a jeho hmotnosti. Coriolisova síla tedy brání rychlému zvedání břemen na geostacionární dráhu.
S Coriolisovou silou můžete bojovat pouhým vypuštěním dvou „lezců“ současně – ze Země az oběžné dráhy, ale pak síla mezi dvěma zátěžemi natáhne lano ještě více. Další možností je bolestivě pomalé stoupání po housenkových drahách.

4. Satelity a vesmírný odpad

Za posledních 50 let lidstvo vypustilo do vesmíru mnoho objektů – užitečných i ne tak užitečných. Buď to všechno budou muset stavitelé výtahů najít a odstranit (což je vzhledem k množství užitečných satelitů nebo orbitálních dalekohledů nemožné), nebo zajistit systém, který objekt ochrání před kolizemi. Kabel je teoreticky nehybný, takže jakékoli těleso rotující kolem Země se s ním dříve nebo později srazí. Kromě toho bude rychlost kolize téměř rovna rychlosti otáčení tohoto tělesa, takže dojde k velkému poškození kabelu. S kabelem nelze manévrovat a je dlouhý, takže kolize budou časté.
Jak se s tím vypořádat, zatím není jasné. Vědci mluví o sestrojení orbitálního vesmírného laseru na spalování odpadků, ale to je zcela mimo oblast sci-fi.

5. Sociální a environmentální rizika

Vesmírný výtah se klidně může stát cílem teroristického útoku. Úspěšná demoliční operace způsobí obrovské škody a může dokonce celý projekt pohřbít, takže současně s výtahem budete muset kolem něj vybudovat nepřetržitou obranu.

Ekologové se domnívají, že kabel paradoxně dokáže posunout zemskou osu. Kabel bude pevně upevněn na oběžné dráze a jakýkoli jeho pohyb nahoře se projeví na Zemi. Mimochodem, dovedete si představit, co se stane, když se náhle rozbije?

Realizovat takový projekt na Zemi je tedy velmi obtížné. Nyní dobrá zpráva: bude fungovat na Měsíci. Gravitační síla na satelit je mnohem menší a prakticky neexistuje žádná atmosféra. V gravitačním poli Země lze vytvořit kotvu a Lagrangeovým bodem projde kabel z Měsíce - získáme tak komunikační kanál mezi planetou a jejím přirozeným satelitem. Za příznivých podmínek bude takový kabel schopen dopravit na oběžnou dráhu Země asi 1000 tun nákladu denně. Materiál samozřejmě bude muset být superpevný, ale nebudete muset vymýšlet nic zásadně nového. Je pravda, že délka „měsíčního“ výtahu bude muset být asi 190 000 km kvůli efektu zvanému Gomanovova trajektorie.

Zdroje

Přestože stavba vesmírného výtahu je již v našich inženýrských možnostech, vášně kolem této stavby bohužel v poslední době opadly. Důvodem je, že vědcům se zatím nepodařilo získat technologii výroby uhlíkových nanotrubic požadované síly v průmyslovém měřítku.

Myšlenku vypuštění nákladu na oběžnou dráhu bez raket navrhl stejný člověk, který založil teoretickou kosmonautiku - Konstantin Eduardovič Ciolkovskij. Inspirován Eiffelovou věží, kterou viděl v Paříži, popsal svou vizi vesmírného výtahu v podobě věže obrovské výšky. Jeho vrchol by byl pouze na geocentrické oběžné dráze.

Věž výtahu je založena na pevných materiálech, které zabraňují stlačení – ale moderní nápady pro vesmírné výtahy stále zvažují verzi s kabely, které musí mít pevnost v tahu. Tuto myšlenku poprvé navrhl v roce 1959 jiný ruský vědec Jurij Nikolajevič Artsutanov. První vědecká práce s podrobnými výpočty vesmírného výtahu ve formě kabelu byla publikována v roce 1975 a v roce 1979 ji Arthur C. Clarke zpopularizoval ve svém díle „The Fountains of Paradise“.

Přestože jsou nanotrubice v současnosti uznávány jako nejpevnější materiál a jako jediný vhodný pro stavbu výtahu v podobě kabelu táhnoucího se od geostacionární družice, síla nanotrubiček získaných v laboratoři zatím nestačí k dosažení vypočtené pevnosti.

Teoreticky by pevnost nanotrubic měla být více než 120 GPa, ale v praxi byla nejvyšší tažnost jednostěnné nanotrubice 52 GPa a v průměru se lámaly v rozmezí 30-50 GPa. Kosmický výtah vyžaduje materiály o pevnosti 65-120 GPa.

Koncem loňského roku promítal největší americký festival dokumentárních filmů DocNYC film Sky Line, který popisuje pokusy amerických inženýrů postavit vesmírný výtah – včetně účastníků soutěže NASA X-Prize.

Hlavními postavami filmu jsou Bradley Edwards a Michael Lane. Edwards je astrofyzik, který od roku 1998 pracuje na myšlence vesmírného výtahu. Lane je podnikatel a zakladatel společnosti LiftPort, která propaguje komerční využití uhlíkových nanotrubic.

Koncem 90. let a začátkem 20. století Edwards, který získal granty od NASA, intenzivně rozvíjel myšlenku vesmírného výtahu, kalkuloval a vyhodnocoval všechny aspekty projektu. Všechny jeho výpočty ukazují, že tato myšlenka je proveditelná - pokud se objeví vlákno dostatečně silné pro kabel.

Edwards krátce spolupracoval s LiftPort, aby hledal financování projektu výtahu, ale kvůli vnitřním neshodám se projekt nikdy neuskutečnil. LiftPort byl uzavřen v roce 2007, i když o rok dříve úspěšně předvedl robota šplhajícího po míli dlouhém vertikálním kabelu zavěšeném na balónech jako součást proof of concept pro některé ze svých technologií.

Tento soukromý prostor, který se soustředí na opakovaně použitelné rakety, by mohl v dohledné době zcela nahradit vývoj vesmírných výtahů. Kosmický výtah je podle něj atraktivní už jen tím, že nabízí levnější způsoby dopravy nákladu na oběžnou dráhu a právě proto, aby se náklady na tuto dodávku snížily, jsou vyvíjeny opakovaně použitelné rakety.

Edwards viní stagnaci nápadu z nedostatku skutečné podpory projektu. „Takto vypadají projekty, které stovky lidí roztroušených po celém světě vyvíjejí jako hobby. Nebude dosaženo žádného vážného pokroku, dokud nebude existovat skutečná podpora a centralizovaná kontrola.“

Situace s rozvojem myšlenky vesmírného výtahu v Japonsku je odlišná. Země je známá svým vývojem v oblasti robotiky a japonský fyzik Sumio Iijima je považován za průkopníka v oblasti nanotrubic. Myšlenka vesmírného výtahu je zde téměř národní.

Japonská společnost Obayashi slibuje, že do roku 2050 dodá funkční vesmírný výtah. Výkonný ředitel společnosti Yoji Ishikawa říká, že spolupracují se soukromými dodavateli a místními univerzitami na vylepšení stávající technologie nanotrubiček.

Ishikawa říká, že ačkoli společnost chápe komplexnost projektu, nevidí žádné zásadní překážky pro jeho realizaci. Věří také, že popularita myšlenky vesmírného výtahu v Japonsku je způsobena potřebou mít nějakou národní myšlenku, která spojuje lidi na pozadí obtížné ekonomické situace posledních několika desetiletí.

Ishikawa je přesvědčen, že ačkoli myšlenku takového rozsahu lze s největší pravděpodobností realizovat pouze prostřednictvím mezinárodní spolupráce, Japonsko by se mohlo stát její hnací silou kvůli velké popularitě vesmírného výtahu v zemi.

Mezitím kanadská vesmírná a obranná společnost Thoth Technology získala loni v létě americký patent č. 9 085 897 za svou verzi vesmírného výtahu. Přesněji řečeno, koncept zahrnuje konstrukci věže, která si zachovává tuhost díky stlačenému plynu.

Věž by měla náklad dopravit do výšky 20 km, odkud budou vyneseny na oběžnou dráhu pomocí konvenčních raket. Tato přechodná varianta podle propočtů společnosti ušetří až 30 % paliva ve srovnání s raketou.