Kosmiczna winda

Każdy, kto myśli, że przy pomocy nanotechnologii można stworzyć jedynie coś submikroskopowego, niewidocznego dla ludzkiego oka, zapewne będzie zaskoczony projektem rozwijanym ostatnio przez specjalistów z NASA, który wzbudził tak duże zainteresowanie naukowców i ogółu społeczeństwa. publiczny. Mówimy o tak zwanym projekcie windy kosmicznej.

Winda kosmiczna to kabel o długości kilkudziesięciu tysięcy kilometrów, który łączy orbitującą stację kosmiczną z platformą zlokalizowaną na środku Pacyfiku.

Pomysł windy kosmicznej ma ponad sto lat. Pierwszym, który o tym mówił w 1895 roku, był wielki rosyjski naukowiec Konstantin Ciołkowski, twórca współczesnej kosmonautyki. Podkreślił, że zasada leżąca u podstaw współczesnej nauki o rakietach nie pozwala, aby nowoczesne rakiety nośne były skutecznym środkiem dostarczania ładunku w przestrzeń kosmiczną. Istnieje kilka powodów:

Po pierwsze, wydajność nowoczesnych rakiet jest bardzo niska ze względu na fakt, że lwia część mocy silników pierwszego stopnia przeznaczona jest na pokonanie siły grawitacji.

Po drugie wiadomo, że kilkukrotne znaczne zwiększenie masy paliwa daje jedynie niewielki wzrost prędkościrakiety. Dlatego na przykład amerykański system rakietowy Saturn-Apollo o masie startowej 2900 ton wystrzelił na orbitę zaledwie 129 ton. Stąd astronomiczny koszt wystrzelenia w przestrzeń kosmiczną za pomocą rakiet (koszt wystrzelenia kilograma ładunku na niską orbitę wynosi średnio około 10 000 dolarów).

I mimo wielokrotnych prób obniżenia kosztów wystrzeliwania rakiet okazuje się, że koszt transportu towarów i ludzi na orbitę radykalnie spada do kosztu standardowego transportu powietrznego opartego na nowoczesnych technologiach rakietowych

zasadniczo niemożliwe.

Aby taniej wysyłać ładunek w przestrzeń kosmiczną, naukowcy z Los Alamos National Laboratory zaproponowali stworzenie kosmicznej windy. Według wstępnych szacunków koszt wywozu ładunku windą może spaść z kilkudziesięciu tysięcy dolarów do 10 dolarów za kilogram. Naukowcy wierzą

że kosmiczna winda może dosłownie wywrócić świat do góry nogami, dając ludzkości zupełnie nowe możliwości.

Zasadniczo windą będzie kabel łączący stację orbitalną z platformą na powierzchni Ziemi, po której kabiny na gąsienicach będą przemieszczać się w górę i w dół, przewożąc satelity i sondy, które należy wynieść na orbitę. Za pomocą tej windy na samej górze będzie można zbudować w kosmosie platformę startową dla statków kosmicznych zmierzających na Księżyc, Marsa, Wenus i asteroidy. Problem zasilania samych „kabin” wind został rozwiązany w oryginalny sposób: kabel zostanie pokryty panelami słonecznymi lub kabiny zostaną wyposażone w małe panele fotowoltaiczne, które będą oświetlane potężnymi laserami z Ziemi.

Naukowcy proponują umieszczenie bazy naziemnej windy kosmicznej w oceanie, w wodach równikowych Pacyfiku, setki kilometrów od komercyjnych tras lotów. Wiadomo, że huragany nigdy nie przekraczają równika i prawie nie ma tu piorunów, co zapewni windzie dodatkową ochronę.

Winda kosmiczna została opisana w pracach Ciołkowskiego, a także pisarza science fiction Arthura C. Clarke'a, a projekt budowy takiej windy opracował leningradzki inżynier Jurij Artsutanow w 1960 roku. Przez wiele lat aktywnym propagatorem idei kosmicznej windy był Astrachań

naukowiec G. Polyakov.

Jednak do tej pory nikt nie był w stanie zaoferować materiału tak lekkiego i wytrzymałego, aby można było go wykorzystać do produkcji kabla kosmicznego. Do niedawna najtrwalszym materiałem była stal. Nie jest jednak możliwe wykonanie liny stalowej o długości kilku tysięcy kilometrów, gdyż nawet uproszczone obliczenia wskazują, że lina stalowa o wymaganej wytrzymałości zawaliłaby się pod własnym ciężarem już na wysokości 50 km.

Jednak wraz z rozwojem nanotechnologii pojawiła się realna szansa na wyprodukowanie kabla o wymaganych właściwościach w oparciu o włókna z ultrawytrzymałych i ultralekkich nanorurek węglowych.Do tej pory nikomu nie udało się wyprodukować nawet metrowego kabla kabel z nanorurek, ale zdaniem twórców projektu technologie produkcji nanorurek są z każdym dniem udoskonalane, więc taki kabel być może uda się zrobić za kilka lat.

Głównym elementem windy jest lina, której jeden koniec jest przymocowany do powierzchni Ziemi, a drugi zagubiony jest w przestrzeni kosmicznej na wysokości około 100 tys. km. Kabel ten nie tylko będzie „wisał” w przestrzeni kosmicznej, ale będzie rozciągnięty jak sznurek, dzięki działaniu dwóch wielokierunkowych sił: środka

uciekający i dośrodkowy.

Aby zrozumieć ich naturę, wyobraź sobie, że przywiązałeś przedmiot do liny i zacząłeś go odkręcać. Gdy tylko osiągnie określoną prędkość, lina napręży się, ponieważ na obiekt działa siła odśrodkowa, a na samą linę działa siła dośrodkowa, która ją ciągnie. Coś podobnego stanie się z kablem wyniesionym w przestrzeń. Każdy obiekt na jego górnym końcu, a nawet sam wolny koniec, będzie się obracał, jak sztuczny satelita naszej planety, jedynie „przywiązany” specjalną „liną” do powierzchni ziemi.

Równowaga sił nastąpi, gdy środek masy gigantycznej liny znajdzie się na wysokości 36 tysięcy kilometrów, czyli na tzw. orbicie geostacjonarnej. To tam sztuczne satelity wiszą nieruchomo nad Ziemią, dokonując z nią pełnego obrotu w ciągu 24 godzin. W tym przypadku nie tylko będzie napięty, ale będzie mógł stale zajmować ściśle określoną pozycję - pionowo do horyzontu Ziemi, dokładnie w stronę centrum naszej planety.

Rysunek 24. Winda kosmiczna według wyobrażeń artysty Pata Rawlingsa*

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

Aby rozpocząć budowę windy kosmicznej, konieczne będzie wykonanie kilku lotów promem kosmicznym. Razem ze specjalną platformą z własnym autonomicznym silnikiem dostarczą na orbitę geostacjonarną 20 ton kabla. Następnie ma opuścić jeden koniec kabla na Ziemię i zabezpieczyć go gdzieś w strefie równikowej Pacyfiku na platformie przypominającej obecną platformę startową do wystrzeliwania rakiet.

Następnie planują umieścić wzdłuż kabla specjalne podnośniki, które będą nakładać na kabel coraz więcej warstw powłoki nanorurkowej, zwiększając jego wytrzymałość. Proces ten powinien zająć kilka lat, a pierwsza kosmiczna winda będzie gotowa.

Ciekawe zbiegi okoliczności: w 1979 roku pisarz science fiction Arthur C. Clarke w swojej powieści „Fontanna raju” przedstawił pomysł „windy kosmicznej” i zaproponował zastąpienie stali pewnym ultramocnym „pseudo-jednostką” wielowymiarowego kryształu diamentu”, który stał się głównym materiałem konstrukcyjnym tego urządzenia. Najciekawsze jest to, że Clark prawie się domyślił.Obecny etap zainteresowania projektem budowy kosmicznej windy wiąże się właśnie z kryształami węgla – nanorurkami, które mają niezwykłe właściwości, z którymi już się zapoznaliśmy.

I co jest absolutnie zaskakujące: fizyk, jeden z uczestników rozwoju kosmicznej windy, nazywa się Ron Morgan. Morgan to także imię bohatera powieści Arthura C. Clarke’a, inżyniera, który zbudował windę kosmiczną!

Pomysł windy kosmicznej pojawił się w dziełach science fiction brytyjskiego pisarza Arthura Charlesa Clarke’a już w 1979 roku. W swoich powieściach pisał, że jest absolutnie pewien, że kiedyś taka winda zostanie zbudowana.

Ale pierwszą osobą, która wpadła na tak dziwny pomysł, był rosyjski inżynier i twórca rosyjskiej kosmonautyki Konstantin Eduardowicz Ciołkowski. Zainspirowany budową Wieży Eiffla zaproponował zbudowanie jeszcze wyższej wieży o wysokości kilku tysięcy kilometrów. Ciołkowski zaproponował zaludnienie przestrzeni kosmicznej za pomocą stacji orbitalnych, przedstawił pomysły kosmicznej windy i poduszkowca.

Winda kosmiczna brzmi fantastycznie. Ale ludzie w XIX wieku również nie mogli uwierzyć w pojawienie się takich osiągnięć technicznych jak samolot czy statek kosmiczny. Firma Obayashi Construction Corporation w Japonii już opracowuje dokumentację techniczną niezbędną do przygotowania budowy kosmicznej windy. Koszt projektu to 12 miliardów dolarów. Budowa obiektu zakończy się w 2050 roku.

Potencjalne korzyści wynikające z korzystania z wind kosmicznych są dość duże. Rzecz w tym, że pokonanie grawitacji za pomocą napędu odrzutowego jest niepraktyczne. Na przykład jednorazowe wystrzelenie wahadłowca wymaga wydania 500 milionów dolarów, co sprawia, że ​​wystrzelenie tradycyjnych rakiet nośnych nie jest już opłacalne.

Winda kosmiczna składa się z trzech głównych części: podstawy, liny i przeciwwagi.

Masywna platforma w oceanie, stanowiąca podstawę windy, będzie podtrzymywać jeden koniec kabla z włókna węglowego, na końcu którego znajdować się będzie przeciwwaga – ciężki obiekt, który będzie działał jak satelita, obracający się za naszą planetą i utrzymywane na orbicie dzięki sile odśrodkowej. To właśnie tym kablem, rozciągniętym w niebo na wysokość do stu tysięcy kilometrów, ładunek wzniesie się w przestrzeń kosmiczną.

Wysłanie kilograma ładunku w przestrzeń kosmiczną za pomocą rakiety kosztuje nawet 15 tysięcy dolarów. Japończycy obliczyli, że aby dostarczyć na orbitę ładunek o tej samej masie, wydadzą… 100 dolarów

Winda kosmiczna to starannie przemyślany pomysł. Obliczono na przykład, że lina nie może być wykonana ze stali. Po prostu rozerwie się pod własnym ciężarem. Materiał musi być 90 razy mocniejszy i 10 razy lżejszy od stali.

Inżynierowie mieli zamiar wykorzystać jako kable nanorurki węglowe, ale okazało się, że z takiego materiału nie da się utkać długich kabli.

Niedawno pojawił się wynalazek, który może w końcu urzeczywistnić fantazję o kosmicznej windzie. Zespół naukowców pod kierownictwem Johna Buddinga z Uniwersytetu w Pensylwanii stworzył ultracienkie nanorurki z mikroskopijnych diamentów, które są znacznie mocniejsze niż nanorurki i włókna polimerowe.

Tokyo Sky Tree to wieża telewizyjna w rejonie Sumida, najwyższa wieża telewizyjna na świecie.

Szef działu badawczego firmy Obayashi, Yoji Ishikawa, uważa, że ​​know-how Uniwersytetu Pensylwanii naprawdę może przybliżyć ludzkość do kosmosu. Mówi, że nowy materiał musi oczywiście przejść szereg testów wytrzymałościowych, ale wygląda na to, że właśnie tego on i jego koledzy od dawna szukali.

Obayashi zbudował już szybkie windy dla wieży telewizyjnej o wysokości około 635 metrów

NASA jest obecnie również ściśle zaangażowana w tajny rozwój windy kosmicznej. W przyszłości możliwe będzie dostarczanie na orbitę części gigantycznych statków międzyplanetarnych i składanie ich w przestrzeni kosmicznej. Taki projekt można zrealizować jedynie za pomocą windy kosmicznej.

Ale najważniejsze jest to, że państwo, które jako pierwsze zbuduje windę kosmiczną, zmonopolizuje na wiele stuleci sferę kosmicznego transportu ładunków.

Ilustracja do powieści science fiction Kima Stanleya Robinsona „Zielony Mars”.
winda kosmiczna zainstalowana na Marsie.

Choć budowa windy kosmicznej leży już w zasięgu naszych inżynierskich możliwości, to zapał wokół tej konstrukcji niestety w ostatnim czasie opadł. Powodem jest to, że naukowcom nie udało się dotychczas uzyskać technologii wytwarzania nanorurek węglowych o wymaganej wytrzymałości na skalę przemysłową.

Pomysł wyniesienia ładunku na orbitę bez rakiet zaproponował ten sam człowiek, który założył kosmonautykę teoretyczną – Konstantin Eduardowicz Ciołkowski. Zainspirowany Wieżą Eiffla, którą zobaczył w Paryżu, opisał swoją wizję kosmicznej windy w postaci wieży o ogromnej wysokości. Jej wierzchołek znajdowałby się po prostu na orbicie geocentrycznej.

Wieża windy opiera się na mocnych materiałach, które zapobiegają ściskaniu, ale współczesne pomysły na windy kosmiczne nadal uwzględniają wersję z kablami, które muszą być wytrzymałe na rozciąganie. Pomysł ten został po raz pierwszy zaproponowany w 1959 roku przez innego rosyjskiego naukowca, Jurija Nikołajewicza Artsutanowa. Pierwsza praca naukowa zawierająca szczegółowe obliczenia dotyczące kosmicznej windy w formie liny została opublikowana w 1975 r., a w 1979 r. Arthur C. Clarke spopularyzował ją w swoim dziele „The Fountains of Paradise”.

Choć nanorurki są obecnie uznawane za najmocniejszy materiał i jedyny nadający się do budowy windy w postaci kabla rozciągniętego z satelity geostacjonarnego, to uzyskana w laboratorium wytrzymałość nanorurek nie jest jeszcze wystarczająca, aby osiągnąć obliczoną wytrzymałość.

Teoretycznie wytrzymałość nanorurek powinna wynosić ponad 120 GPa, jednak w praktyce największe wydłużenie jednościennej nanorurki wyniosło 52 GPa, a przeciętne pękanie mieściło się w przedziale 30-50 GPa. Winda kosmiczna wymaga materiałów o wytrzymałości 65-120 GPa.

Pod koniec ubiegłego roku na największym amerykańskim festiwalu filmów dokumentalnych DocNYC pokazany został film Sky Line, opisujący próby zbudowania kosmicznej windy przez amerykańskich inżynierów – m.in. uczestników konkursu NASA X-Prize.

Głównymi bohaterami filmu są Bradley Edwards i Michael Lane. Edwards jest astrofizykiem, który pracuje nad pomysłem windy kosmicznej od 1998 roku. Lane jest przedsiębiorcą i założycielem LiftPort, firmy promującej komercyjne wykorzystanie nanorurek węglowych.

Na przełomie lat 90. i 2000. Edwards, po otrzymaniu grantów od NASA, intensywnie rozwijał koncepcję windy kosmicznej, obliczając i oceniając wszystkie aspekty projektu. Wszystkie jego obliczenia pokazują, że pomysł ten jest wykonalny – jeśli tylko pojawi się włókno wystarczająco mocne, aby zmieścić kabel.

Edwards na krótko nawiązał współpracę z LiftPort, aby uzyskać fundusze na projekt windy, ale z powodu wewnętrznych nieporozumień projekt nigdy nie został zrealizowany. LiftPort zamknięto w 2007 r., chociaż rok wcześniej z powodzeniem zademonstrowano robota wspinającego się po pionowej linie o długości mili zawieszonej na balonach w ramach weryfikacji koncepcji niektórych technologii.

Ta prywatna przestrzeń, skupiająca się na rakietach wielokrotnego użytku, mogłaby w dającej się przewidzieć przyszłości całkowicie zastąpić rozwój wind kosmicznych. Według niego winda kosmiczna jest atrakcyjna tylko dlatego, że oferuje tańsze sposoby dostarczania ładunku na orbitę, a rakiety wielokrotnego użytku są opracowywane właśnie po to, aby obniżyć koszty tego dostarczenia.

Edwards za stagnację pomysłu obwinia brak realnego wsparcia dla projektu. „Tak wyglądają projekty, które setki ludzi rozsianych po całym świecie rozwijają w ramach hobby. Żaden poważny postęp nie zostanie osiągnięty, dopóki nie będzie prawdziwego wsparcia i scentralizowanej kontroli”.

Inaczej wygląda sytuacja z rozwojem idei windy kosmicznej w Japonii. Kraj słynie z osiągnięć w dziedzinie robotyki, a japoński fizyk Sumio Iijima uważany jest za pioniera w dziedzinie nanorurek. Pomysł kosmicznej windy jest tutaj niemal narodowy.

Japońska firma Obayashi obiecuje dostarczyć działającą windę kosmiczną do 2050 roku. Dyrektor naczelny firmy, Yoji Ishikawa, twierdzi, że współpracuje ona z prywatnymi wykonawcami i lokalnymi uniwersytetami w celu ulepszenia istniejącej technologii nanorurek.

Ishikawa twierdzi, że choć firma rozumie złożoność projektu, nie widzi zasadniczych przeszkód w jego realizacji. Uważa także, że popularność idei windy kosmicznej w Japonii wynika z potrzeby posiadania jakiejś idei narodowej, jednoczącej ludzi na tle trudnej sytuacji gospodarczej ostatnich kilkudziesięciu lat.

Ishikawa jest przekonany, że chociaż pomysł tej wielkości najprawdopodobniej uda się zrealizować jedynie dzięki współpracy międzynarodowej, Japonia może stać się jej siłą napędową ze względu na dużą popularność windy kosmicznej w kraju.

Tymczasem kanadyjska firma zajmująca się przestrzenią i obronnością Thoth Technology US nr 9085897 w sprawie wariantu windy kosmicznej. Dokładniej koncepcja zakłada budowę wieży, która zachowuje swoją sztywność dzięki sprężonemu gazowi.

Wieża ma dostarczyć ładunek na wysokość 20 km, skąd zostanie wystrzelony na orbitę za pomocą konwencjonalnych rakiet. Ta opcja pośrednia, według obliczeń firmy, pozwoli zaoszczędzić aż do 30% paliwa w porównaniu do rakiety.

Właśnie przeglądałem problemy naukowe, za które oferują duże nagrody i natknąłem się na ten dziwny - wyciąganie kabla w kosmos.

Po raz pierwszy hipotetyczny pomysł budowy takiej konstrukcji, która opierałaby się na zastosowaniu kabla rozciągniętego od powierzchni planety do stacji orbitalnej, został wyrażony już w 1895 roku przez Konstantina Ciołkowskiego. Od tego czasu, pomimo wszelkich osiągnięć nauki i techniki, projekt pozostaje jedynie na etapie pomysłu.

Ile wynosi fundusz nagród dla tego projektu?

Od 2005 roku w Stanach Zjednoczonych odbywają się coroczne zawody Space Elevator Games, organizowane przez Fundację Spaceward przy wsparciu NASA. W konkursach tych rozgrywane są dwie kategorie: „najlepszy kabel” i „najlepszy robot (winda)”.

Oznacza to, że aby otrzymać premię, nie trzeba budować w pełni działającej windy kosmicznej. Wystarczy opracować pomysł na odpowiedni kabel lub odpowiedni podnośnik i zbudować ich prototypy. W 2009 roku łączna pula nagród w zawodach Space Elevator Games wyniosła 4 000 000 dolarów.

Dlaczego istnieje takie zainteresowanie tą konkretną metodą wznoszenia się w przestrzeń kosmiczną? Czy można pomyśleć o czymś tanim? Jednak utrzymanie tak złożonej infrastruktury, podniesienie kabla, likwidacja klifu - może być droższe niż wystrzelenie rakiety. Jaką masę można podnieść za pomocą takiego liny? Myślę, że to nie jest dużo, a koszty energii też trzeba wziąć pod uwagę.

Takie właśnie idee krążą obecnie po głowach badaczy i projektantów na temat WINDY DO PRZESTRZENI.

Windy mogące transportować ludzi i ładunki z powierzchni planety w przestrzeń kosmiczną mogą oznaczać koniec rakiet zanieczyszczających przestrzeń kosmiczną. Ale wykonanie takiej windy jest niezwykle trudne. Koncepcja wind kosmicznych była znana już dawno temu, a wprowadził ją Konstantin Eduardowicz Ciołkowski, ale od tego czasu ani na jotę nie zbliżyliśmy się do praktycznego wdrożenia takiego mechanizmu. Elon Musk napisał niedawno na Twitterze: „I proszę nie zadawać mi pytań na temat wind kosmicznych, dopóki nie wyhodujemy materiału nanorurek węglowych o długości co najmniej metra”.

Elon Musk przez wielu uważany jest za wizjonera naszych czasów – pioniera prywatnej eksploracji kosmosu i twórcę idei systemu transportowego Hyperloop, zdolnego w zaledwie kilka minut przewieźć ludzi z Los Angeles do San Francisco metalową rurą. 35 minut. Ale są pewne pomysły, które nawet on uważa za zbyt naciągane. W tym kosmiczna winda.

„To niezwykle trudne. Nie sądzę, że budowa windy kosmicznej to realistyczny pomysł” – powiedział Musk na konferencji w MIT w październiku zeszłego roku, dodając, że łatwiej byłoby zbudować most z Los Angeles do Tokio niż windę, która mogłaby przenosić materiały w przestrzeń kosmiczną.

Wysyłanie ludzi i ładunków w przestrzeń kosmiczną w kapsułach poruszanych wzdłuż gigantycznego kabla utrzymywanego w miejscu przez obrót Ziemi zostało przedstawione w pracach pisarzy science fiction, takich jak Arthur C. Clarke, ale było mało prawdopodobne, aby było praktyczne w prawdziwym świecie. Okazuje się, że oszukujemy samych siebie i nasze możliwości nie wystarczą, aby rozwiązać ten złożony problem techniczny?

Zwolennicy wind kosmicznych uważają, że to wystarczy. Postrzegają rakiety chemiczne jako przestarzałe, ryzykowne, szkodliwe dla środowiska i powodujące drenaż finansowy. Ich alternatywą jest w zasadzie linia kolejowa prowadząca w kosmos: napędzany elektrycznie statek kosmiczny poruszający się z kotwicy na Ziemi na wytrzymałej linie połączonej z przeciwwagą na orbicie geostacjonarnej wokół planety. Po uruchomieniu windy kosmiczne będą mogły dostarczać ładunki w przestrzeń kosmiczną już za 500 dolarów za kilogram w porównaniu z 20 000 dolarów za kilogram przy obecnych stawkach.

„Ta fenomenalnie potężna technologia może otworzyć przed ludzkością Układ Słoneczny” – mówi Peter Swan, prezes Międzynarodowego Konsorcjum Wind Kosmicznych. „Myślę, że pierwsze windy będą zautomatyzowane, a za 10–15 lat wyprodukujemy od sześciu do ośmiu wind, które będą wystarczająco bezpieczne, aby przewozić ludzi”.

Niestety taka konstrukcja musiałaby nie tylko mieć 100 000 kilometrów długości – czyli ponad dwukrotnie więcej od obwodu Ziemi – ale także musiałaby utrzymać swój własny ciężar. Jak dotąd nie ma na Ziemi materiału o takich właściwościach.

Niektórzy naukowcy uważają jednak, że jest to możliwe i stanie się rzeczywistością w ciągu tego stulecia. Duża japońska firma budowlana obiecał stworzyć go do 2050 roku rok. Amerykańscy badacze, którzy niedawno opracowali materiał przypominający diament wykonany z nanowłókien, również uważają, że przed końcem stulecia pojawi się kabel do kosmicznej windy.

Konstrukcja tak niesamowitej konstrukcji zostanie oparta na specjalnym kablu wykonanym z cienkich i ultrawytrzymałych nanorurek węglowych. Kabel ten będzie miał długość 96 tys. kilometrów.

Zgodnie z prawami fizyki siła odśrodkowa obrotu zapobiegnie opadaniu takiego kabla, rozciągając go na całej długości. Jeśli się powiedzie, winda będzie mogła jechać z prędkością 200 km/h, unosząc w kabinie do 30 osób. Na wysokości 36 tysięcy kilometrów, na którą winda dotrze za tydzień, planowany jest przystanek. Winda podniesie turystów na tę wysokość, a badacze i specjaliści będą mogli wspiąć się na samą górę.

Współczesne pomysły na windę kosmiczną sięgają 1895 roku, kiedy Konstantin Ciołkowski zainspirowany nowo wybudowaną Wieżą Eiffla w Paryżu obliczył fizykę konstrukcji budynku rozciągającego się w przestrzeń kosmiczną, aby statek kosmiczny mógł zostać wystrzelony z orbity bez rakiet. W powieści Arthura C. Clarke'a „Źródła nieba” z 1979 r. główny bohater buduje kosmiczną windę o konstrukcji podobnej do tej wprowadzanej dzisiaj.

Ale jak sprawić, by stało się to rzeczywistością? „Podoba mi się skandalizm tego pomysłu” – mówi Kevin Fong, założyciel Centrum Wysokości, Przestrzeni i Medycyny Ekstremalnej na University College London. „Rozumiem, dlaczego ludziom podoba się ten pomysł, ponieważ gdyby można było tanio i bezpiecznie dostać się na niską orbitę okołoziemską, już wkrótce wewnętrzny Układ Słoneczny byłby do waszej dyspozycji”.

Pytania bezpieczeństwa

Przeszkodą jest sposób zbudowania takiego systemu. „Na początek musi zostać stworzony z materiału, który jeszcze nie istnieje, ale jest mocny i elastyczny, ma odpowiednią masę i gęstość, aby ułatwić transport i wytrzymać niesamowite siły zewnętrzne” – mówi Fong. „Myślę, że to wszystko będzie wymagało serii najbardziej ambitnych misji orbitalnych i spacerów kosmicznych po niskiej i wysokiej orbicie okołoziemskiej w historii naszego gatunku”.

Dodaje, że istnieją również obawy dotyczące bezpieczeństwa. „Nawet gdybyśmy mogli rozwiązać istotne problemy techniczne związane z budową takiego obiektu, wyłaniający się obraz to przerażający obraz gigantycznego sera z dziurami po kosmicznych śmieciach i gruzie na górze”.

W ciągu ostatnich 12 lat zaprezentowano trzy szczegółowe projekty szczegółowe. Pierwsza, opublikowana przez Brada Edwardsa i Erica Westlinga w książce Space Elevators z 2003 roku, przewidywała przewóz 20-tonowego ładunku zasilanego laserami naziemnymi, kosztem 150 dolarów za kilogram i całkowitym kosztem budowy 6 miliardów dolarów.

Opierając się na tej koncepcji, projekt Międzynarodowego Stowarzyszenia Astronautów z 2013 r. zabezpieczył kabinę przed czynnikami atmosferycznymi już na pierwszych 40 kilometrach, a następnie wyposażył ją w panele słoneczne. Transport w ramach tego planu kosztuje 500 dolarów za kilogram, a budowa całej konstrukcji kosztuje w przypadku pierwszego projektu 13 miliardów dolarów (wtedy zawsze jest taniej).

Propozycje te obejmują przeciwwagę w postaci przechwyconej asteroidy na orbicie okołoziemskiej. Raport IAA wskazuje, że osiągnięcie tego może pewnego dnia stać się możliwe, ale nie w najbliższej przyszłości.

pływająca kotwica

Zamiast tego część o masie 1900 ton, na której utrzymywałaby się linka o masie 6300 ton, mogłaby zostać zmontowana ze statku kosmicznego i pojazdów, które wyniosły linkę w przestrzeń kosmiczną. Uzupełnią go także przechwycone satelity, które przestały działać i wiszą na orbicie jako śmieci kosmiczne.

Zasugerowali także wyobrażenie sobie kotwicy na Ziemi jako pływającej platformy wielkości dużego tankowca lub lotniskowca w pobliżu równika, ponieważ zwiększyłoby to jej nośność. Preferowaną lokalizacją jest punkt położony 1000 kilometrów na zachód od Wysp Galapagos: huragany, tajfuny i tornada są tam uważane za rzadkość.

Obayashi Corp., jedna z pięciu głównych japońskich firm budowlanych, przedstawiła w zeszłym roku plany jeszcze solidniejszej windy kosmicznej przewożącej zrobotyzowane pojazdy napędzane silnikami maglev, takimi jak te używane w kolei dużych prędkości. Mogły przewozić ludzi przy wymaganej wytrzymałości liny. Koszt tego projektu szacuje się na 100 miliardów dolarów, ale transport będzie kosztować 50–100 dolarów za kilogram.

Choć z pewnością istnieje wiele przeszkód, jedynym elementem, bez którego zbudowanie windy kosmicznej byłoby dziś niemożliwe, jest sam kabel, mówi Swan.

„Znalezienie materiału, z którego można wykonać kabel, stanowi poważny problem technologiczny” – mówi. - Wszystko inne to bzdury. To wszystko już możemy zrobić.”

Druty diamentowe

Wiodącym konkurentem jest kabel wykonany z nanorurek węglowych stworzonych w laboratorium, aby miał wytrzymałość na rozciąganie 63 gigapaskali, czyli 13 razy większą niż najlepsza stal.

Maksymalna długość nanorurek węglowych stale rośnie od czasu ich odkrycia w 1991 roku. W 2013 roku chińscy naukowcy osiągnęli już pół metra długości. Autorzy raportu IAA przewidują, że do 2022 r. długość kabla wykonanego z nanorurek węglowych wyniesie kilometr, a do 2030 r. – niezbędny do wyprodukowania kosmicznej windy.

Tymczasem we wrześniu zaprezentowano nowego pretendenta do kosmicznego uwięzi. Zespół kierowany przez Johna Buddinga, profesora chemii na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii, opublikował w czasopiśmie Nature artykuł, w którym twierdzi, że stworzył ultracienkie nanowłókna diamentowe, które mogą być mocniejsze i sztywniejsze niż nanorurki węglowe.

Zespół rozpoczął od sprężania benzenu pod ciśnieniem atmosferycznym 200 000 atmosfer. Kiedy ciśnienie powoli opadło, atomy ponownie uformowały nową, wysoce uporządkowaną strukturę, przypominającą czworościan.

Kształty te połączyły się, tworząc ultracienkie nanowłókna o strukturze niezwykle podobnej do diamentu. Chociaż nie jest jeszcze możliwe bezpośrednie zmierzenie ich wytrzymałości ze względu na ich rozmiar, obliczenia teoretyczne wykazały, że włókna mogą być mocniejsze i sztywniejsze niż najmocniejsze dostępne obecnie materiały syntetyczne.

Redukcja ryzyka

„Gdybyśmy mogli nauczyć się wytwarzać materiały na bazie nanowłókien diamentowych lub nanorurek węglowych wystarczająco długie i wysokiej jakości, nauka sugeruje, że moglibyśmy od razu rozpocząć budowę windy kosmicznej” – mówi Budding.

Ale nawet gdyby któryś z tych materiałów okazał się wystarczająco mocny, montaż i instalacja poszczególnych elementów kosmicznej windy pozostaje przedsięwzięciem bardzo problematycznym. Inne problemy będą obejmować bezpieczeństwo, zbieranie funduszy, zaspokajanie sprzecznych interesów itp. Przynajmniej Swan się tym nie martwi.

„Oczywiście, że będą poważne problemy, podobnie jak te, które zbudowały pierwszą kolej transkontynentalną oraz kanały panamskie i sueskie” – mówi. „Zajmie to dużo czasu i pieniędzy, ale jak w przypadku wszystkich wielkich przedsiębiorstw, przeszkody wystarczy pokonać tylko raz”.

Nawet Musk nie może się zdobyć na zdyskredytowanie tego pomysłu. „Najwyraźniej nie jest to coś, o czym możemy teraz rozmawiać” – powiedział. „Ale gdyby ktoś mógł mnie przekonać, że jest inaczej, byłoby wspaniale”.

Niektórzy naukowcy podają pięć następujących powodów, dla których taka winda nigdy nie zostanie zbudowana:

1. Nie ma wystarczająco mocnego materiału na kabel

Obciążenie kabla może przekraczać 100 000 kg/m, dlatego materiał do jego produkcji musi charakteryzować się wyjątkowo dużą wytrzymałością na rozciąganie, a jednocześnie bardzo małą gęstością. Chociaż nie ma takiego materiału, nawet nanorurki węglowe, które są obecnie uważane za najmocniejsze i najbardziej elastyczne materiały na świecie, nie nadają się.

Niestety technologia ich wytwarzania dopiero zaczyna się rozwijać. Do tej pory udało się pozyskać maleńkie kawałki materiału: najdłuższa, jaką udało się stworzyć, ma kilka centymetrów długości i kilka nanometrów szerokości. Nie wiadomo, czy kiedykolwiek uda się z tego zrobić wystarczająco długi kabel.

2. Podatność na niebezpieczne wibracje

Kabel będzie podatny na nieprzewidywalne podmuchy wiatru słonecznego – pod jego wpływem ugnie się, co negatywnie wpłynie na stabilność windy. Mikrosilniki można przymocować do kabla jako stabilizatory, ale takie rozwiązanie spowoduje dodatkowe trudności w utrzymaniu konstrukcji. Dodatkowo utrudni to poruszanie się po linie specjalnym kabinom, tzw. „wspinaczom”. Kabel najprawdopodobniej wejdzie z nimi w rezonans.

3. Siła Coriolisa

Lina i „wspinacze” pozostają nieruchome względem powierzchni Ziemi. Ale w stosunku do środka Ziemi obiekt będzie poruszał się z prędkością 1700 km/h na powierzchni i 10 000 km/h na orbicie. W związku z tym „wspinaczom” należy nadać tę prędkość podczas startu. „Wspinacz” przyspiesza w kierunku prostopadłym do liny, przez co lina będzie się kołysać jak wahadło. W tym samym czasie pojawia się siła, która próbuje oderwać nasz kabel od Ziemi. Siła jest odwrotnie proporcjonalna do ugięcia liny i wprost proporcjonalna do prędkości podnoszenia ładunku i jego masy. Zatem siła Coriolisa zapobiega szybkiemu podnoszeniu ładunków na orbitę geostacjonarną.
Możesz zwalczyć siłę Coriolisa, po prostu wystrzeliwując jednocześnie dwóch „wspinaczy” - z Ziemi i z orbity, ale wtedy siła między dwoma ładunkami jeszcze bardziej rozciągnie kabel. Inną opcją jest boleśnie powolna wspinaczka po gąsienicach.

4. Satelity i śmieci kosmiczne

W ciągu ostatnich 50 lat ludzkość wystrzeliła w przestrzeń kosmiczną wiele obiektów – przydatnych i mniej przydatnych. Albo konstruktorzy wind będą musieli to wszystko znaleźć i usunąć (co jest niemożliwe, biorąc pod uwagę liczbę przydatnych satelitów czy teleskopów orbitalnych), albo zapewnić system chroniący obiekt przed kolizjami. Kabel jest teoretycznie nieruchomy, więc każde ciało krążące wokół Ziemi prędzej czy później zderzy się z nim. Ponadto prędkość zderzenia będzie prawie równa prędkości obrotowej tego korpusu, co spowoduje duże uszkodzenie kabla. Linką nie można manewrować i jest ona długa, dlatego kolizje będą częste.
Jak sobie z tym poradzić, nie jest jeszcze jasne. Naukowcy mówią o zbudowaniu orbitalnego lasera kosmicznego do spalania śmieci, ale to zupełnie nie mieści się w sferze science fiction.

5. Zagrożenia społeczne i środowiskowe

Winda kosmiczna może stać się celem ataku terrorystycznego. Udana operacja rozbiórki spowoduje ogromne zniszczenia, a nawet może zakopać cały projekt, więc jednocześnie z windą będziesz musiał zbudować wokół niej całodobową obronę.

Ekolodzy uważają, że kabel paradoksalnie może przesunąć oś Ziemi. Kabel będzie sztywno zamocowany na orbicie, a każdy jego ruch na górze będzie odbijany na Ziemi. Swoją drogą, czy możesz sobie wyobrazić, co się stanie, jeśli nagle się zepsuje?

Dlatego bardzo trudno jest zrealizować taki projekt na Ziemi. A teraz dobra wiadomość: będzie działać na Księżycu. Siła grawitacji działająca na satelitę jest znacznie mniejsza i praktycznie nie ma atmosfery. W polu grawitacyjnym Ziemi można utworzyć kotwicę, a przez punkt Lagrange'a przejdzie kabel z Księżyca - uzyskamy w ten sposób kanał komunikacyjny pomiędzy planetą a jej naturalnym satelitą. W sprzyjających warunkach taki kabel będzie w stanie przetransportować na orbitę okołoziemską około 1000 ton ładunku dziennie. Materiał będzie oczywiście musiał być super mocny, ale nie będziesz musiał wymyślać niczego zupełnie nowego. To prawda, że ​​​​długość „księżycowej” windy będzie musiała wynosić około 190 000 km ze względu na efekt zwany trajektorią Gomanowa.

źródła

Choć budowa windy kosmicznej leży już w zasięgu naszych inżynierskich możliwości, to zapał wokół tej konstrukcji niestety w ostatnim czasie opadł. Powodem jest to, że naukowcom nie udało się dotychczas uzyskać technologii wytwarzania nanorurek węglowych o wymaganej wytrzymałości na skalę przemysłową.

Pomysł wyniesienia ładunku na orbitę bez rakiet zaproponował ten sam człowiek, który założył kosmonautykę teoretyczną – Konstantin Eduardowicz Ciołkowski. Zainspirowany Wieżą Eiffla, którą zobaczył w Paryżu, opisał swoją wizję kosmicznej windy w postaci wieży o ogromnej wysokości. Jej wierzchołek znajdowałby się po prostu na orbicie geocentrycznej.

Wieża windy opiera się na mocnych materiałach, które zapobiegają ściskaniu, ale współczesne pomysły na windy kosmiczne nadal uwzględniają wersję z kablami, które muszą być wytrzymałe na rozciąganie. Pomysł ten został po raz pierwszy zaproponowany w 1959 roku przez innego rosyjskiego naukowca, Jurija Nikołajewicza Artsutanowa. Pierwsza praca naukowa zawierająca szczegółowe obliczenia dotyczące kosmicznej windy w formie liny została opublikowana w 1975 r., a w 1979 r. Arthur C. Clarke spopularyzował ją w swoim dziele „The Fountains of Paradise”.

Choć nanorurki są obecnie uznawane za najmocniejszy materiał i jedyny nadający się do budowy windy w postaci kabla rozciągniętego z satelity geostacjonarnego, to uzyskana w laboratorium wytrzymałość nanorurek nie jest jeszcze wystarczająca, aby osiągnąć obliczoną wytrzymałość.

Teoretycznie wytrzymałość nanorurek powinna wynosić ponad 120 GPa, jednak w praktyce największe wydłużenie jednościennej nanorurki wyniosło 52 GPa, a przeciętne pękanie mieściło się w przedziale 30-50 GPa. Winda kosmiczna wymaga materiałów o wytrzymałości 65-120 GPa.

Pod koniec ubiegłego roku na największym amerykańskim festiwalu filmów dokumentalnych DocNYC pokazany został film Sky Line, opisujący próby zbudowania kosmicznej windy przez amerykańskich inżynierów – m.in. uczestników konkursu NASA X-Prize.

Głównymi bohaterami filmu są Bradley Edwards i Michael Lane. Edwards jest astrofizykiem, który pracuje nad pomysłem windy kosmicznej od 1998 roku. Lane jest przedsiębiorcą i założycielem LiftPort, firmy promującej komercyjne wykorzystanie nanorurek węglowych.

Na przełomie lat 90. i 2000. Edwards, po otrzymaniu grantów od NASA, intensywnie rozwijał koncepcję windy kosmicznej, obliczając i oceniając wszystkie aspekty projektu. Wszystkie jego obliczenia pokazują, że pomysł ten jest wykonalny – jeśli tylko pojawi się włókno wystarczająco mocne, aby zmieścić kabel.

Edwards na krótko nawiązał współpracę z LiftPort, aby uzyskać fundusze na projekt windy, ale z powodu wewnętrznych nieporozumień projekt nigdy nie został zrealizowany. LiftPort zamknięto w 2007 r., chociaż rok wcześniej z powodzeniem zademonstrowano robota wspinającego się po pionowej linie o długości mili zawieszonej na balonach w ramach weryfikacji koncepcji niektórych technologii.

Ta prywatna przestrzeń, skupiająca się na rakietach wielokrotnego użytku, mogłaby w dającej się przewidzieć przyszłości całkowicie zastąpić rozwój wind kosmicznych. Według niego winda kosmiczna jest atrakcyjna tylko dlatego, że oferuje tańsze sposoby dostarczania ładunku na orbitę, a rakiety wielokrotnego użytku są opracowywane właśnie po to, aby obniżyć koszty tego dostarczenia.

Edwards za stagnację pomysłu obwinia brak realnego wsparcia dla projektu. „Tak wyglądają projekty, które setki ludzi rozsianych po całym świecie rozwijają w ramach hobby. Żaden poważny postęp nie zostanie osiągnięty, dopóki nie będzie prawdziwego wsparcia i scentralizowanej kontroli”.

Inaczej wygląda sytuacja z rozwojem idei windy kosmicznej w Japonii. Kraj słynie z osiągnięć w dziedzinie robotyki, a japoński fizyk Sumio Iijima uważany jest za pioniera w dziedzinie nanorurek. Pomysł kosmicznej windy jest tutaj niemal narodowy.

Japońska firma Obayashi obiecuje dostarczyć działającą windę kosmiczną do 2050 roku. Dyrektor naczelny firmy, Yoji Ishikawa, twierdzi, że współpracuje ona z prywatnymi wykonawcami i lokalnymi uniwersytetami w celu ulepszenia istniejącej technologii nanorurek.

Ishikawa twierdzi, że choć firma rozumie złożoność projektu, nie widzi zasadniczych przeszkód w jego realizacji. Uważa także, że popularność idei windy kosmicznej w Japonii wynika z potrzeby posiadania jakiejś idei narodowej, jednoczącej ludzi na tle trudnej sytuacji gospodarczej ostatnich kilkudziesięciu lat.

Ishikawa jest przekonany, że chociaż pomysł tej wielkości najprawdopodobniej uda się zrealizować jedynie dzięki współpracy międzynarodowej, Japonia może stać się jej siłą napędową ze względu na dużą popularność windy kosmicznej w kraju.

Tymczasem kanadyjskie przedsiębiorstwo zajmujące się przestrzenią i obronnością Thoth Technology otrzymało zeszłego lata patent amerykański nr 9 085 897 na swoją wersję windy kosmicznej. Dokładniej koncepcja zakłada budowę wieży, która zachowuje swoją sztywność dzięki sprężonemu gazowi.

Wieża ma dostarczyć ładunek na wysokość 20 km, skąd zostanie wystrzelony na orbitę za pomocą konwencjonalnych rakiet. Ta opcja pośrednia, według obliczeń firmy, pozwoli zaoszczędzić aż do 30% paliwa w porównaniu do rakiety.