Lano na obežnú dráhu Čo vlastne robí ... spektrum vedy o vesmírnych výťahoch
Lano na obežnú dráhu: čo robí ... vesmírny výťah vlastne robí?
Počnúc tropickým ostrovom uprostred Tichého oceánu vedie tenká čiara oblátky, ktorá sa akoby stratila niekde na bezoblačnej modrej oblohe: Je to lano, ktoré sa tiahne do vesmíru. Pozdĺž tohto lana stúpajú k oblohe kapsuly, ktoré pohodovým spôsobom prepravujú bremená a ľudí na geostacionárnu obežnú dráhu. Žiadne odpočítavanie, žiadne parné raketové motory, namiesto toho nehlučný výťah: táto vízia budúcnosti inšpirovala autorov sci-fi po celé desaťročia, pretože by to výrazne zlacnilo cestovanie vesmírom a otvorilo by vo vesmíre úplne nové odvetvia ekonomiky.
Inžinieri sa ale len občas začnú zaoberať problémami, ktoré treba vyriešiť. Jedným z nich je Yoshiki Yamagiwa z japonskej univerzity Shizuoka, ktorý so svojimi študentmi nechá 22. septembra 2018 na palube bezpilotnej zásobovacej kozmickej lode HTV vystreliť malý vesmírny výťah na Medzinárodnú vesmírnu stanicu (ISS). Je to desať centimetrov široký a 23 centimetrov dlhý CubeSat, ktorý má byť vytlačený do vesmíru z ISS v najbližších týždňoch, aby sa otestoval prvý výťah vo vesmíre. Je však nepravdepodobné, že by sa odstránili technické prekážky brániace tejto technológii.
Nádej na uhlíkové nanorúrky
Už v roku 1895 formuloval ruský priekopník vesmírneho cestovania Konstantin Ziolkowski myšlienku ešte väčšej stavby, ktorá by sa mohla dostať do vesmíru, pod dojmom novo postavenej Eiffelovej veže. Ale takmer 100 rokov jednoducho neexistoval žiadny známy materiál, ktorý by bol na to vhodný. Napríklad oceľ by sa kvôli svojej vlastnej váhe pretrhla vo výške sotva 30 kilometrov bez ohľadu na to, ako stabilne bolo oceľové lano skonštruované.
Hoci sa konceptu opakovane chopili autori sci-fi, až po roku 1991 sa inžinieri začali výťahom do vesmíru zaoberať vážnejšie. V tom roku japonský vedec Sumio Iijima objavil uhlíkové nanorúrky. Tento materiál je stokrát pevnejší ako oceľ, ale iba o polovicu ťažší ako hliník. Matematicky by sa lano z uhlíkových nanorúrok dalo natiahnuť ďaleko za geostacionárnu obežnú dráhu a bolo by to stále také ľahké, že by ho dnešná ťažká raketa mohla vyniesť do vesmíru, odkiaľ by sa dala zrolovať.
Štúdia NASA z roku 2000 skúmala technické požiadavky na takéto lano: Z ostrova alebo plošiny v menej búrlivých tropických šírkach Tichého oceánu by lano siahalo až do 144 000 kilometrov do vesmíru - až do tretiny vzdialenosti od Mesiaca. Tu by protizávažie udržiavalo lano napnuté odstredivou silou, zatiaľ čo plošina vo výške 34 000 kilometrov mohla pojať vesmírnu stanicu pod beztiažovým stavom. Týmto spôsobom by sa potom dalo prepraviť náklad a ľudí na obežnú dráhu, a tak by sa rakety stali nepotrebnými. Kilogram vložený do vesmíru by dnes stál niečo viac ako 200 dolárov namiesto 20 000 dolárov.
Prívrženci technológie snívajú o obrovských hoteloch vo vesmíre, solárnych elektrárňach na obežnej dráhe a baniach na asteroidoch. Odstredivá sila na konci lana by dokonca umožnila medziplanetárny pohyb s oveľa menším využitím paliva. Najdôležitejším problémom však zostáva materiál: uhlíkové nanorúrky doteraz preukázali svoju obrovskú silu iba v laboratórnom meradle; Výrobné techniky pre laná, ktoré sú dlhé metre alebo dokonca kilometre, dodnes neexistujú.
Výťah od zápalkovej škatule
Japonský „Space Tethered Autonomous Robotic Satellite - Mini Elevator“ (STARS-ME), ktorý váži iba 2,7 kilogramu, je CubeSat, jeden z mnohých malých satelitov, ktoré sa v súčasnosti vypúšťajú do vesmíru a sú určené na testovanie nových a technicky rizikových procesov pre vesmírne lety. STARS-ME nesie kevlarové lano, ktoré ešte nie je vhodné na výťah zo zeme do vesmíru. Keď CubeSat opustil vesmírnu stanicu a voľne krúžil okolo Zeme, kváder sa rozdelil na dva kocky CubeSats v tvare kocky, ktoré zostali navzájom spojené lanom, ktoré bolo dlhé iba 14 metrov. Malý robot s vlastným pohonom sa má medzi nimi kĺzať. Bol by to prvý výťah vo vesmíre, ale veľkosť zápalkovej škatule, dosť malá.
Pre Markusa Landgrafa nie je takáto jazda výťahom na obežnej dráhe nijako zvlášť náročným úspechom: „Ľudia sa ponáhľajú riešiť jednoduché problémy namiesto toho, aby vyriešili tie skutočne ťažké,“ hovorí inžinier, ktorý plánuje mesačné sondy v Európskej vesmírnej agentúre, ale súkromne má slabosť pre vesmírne výťahy Má. Pohon kapsuly výťahu je podľa neho jedným z riešiteľných problémov vesmírneho výťahu: musel by fungovať veľmi odlišne ako bežný stavebný výťah; pretože zatiaľ čo je vyťahovaný lanami, vesmírny výťah by sa musel vypracovať sám. Z hmotnostných dôvodov by kapsula musela byť zásobovaná energiou zo zeme, pravdepodobne pomocou silného laseru, ktorý ožaruje solárne články na kapsule výťahu.
Od roku 2005 sa v USA, Japonsku, Nemecku a Izraeli konajú súťaže, v ktorých musí výťahový robot vyvinutý študentmi čo najrýchlejšie šplhať po lane držanom vrtuľníkom. Zatiaľ čo v prvých rokoch horolezecký robot nedosahoval vždy horný koniec lana, japonskému tímu sa nedávno podarilo zdvihnúť 100 kilogramov užitočného zaťaženia až do výšky 1200 metrov. Rovnako ako misia STARS-ME sú však tieto súťaže ešte ďaleko od rozmerov orbitálneho lana: „Určite hrajú úlohu pri oboznamovaní študentov s dynamickými účinkami cestovania vesmírom,“ hovorí Markus Landgraf. „Ale vesmírny výťah ďalej neposunú.“
Diabol je v detailoch
Organizácie, ktoré kozmické lety prevádzkujú samy, ako napríklad Európska vesmírna agentúra ESA - zamestnávateľ Markusa Landgrafa - vo svojich rozpočtoch zatiaľ vesmírnym výťahom neprikladajú žiadny význam. Felix Huber je skeptický aj k základným úvahám: „Nie je ľahké udržať takéto lano stabilné na obežnej dráhe,“ hovorí riaditeľ vesmírnych operácií a výcviku astronautov v nemeckom leteckom stredisku v Oberpfaffenhofene. Huber sa odvoláva na rôzne pokusy z minulosti, v ktorých obiehali okolo Zeme dva satelity spojené kilometrami káblov.
Mnoho z týchto misií zlyhalo kvôli neúmyselnému zvýšeniu napätia, zablokovaniu navijakov alebo kvôli zamotaniu lán v dôsledku malých výrobných chýb. Na obežnej dráhe by sa navyše laná ľahko hýbali. Vesmírny výťah by sa však nedostal iba cez vákuum, ale aj cez atmosféru, ktorá za ním tiež ťahá, napríklad počas tropických búrok. „Aj keď sa výťah spustí, ťahá za lano,“ hovorí Huber. „Toto samotné umožňuje, aby sa vibrácie šírili a ďalej sa zvyšovali.“
Lano dlhé desaťtisíce kilometrov by muselo zápasiť s ďalšími problémami: V nadmorskej výške 200 až 900 kilometrov by prechádzalo zónou, v ktorej sa vyskytuje atómový kyslík štiepený slnečným UV žiarením, ktoré oxiduje organické materiály ako lano vyrobené z uhlíkových nanorúrok a rozložili by sa. Vesmírny odpad by tiež mohol zničiť lano - najmä na obežnej dráhe geostacionárneho cintorína: Toto je úzka a takmer lineárna zóna nad geostacionárnymi obežnými dráhami, v ktorej sú zlikvidované nepoužívané satelity - a ktorú by bolo treba prekonať orbitálnym lanom. Navyše na hlbších dráhach a mikrometeoritoch rýchlo krúžia vesmírne trosky, ktoré by mohli vyraziť otvory v lane alebo v najhoršom prípade zničiť.
Sen žije ďalej
Markus Landgraf, ktorý má skúsenosti s letovou dynamikou, považuje všetky tieto problémy za zásadne riešiteľné: Dynamika takýchto lán je teoreticky pochopená už dávno. A dizajnéri mohli jednoducho namontovať dolný koniec vesmírneho lana tak, aby tlmil vibrácie protibežnými pohybmi. Väčšie kúsky na obežnej dráhe Zeme je možné obísť cielenými vibráciami.
Na druhej strane by sa museli menšie roztrhané otvory opraviť. Trosky na obežnej dráhe cintorína sú už v porovnaní s lanom pomerne pomalé. A lano by muselo byť jednoducho pokryté, aby bolo chránené pred žiarením a atómovým kyslíkom. Štúdia NASA z roku 2000 na základe počiatočných experimentov predpokladá, že na vonkajšej strane lana by sa vytvorila oxidovaná vrstva, ktorá slúži ako prirodzená ochrana hlbších vrstiev.