Vesmírny výťah by znamenal revolúciu v kozmickom cestovaní
Je ľahké si z tejto myšlienky urobiť srandu: stotisíc kilometrov lana pretiahnutých medzi povrchom Zeme a satelitu, ktoré ťahajú ľudí a materiál do vesmíru. Je samozrejme tiež ľahké odpovedať každému, kto si myslí, že je to nezmysel sci-fi, že niektoré z neskorších kľúčových technológií boli pôvodne tiež odmietnuté ako fantázia. Stačí si spomenúť na lietadlo, ktorého slávny fyzik William Thomson, 1. barón Kelvin, v roku 1895 verejne vyhlásil, že také niečo je nemožné, a o osem rokov neskôr vzlietli bratia Wrightovci. Ale ako mnohé technické sny, od výroby zlata až po tabletky proti rakovine, sa nikdy nesplnili?
„Vesmírny výťah“ má spoločné s týmito dvoma príkladmi je to, že jeho implementácia si nevyžaduje žiadne porušenie známych prírodných zákonov - na rozdiel napríklad od letov rýchlejšej ako svetlé vesmírom. V skutočnosti to nebol nikto iný ako ruský učiteľ matematiky Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski (1857 až 1935), jeden z objaviteľov raketovej teórie, ktorý v tom istom roku, keď sa lord Kelvin strápnil históriou technológie, začal premýšľať o veži dlhej 36 000 kilometrov. Jeho špičkou by bolo miesto, kde uvoľnené teleso obieha okolo Zeme v jeden deň, takzvaná geostacionárna obežná dráha, v ktorej dnes obiehajú meteorologické alebo televízne satelity tak, že sú vždy nad rovnakým bodom na zemskom povrchu. Každý, kto vyliezol na takúto štruktúru, bez ohľadu na to, ako dlho to trvalo, by sám sebe dokázal prekonať gravitáciu Zeme.
Takáto veža by samozrejme spôsobovala problémy pre inžinierov stavieb, ktoré by boli skutočne neriešiteľné. Ale v roku 1960 si Ziolkowského krajan Jurij Arzutanow, narodený v roku 1929, uvedomil, že namiesto toho bude stačiť ľahké, ale dostatočne silné lano, ktoré sa spustí zo satelitu vyneseného na geostacionárnu obežnú dráhu a zakotví sa na zemskom povrchu. To stále znie dosť šialene. Arzutanov túto myšlienku popísal až v článku v novinách Komsomolskaja pravda, a keď skupina Američanov vedená inžinierom a oceánografom Johnom Isaacsom (1913-1980) v roku 1966 zaslala spoločnosti Science dvojstranový článok s podobnou koncepciou, objavil sa iba s redakčnou poznámkou že recenzenti mali značné pochybnosti.
Raketový motor v kríze
Dnes je však táto myšlienka veľmi vážne znepokojená množstvom fyzikov a inžinierov. Stále do veľkej miery odhliadajúc od veľkých, verejne financovaných vesmírnych organizácií, organizujú technologické súťaže a odborné konferencie; ten posledný sa konal pred štyrmi týždňami v Seattli, pričom hlavným sponzorom bol Microsoft. V roku 2008 vzniklo Medzinárodné konzorcium pre vesmírny výťah (ISEC) a v októbri 2013 zverejnila úctyhodná Medzinárodná astronautická akadémia (IAA) 350-stranovú správu o stave výskumu.
Táto činnosť je tiež krízovým javom. Ziolkowski mal svoju predstavu o veži, keď nevidel inú cestu do vesmíru - svoju raketovú rovnicu nastavil až v roku 1903. A prvé podrobné výpočty zverejnil americký inžinier letectva Jerome Pearson, narodený v roku 1938, v odbornom časopise IAA Acta Astronautica v roku 1975. V predchádzajúcich rokoch sa program Apollo predčasne skončil a americký program vývoja jadrového vesmírneho pohonu bol prerušený. Kozmické lety sa dostali do skutočnej krízy. Posledná vlna záujmu o vesmírne výťahy sa konečne začala na prelome tisícročí, keď bol v nedohľadne koniec programu raketoplánov
Kvôli svojej opätovnej použiteľnosti bol raketoplán pôvodne určený ako obzvlášť nákladovo efektívna cesta do vesmíru. Teraz sa však ukázalo, že to nebol ani tak jednosmerný princíp, ktorý bránil rozvoju vesmírneho letu, ale myšlienka samotnej rakety. Aby rakety prekonali gravitáciu, musia so sebou vláčiť palivo. Na užitočné zaťaženie vozidiel s chemickým pohonom zostáva menej ako päť percent vzletovej hmotnosti, pri raketopláne to bolo iba 1,2 percenta. Preprava kilogramu na geostacionárnu obežnú dráhu pomocou nosných rakiet ako je americký Atlas alebo Delta stojí 80 000 dolárov a na obežných dráhach ako Medzinárodná vesmírna stanica je to stále 10 000 dolárov. „A to aj napriek 50-ročným skúsenostiam a optimalizácii raketových nákladov,“ hovorí norimberský fyzik Martin Lades, ktorý je zapojený do organizácie ISEC. „Už to nebude oveľa lacnejšie.“
Keď je výťah v prevádzke, sny sci-fi sa plnia
Táto obrovská závislosť počiatočných nákladov od množstva materiálu, ktorý sa má naštartovať, je zďaleka najväčším spoilerom v cestovaní vesmírom. Nielenže spomaľuje ekonomické využitie vesmíru - a tak bráni technickému rozvoju, pretože k nemu vždy dochádza iba vtedy, keď s ním niekto dokáže zarobiť veľa peňazí, ale predstavuje aj skutočný argument všetkých kritikov vesmírneho letu s ľudskou posádkou. Ak by vesmír skutočne nebol miestom pre ľudí, neboli by to vysoké hory, polárne oblasti a dokonca ani otvorené more. Homo sapiens v týchto dňoch chýba na Mesiaci alebo Marse, a to nie preto, že by tam nepatril, ale preto, že v súčasnosti je jednoducho príliš nákladné vytlačiť z vesmírnej gravitácie pohodlné vesmírne lode a súvisiace systémy na podporu života.
Keby však bolo možné natiahnuť také lano do vesmíru a nechať ho po ňom šplhať výťahmi, konečný výsledok by bol úplne iný. Ale čo ste potrebovali?
Keď dnes ľudia uvažujú o vesmírnych výťahoch, urobia to zvyčajne na základe scenára Američana Bradleyho Edwardsa z roku 2003. Podľa toho má vesmírny výťah päť komponentov.
Státisíc kilometrov stúpania
Najprv je to lano, ktorého ťažisko krúži na geostacionárnej dráhe vo výške takmer 36 000 kilometrov. Vyvalilo by sa to zo satelitu, ktorý tam vystrelil konvenčnými raketami. Tento satelit by stúpal čoraz vyššie, až okolo 100 000 kilometrov, a tam by ako protizávažie, druhá zložka, udržiaval lano napnuté svojou odstredivou silou. Čím väčšia hmotnosť má toto protizávažie, tým kratšia môže byť celková dĺžka. „Ak si vezmete lano, ktoré je dlhé 144 000 kilometrov, nepotrebujete protizávažie,“ vysvetľuje fyzik Markus Landgraf z Európskej vesmírnej agentúry. "Potom časť lana nad geostacionárnou dráhou slúži ako protizávažie." Ďalšou výhodou hornej časti lana je, že odtiaľ môžete bez pohonu lietať do slnečnej sústavy až na Saturn. “
Pre náklad a cestujúcich cestujúcich na obežnú dráhu Zeme by však geostacionárna základňa, zložka číslo tri, bola koncovou stanicou. Štvrtou zložkou by potom bola pozemná stanica. Súčasné koncepty, vrátane koncepcií v správe IAA, už majú veľmi konkrétne predstavy o umiestnení. Ideálna by bola plávajúca plošina v Pacifiku, tisíc kilometrov západne od Galapág. More je tam väčšinou pokojné, riziko tropických cyklónov je nízke a búrky sa tak často nevyskytujú.
Problém dodávky energie
Po piate, zostáva skutočný kabínový výťah, ktorý inžinieri zvyčajne nazývajú „horolezec“. Horolezec mal vlastný pohon a kolesá, respektíve valce, pretože dnešné koncepčné štúdie, ako aj štúdie prezentované v správe IAA, sú založené na páse širokom asi jeden meter namiesto lana s guľatým prierezom. Jedným z dvoch hlavných problémov vesmírneho výťahu je napájanie tohto pohonu. Priniesť palivo na cestu dlhú 36 000 kilometrov nemá zmysel - potom by ste mali rovnaký problém ako s raketou. Namiesto toho mohol byť horolezec napájaný silným laserovým lúčom. Výkonné fotobunky na palube horolezca by potom premenili laserovú energiu na elektrinu.
Takéto pohony - ale aj „vyžarovanie sily“ pomocou výkonných svetlometov alebo laserov v rozsahu niekoľkých kilowattov sily - sa už niekoľko rokov študujú na modelových systémoch vo forme takzvaných „výziev“, teda súťaží, v ktorých (často študentské) tímy súťažia proti sebe navzájom a Aby bolo možné vyhrať, musí spĺňať určité požiadavky. Na poslednej udalosti v Japonsku začiatkom augusta bolo úlohou postaviť horolezcov, ktorí zdolajú 1200 metrov dlhé lano držané balónom. V roku 2012 sa na Katedre kozmických technológií Technickej univerzity v Mníchove v Garchingu uskutočnila druhá „Európska výzva na vesmírny výťah“. Sponzorské peniaze však ešte nestačia na to, aby ponúkli viac ako symbolické sumy ako ceny. O niečo viac priekopníckeho ducha, najmä v inštitúciách verejného priestoru, by tu mohol urobiť oveľa viac, hovorí Martin Lades.
Horolezec hotového vesmírneho výťahu, ako si predstavuje správa IAA, by zvyčajne vážil 20 ton, z toho 14 ton bolo užitočné zaťaženie a dosiahnutie geostacionárnej vesmírnej stanice by trvalo asi osem dní. Na lane by bolo súčasne až sedem horolezcov; To, či ich energia môže byť skutočne dodaná laserovým svetlom, je na scéne vesmírneho výťahu veľmi diskutovaná otázka. „Lasery by vyžadovali obrovskú pozemnú infraštruktúru,“ hovorí Peter Swan, prezident ISEC a šéfredaktor správy IAA. "Potrebovali ste sedem lúčov, jeden pre každého horolezca, plus adaptívnu optiku a cieľové systémy." Energiu pre tieto obrovské lasery by museli na voľnom mori dodávať generátory - a to hovoríme o niekoľkých gigawattoch! “
Ekologickejšie lezenie so solárnou energiou
Správa IAA preto stavia do centra úvah alternatívny zdroj energie: „Vďaka najnovšiemu pokroku a predvídateľnému vývoju vo fotovoltaike je teraz možné sústrediť sa na návrhy pre horolezcov, ktoré všetku svoju energiu získavajú priamo zo slnečného žiarenia“, hovorí v správe. Takto si môžu inžinieri predstaviť, že Horolezec ťahá niekoľko povrchov so solárnymi článkami za sebou.
Čistý solárny pohon je však realistický iba z výšky 40 kilometrov. Nielen, že hrozí, že mraky zhoršia dodávku energie, krehké solárne panely by boli vystavené aj vetru a počasiu.
Jedným z možných, aj keď gigantických riešení tohto problému by bolo postaviť dolný koniec výťahu nie na zemi, ale ako „vysoký stupeň“ vo výške 40 kilometrov. K tomu by pravdepodobne došlo k myšlienke takzvaných slučiek Lofstrom, súpravy vákuových trubíc dlhých stovky kilometrov, v ktorých nekonečné pásy bežia tak rýchlo, že ich odstredivé zrýchlenie vytvára silu smerom nahor. Transport zo zemského povrchu do „vysokej fázy jedna“ sa mohol uskutočňovať elektromagneticky pozdĺž vákuových trubíc.
Bolo by jednoduchšie začať s vertikálnym stúpaním na zemi a prvých 40 kilometrov schovať solárne panely zložené do ochranného krytu. Energia by potom musela byť počas tejto prvej etapy dodávaná zo zeme, a to buď laserom, alebo pomocou ním vytiahnutého napájacieho kábla, alebo - a to by bolo zďaleka najelegantnejšie riešenie - použitím lana (alebo pásky) v pozemnej stanici s výdajom energie namotá potrebnú dĺžku, až potom pripevní horolezca a nakoniec pustí cievku. Výsledkom by bolo, že odstredivá sila lana a protizávažie by ťahali horolezca do vysokej atmosféry, kým slnko nedokáže prevziať prísun energie.
Pokrok v materiálnej otázke
Či je to možné, závisí vo veľkej miere od toho, aký materiál je k dispozícii pre lano alebo pásku. A tento bod je druhou a najdôležitejšou výzvou, ktorej čelia vizionári vesmírnych výťahov. Pretože dodnes neexistuje žiadny materiál, ktorý by bol stabilný a zároveň dostatočne ľahký na to, aby sa dal postaviť vesmírny výťah. Ide teda o špecifickú silu, pre ktorú predstavitelia vesmírnych výťahov predstavili samostatnú fyzickú jednotku a pomenovali ju „Megayuri“ alebo v skratke MYuri na počesť Jurija Arzutanova. Megajuri zodpovedá jednému gigapascalu na gram a kubický centimeter. Páska vesmírneho výťahu musí mať minimálne 20 Megayuri, lepšie by bolo 50. Pri niečo viac ako polovici Megayuri je oceľ až na stotisícový faktor príliš slabá a až v roku 1975, keď Jerome Pearson predstavil svoje výpočty, nebol v dohľade žiadny materiál ktorých špecifická sila by bola dostatočná.
Ale to je presne to, čo sa medzitým zmenilo. V roku 1991 japonskí vedci objavili formu uhlíka, ktorú už v Rusku pozorovali desaťročia predtým, bez toho, aby to bolo na Západe známe: uhlíkové nanorúrky, ktoré sa odvtedy intenzívne študujú, pretože majú aj zaujímavé elektronické vlastnosti. Tieto trubice sú molekulárne laná s fantastickou pevnosťou. Rozhodujúcim spôsobom podporili vízie vesmírneho výťahu, najmä keď v roku 2000 boli u jednotlivých takýchto nanovlákien pozorované špecifické sily nad 20 megayuri. Predchádzajúcim rekordom je desať centimetrov dlhá uhlíková nanorúrka, ktorá v roku 2011 merala cez 100 Megayuri.
Teraz horúčkovito pracujú na spriadaní zázračného vlákna do priadze porovnateľnej sily, z ktorej sa dajú vyrobiť laná alebo stuhy akejkoľvek dĺžky. Stačí pár stoviek metrov, aj keď len pre nanovláknové priadze, ktoré sú optimalizované pre ľahké elektrické káble. Priadze nad 20 megayuri mohli byť predstavené už v roku 2015, uvádza sa v správe IAA. To, ako dlho sa z nich potom dajú vyrobiť štruktúry, tiež závisí od toho, ako dobre dostanú vedci problém s poruchami molekúl trubice pod kontrolu. Teoreticky by jediný chýbajúci atóm uhlíka v inak dokonalej trubici dlhej 30 000 míľ znížil pevnosť o 20 percent.
Korózia a vesmírny odpad
Autori IAA sú si však istí: ak bude súčasný trend pokračovať, píšu, že nanorúrky v dĺžke kilometrov budú k dispozícii okolo roku 2022. Z nich by mala byť konečne utkaná stuha ku hviezdam.
Ale aj potom by bolo treba objasniť ďalšie otázky, aby mohol byť vesmírny výťah konečne klasifikovaný ako technicky uskutočniteľný. Napríklad to, či možno zázračné vlákno tiež potiahnuť, aby sa zabránilo korózii v chemicky agresívnych zónach hornej atmosféry.
Ďalšou obavou je vesmírny odpad. Nemôžete predvídať zásahy z menších trosiek menších ako 10 centimetrov, hovorí Martin Lades, a štatisticky k nim dôjde každých desať dní. Páska musí byť preto navrhnutá tak, aby stále držala aj pri jednom alebo viacerých otvoroch. Okrem toho bude mierne zakrivený, takže ani jediný mikrotrh, ktorý je zasiahnutý presne na okraji, ho nedokáže úplne prerezať. Horolezci vo všeobecnosti by museli pravidelne pás kontrolovať a v prípade potreby ho opraviť. Niekoľkokrát do roka by však pás bol zasiahnutý zvyškami veľkosti jeho šírky. Môžete ich však sledovať pomocou radaru a vyhnúť sa im napríklad pohybom plávajúcej pozemnej stanice.
Čo však v prípade, že sa situácia stane hlúpou a kazeta s výťahom sa aj tak zlomí? Najväčšia pravdepodobnosť je okolo 800 kilometrov nad morom, kde je najväčšia hustota letiaceho šrotu. Ale akákoľvek separácia pod geostacionárnou stanicou by ju a fragment horného pásma vytlačila na vyššiu obežnú dráhu, zatiaľ čo spodná spadne na Zem a rýchlo sa nakloní z vertikály. Najväčšia časť fragmentu dolného pásma by potom bola z krátkodobého hľadiska veľmi dlhý kus vesmírneho odpadu, ktorý by mohol predstavovať hrozbu pre satelity a vesmírne stanice v blízkosti Zeme, ale čoskoro by úplne zhorel v atmosfére. Iba spodných sto kilometrov spadlo na povrch Zeme. Sto kilometrov tenkej uhlíkovej pásky váži necelých sto kilogramov a je nepravdepodobné, že by spôsobila veľké škody v rozľahlosti Tichého oceánu.
Takáto nehoda by bola najnepríjemnejšia pre astronautov, ktorí sa momentálne nachádzajú vo výťahu. Špeciálne vesmírne lode by pravdepodobne museli byť pripravené na zotavenie vášho horolezca, ale malo by to byť finančne možné vzhľadom na skutočnosť, že podľa súčasných odhadov náklady na vesmírnu prepravu klesli na 500 dolárov za kilo. Za žiadnych okolností by však človek nechcel, aby musel z múzea vyzdvihnúť chemickú nosnú raketu, aby mohol prestavať vesmírny výťah. "Prvá vec, ktorú urobíme, keď postavíme vesmírny výťah, je vytvorenie druhej." A tretie, “hovorí Peter Swan. „Už nikdy viac nechceme byť uväznení v gravitačnom poli Zeme.“