Az űrlift forradalmasítja az űrutazást
Könnyű ezt a gondolatot kigúnyolni: százezer kilométer kötél húzódik a föld felszíne és egy műhold között, hogy embereket és anyagokat az űrbe vonjon. Természetesen könnyű válaszolni azoknak is, akik szerint ez tudományos-fantasztikus hülyeség, hogy a későbbi kulcsfontosságú technológiák egy részét eleinte fantáziaként is elvetették. Gondoljunk csak arra a repülőgépre, amelynek híres William Thomson fizikus, 1. báró Kelvin 1895-ben nyilvánosan kijelentette, hogy ilyesmi lehetetlen, és nyolc évvel később a Wright testvérek felszálltak. De mint sok technikai álom, az aranykészítéstől a rák elleni piruláig soha nem vált valóra?
Az „Űrliftnek” ez a két példája közös, hogy megvalósításához nincs szükség a jól ismert természeti törvények megsértésére - ellentétben például a könnyűnél gyorsabb repülésekkel az űrben. Valójában nem más volt, mint Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski (1857–1935) orosz matematikatanár, a rakétaelmélet egyik felfedezője, aki ugyanabban az évben, amikor Lord Kelvin zavarba hozta magát a technikatörténet miatt, elkezdett egy 36 000 kilométeres toronyra gondolni. A csúcsa ott lenne, ahol egy felszabadult test egy nap alatt kering a Föld körül, az úgynevezett geostacionárius pálya, amelyen az időjárási vagy televíziós műholdak úgy keringenek, hogy azok mindig ugyanazon a ponton vannak a föld felszínén. Aki felmászott egy ilyen struktúrára, bármennyi időbe is telik, egyedül tenné ezt a Föld gravitációján.
Természetesen egy ilyen torony valóban feloldhatatlan problémákat vet fel a szerkezeti mérnökök számára. De 1960-ban Ziolkowski 1929-ben született honfitársa, Jurij Arzutanow rájött, hogy helyette egy könnyű, de kellően erős kötelet tesz, amelyet a geostacionárius pályára indított műholdról leeresztenek és a föld felszínén horgonyoznak. Ez még mindig elég őrülten hangzik. Arzutanov csak a Komsomolskaya Pravda újságcikkében írta le az ötletet, és amikor John Isaacs mérnök és óceánkutató (1913-1980) vezetésével egy amerikaiak egy csoportja 1966-ban kétoldalas, hasonló koncepciójú cikket küldött a Science-nek, csak szerkesztői megjegyzéssel jelent meg. hogy a bírálóknak jelentős kétségei voltak.
A rakétamotor válságban van
Ma azonban számos fizikust és mérnököt nagyon komolyan foglalkoztat az ötlet. A nagy, államilag finanszírozott űrszervezetektől eltekintve továbbra is technológiai versenyeket és szakkonferenciákat szerveznek; a legutóbbi négy hete Seattle-ben volt, fő támogatója a Microsoft. 2008-ban megalakult a Nemzetközi Űrlift konzorcium (ISEC), 2013 októberében pedig a tiszteletreméltó Nemzetközi Asztronautikai Akadémia (IAA) 350 oldalas jelentést tett közzé a kutatás helyzetéről.
Ez a tevékenység szintén válságjelenség. Ziolkowskinak akkor volt a toronyötlete, amikor nem látott más utat az űr elérésére - rakétaegyenletét csak 1903-ban állította fel. Az első részletes számításokat Jerome Pearson, 1938-ban született amerikai légierő-mérnök tette közzé az IAA Acta Astronautica szakfolyóiratában 1975-ben. Az előző években az Apollo-program idő előtt befejeződött, és az amerikai nukleáris űrhajtási rendszerek fejlesztésére vonatkozó programot megszüntették. Az űrutazás valóságos válságba került. Az űrliftek iránti legutóbbi érdeklődés végül az ezredforduló környékén kezdődött, amikor az űrsikló program vége látható volt
Újrafelhasználhatósága miatt az űrsiklót kezdetben különösen költséghatékony útnak szánták az űrbe. De most kiderült, hogy nem annyira az egyirányú elv akadályozta meg az űrutazás kialakulását, hanem maga a rakéta ötlete: A gravitáció legyőzéséhez a rakétáknak magukkal kell cipelniük az üzemanyagot. A vegyi meghajtású járművek hasznos terhelésénél a felszállási tömeg kevesebb mint öt százaléka maradt meg, az űrsikló esetében csak 1,2 százalék volt. 80 000 dollárba kerül egy kilogramm geostacionárius pályára szállítása olyan hordozórakétákkal, mint az Amerikai Atlas vagy a Delta, és olyan pályákon, mint a Nemzetközi Űrállomás, még mindig 10 000 dollár. "És ez annak ellenére, hogy 50 éves tapasztalattal és optimalizálták a rakétaköltségeket" - mondja Martin Lades, a nürnbergi fizikus, aki az ISEC-vel áll kapcsolatban. - Már nem lesz sokkal olcsóbb.
Amikor a lift jár, a tudományos-fantasztikus álmok valóra válnak
Az indítási költségek óriási függősége a beindítandó anyagmennyiségtől messze a legnagyobb rontás az űrutazásban. Ez nemcsak lelassítja a tér gazdaságos felhasználását - és ezáltal megakadályozza a technikai fejlődést, mivel ezek mindig csak akkor következnek be, amikor valaki rengeteg pénzt kereshet vele, hanem az emberes űrutazás minden kritikusának valódi érve is. Ha az űr valóban nem lenne hely az emberek számára, akkor nem lennének magas hegyek, sarkvidékek és még a nyílt tenger sem. A Homo sapiens manapság nem azért hiányzik a Holdról vagy a Marsról, mert nem tartozik oda, hanem azért, mert jelenleg túl drága kényelmes űrhajókat és a hozzájuk kapcsolódó életfenntartó rendszereket kibontani a föld gravitációjából.
De ha lehetséges lenne egy ilyen kötelet kinyújtani az űrbe, és hagyni, hogy a liftek másznak rajta, a végeredmény teljesen más lenne. De mire volt szükséged?
Amikor az emberek manapság űrliftekre gondolnak, általában az amerikai Bradley Edwards 2003-as forgatókönyve alapján teszik ezt. Eszerint az űrliftnek öt eleme van.
Százezer kilométer pálya
Először ott van a kötél, amelynek a súlypontja geostacionárius pályán kering közel 36 000 kilométeres magasságban. A hagyományos rakétákkal ott lőtt műholdról gördülne ki. Ez a műhold egyre magasabbra, akár 100 000 kilométerre is felmászna, és ott ellensúlyként a második alkatrész feszesen tartaná a kötelet centrifugális erején keresztül. Minél nagyobb tömegű ez az ellensúly, annál rövidebb lehet a teljes hossz. "Ha 144 000 kilométer hosszú kötelet vesz fel, akkor nincs szüksége ellensúlyra" - magyarázza Markus Landgraf fizikus az Európai Űrügynökségtől. „Ezután a kötél geostacionárius pálya feletti része ellensúlyként szolgál. A kötél felső részének további előnye, hogy onnan minden hajtás nélkül a Szaturnuszig repülhet a Naprendszerbe. "
A földi pályára utazó áruk és utasok számára azonban a geostacionárius bázis, a harmadik alkatrész, a végállomás lenne. A negyedik komponens ekkor a földi állomás lenne. A jelenlegi koncepciók, beleértve az IAA jelentésben szereplő fogalmakat is, már nagyon konkrét elképzelésekkel rendelkeznek a helyszínről. Ideális lenne egy úszó emelvény a Csendes-óceánon, a Galapagos-szigetektől ezer kilométerre nyugatra. A tenger többnyire nyugodt, a trópusi ciklonok kockázata alacsony, zivatarok nem fordulnak elő ilyen gyakran.
Az energiaellátás problémája
Ötödször marad a tényleges liftkocsi, amelyet a mérnökök általában „mászónak” hívnak. A hegymászónak megvolt a maga hajtása és kerekei, vagy inkább görgői, mert a mai koncepciótanulmányok, valamint az IAA jelentésben bemutatottak kerek keresztmetszetű kötél helyett körülbelül egy méter széles szalagon alapulnak. Az űrlift két fő problémájának egyike a meghajtó áramellátása. Üzemanyagot hozni a 36 000 kilométeres útra nincs értelme - akkor ugyanaz a problémája lenne, mint a rakétának. Ehelyett a mászó erőteljes lézersugárral működtethető. A hegymászó fedélzetén található erõs fotocellák a lézerenergiát elektromos energiává alakítják.
Az ilyen hajtásokat - de az erős fényszórók vagy néhány kilowatt teljesítményű lézerek segítségével történő „fénysugarat” is - évek óta tanulmányozták a modellrendszereken úgynevezett „kihívások” formájában, vagyis olyan versenyek formájában, amelyeken (gyakran diák) csapatok versenyeznek egymással, Meg kell felelnie bizonyos követelményeknek a győzelemhez. A legutóbbi, augusztus eleji eseményen Japánban olyan hegymászók építése volt a feladat, amelyek meghódítanak egy 1200 méter hosszú kötelet, amelyet egy lufi tart. 2012-ben a második „European Space Elevator Challenge” került megrendezésre a müncheni Műszaki Egyetem Garching Űrtechnológiai Tanszékén. De a szponzori pénz még nem elegendő ahhoz, hogy szimbolikus összegeknél többet nyújtson, mint nyereményeket. Egy kicsit úttörő szellem, különösen a közterület intézményeiben, itt sokkal többet tehetne - mondja Martin Lades.
Az IAA jelentés elképzelése szerint egy kész űrlift mászójának súlya általában 20 tonna, ebből 14 tonna hasznos teher volt, és körülbelül nyolc napig tartott a geostacionárius űrállomás elérése. Legfeljebb hét hegymászó lenne egyszerre a kötélen; Hevesen vitatott kérdés, hogy energiájukat valóban lézerfénnyel lehet-e ellátni az űrlift-jelenetben. "A lézerekhez hatalmas infrastruktúra kellene a helyszínen" - mondja Peter Swan, az ISEC elnöke és az IAA jelentés főszerkesztője. - Hét gerendára volt szüksége, egy-egy hegymászóhoz, valamint adaptív optikára és célrendszerekre. E hatalmas lézerek energiáját a nyílt tengeren működő generátoroknak kellene szolgáltatniuk - és több gigawattról beszélünk! "
Zöldebb mászás napenergiával
Az IAA jelentése ezért egy alternatív energiaforrást helyez a megfontolások középpontjába: "A fotovoltaikus energia legújabb fejleményei és előrelátható fejleményei miatt ma már lehetőség van arra, hogy olyan hegymászókra összpontosítsunk, amelyek teljes energiáját közvetlenül a napfényből nyerik". azt a jelentésben. Így tudják elképzelni a mérnökök, hogy Mászó több felületet húz maga mögött napelemekkel.
A tiszta napenergia meghajtása azonban csak 40 kilométeres magasságból reális. A felhők nemcsak az energiaellátás romlását fenyegetik, hanem a törékeny napelemeket is szélnek és időjárásnak tennék ki.
Ennek a problémának egy lehetséges, bár óriási megoldása az lenne, ha a lift alsó végét nem a földre, hanem „magas fokozatként” építenék meg 40 kilométer magasságban. Ehhez valószínűleg visszaesne az úgynevezett Lofstrom hurkok ötlete, egy több száz kilométer hosszú vákuumcsövek összessége, amelyekben a végtelen övek olyan gyorsan futnak, hogy a centrifugális gyorsulásuk felfelé irányuló erőt hoz létre. A földfelszínről az „első stádiumba” történő szállítás elektromágnesesen történhet a vákuumcsövek mentén.
Könnyebb lenne megkezdeni a függőleges emelkedést a földön, és az első 40 kilométeren védőburkolatba rejteni a napelemeket. Az energiát ezután az első szakaszban a földről kell biztosítani, akár lézerekkel, akár egy felhúzott tápkábellel, vagy - és ez messze a legelegánsabb megoldás - a földi állomás kötelének (vagy szalagjának) felhasználásával energiával felhúzza a szükséges hosszúságot, csak ezután rögzíti a hegymászót és végül elengedi az orsót. Ennek eredményeként a kötél centrifugális ereje és az ellensúly felemelné a mászót a magas légkörbe, amíg a nap átveszi az energiaellátást.
Haladás az anyagi kérdésben
Hogy ez lehetséges-e, nagyban függ attól, hogy melyik anyag áll rendelkezésre a kötélhez vagy szalaghoz. És ez a pont a második és mindenekelőtt fontos kihívás, amellyel az űrliftes látnokok szembesülnek. Mert a mai napig nincs olyan anyag, amely stabil és ugyanakkor elég könnyű ahhoz, hogy egy űrliftet meg lehessen építeni. Tehát arról a sajátos erőről van szó, amelyhez az űrlift kutatói külön fizikai egységet vezettek be, és Jurij Arzutanov tiszteletére „Megayuri” -nak vagy röviden MYuri-nak nevezték el. A megayuri egyenértékű egy gigapascal/gramm és köbcentiméter. Az űrlift-szalagnak legalább 20 megayuri-nak kell lennie, 50 jobb lenne. Alig több mint fél megayuri-nál az acél százszorosára gyengébb, és 1975-ben, amikor Jerome Pearson bemutatta számításait, nem volt látható anyag akinek a sajátos ereje elegendő lett volna.
De pontosan ez változott időközben. 1991-ben a japán tudósok felfedezték a szén egy olyan formáját, amelyet évtizedekkel korábban már megfigyeltek Oroszországban, anélkül, hogy ezt nyugaton ismerték volna: a szén nanocsöveket, amelyeket azóta intenzíven tanulmányoztak, mert érdekes elektronikus tulajdonságokkal is rendelkeznek. Ezek a csövek fantasztikus szilárdságú molekuláris kötelek. Döntő lendületet adtak az űrlift-látomásoknak, különösen, ha 2000-ben az ilyen típusú nanoszálakban a 20 megayuri-t meghaladó fajlagos erősségeket figyeltek meg. Az előző rekord egy tíz centiméter hosszú szén nanocső, amely 2011-ben meghaladta a 100 megajurit.
Most lázasan azon fáradoznak, hogy a csodaszálat hasonló erősségű fonallá fonják, amelyből bármilyen hosszúságú kötelek vagy szalagok készíthetők. Néhány száz méter elegendő, ha csak a könnyű elektromos kábelekhez optimalizált nanoszálas fonalakhoz. Az IAA jelentése szerint a 20 megayuri-t meghaladó fonalak már 2015-ben bemutathatók. Az, hogy ebből mennyi ideig lehet struktúrákat előállítani, attól is függ, hogy a kutatók mennyire tudják megragadni a csőmolekulák hibájának problémáját. Elméletileg egyetlen hiányzó szénatom egy egyébként tökéletes, 30 000 kilométeres csőben 20% -kal csökkentené az erőt.
Korrózió és űrhulladék
Mindazonáltal az IAA szerzői magabiztosak: ha a jelenlegi tendencia folytatódik, azt írják, hogy 2022 év körül kilométer hosszú nanocsövek állnak majd rendelkezésre. Végül a csillagok szalagját kell belőlük szőni.
De akkor is további kérdéseket kellene tisztázni, mielőtt az űrliftet műszakilag megvalósíthatónak lehetne minősíteni. Például, hogy a csodaszál bevonható-e a légkör felső részének kémiailag agresszív zónáiban bekövetkező korrózió ellen is?.
Egy másik probléma az űrszemét. Nem lehet előre látni a 10 centiméternél kisebb méretű, kisebb törmelékektől érkező találatokat - mondja Martin Lades, és statisztikailag tíz naponta fordulnak elő. A szalagot ezért úgy kell megtervezni, hogy még egy vagy több lyuk mellett is megmaradjon. Ezenkívül enyhén ívelt lesz, így egyetlen mikrotörmelék, amely pontosan a szélén van, nem tudja teljesen átvágni. Általában a karbantartó hegymászóknak rendszeresen meg kell vizsgálniuk az övet, és ha szükséges, javítaniuk kell. Évente többször azonban az övet szélességének nagyságú törmelékdarabok ütik meg. Ezeket azonban radar segítségével szemmel tarthatja, és elkerülheti például az úszó földi állomás mozgatásával.
De mi van, ha a dolgok hülyévé válnak, és a liftszalag egyébként is elszakad? Ennek legnagyobb valószínűsége körülbelül 800 kilométer tengerszint feletti magasságban van, ahol a repülõ törmelék sûrûsége a legnagyobb. De a geostacionárius állomás alatti szétválasztás azt és a felső sávtöredéket egy magasabb pályára tolná, míg az alsó a Földre zuhan, és a függőlegestől gyorsan megdől. Az alsó sáv töredékének legnagyobb része ekkor rövid távon egy nagyon hosszú űrszemét lenne, amely veszélyt jelenthet a földközeli műholdakra és az űrállomásokra, de hamarosan teljesen kiégne a légkörben. Csak az alsó száz kilométer esett a föld felszínére. Száz kilométernyi vékony szénszalag súlya kevesebb, mint száz kilogramm, és valószínűleg nem okoz sok kárt a Csendes-óceán hatalmas területein.
Egy ilyen baleset leginkább a jelenleg liftben tartózkodó űrhajósok számára lenne idegesítő. A más űrhajókat valószínűleg készen kell tartani mászójának helyreállításához, de ennek pénzügyileg lehetõvé kell válnia, tekintettel arra a tényre, hogy a jelenlegi becslések szerint az ûrfuvar költsége 500 dollárra esett kilónként. Semmi esetre sem kívánja azonban, hogy vegyen egy hordozórakétát a múzeumból az űrlift újjáépítéséhez. - Az első dolog, amit megteszünk, amikor űrliftet építünk, egy második. És egy harmadik ”- mondja Peter Swan. "Soha többé nem akarjuk, hogy bezárkózzanak a föld gravitációs mezőjébe."