Kötélpálya a pályára Mit csinál valójában ... a tudomány űrlift spektruma
Kötél pályára: mit csinál ... az űrlift valójában?
A Csendes-óceán közepén lévő trópusi szigetről indulva ostya-vékony vonal fut, amely mintha eltévedne valahol a felhőtlen kék égen: Ez egy kötél, amely az űrbe nyúlik. E kötél mentén kapszulák szárnyalnak az égbe, amelyek kényelmesen szállítják a rakományokat és az embereket egy geostacionárius pályára. Nincs visszaszámlálás, nincsenek gőzölgő rakétamotorok, hanem zajtalan lift: ez a jövőkép elképzelhető évtizedek óta inspirálja a sci-fi szerzőket, mivel az űrutazást sokkal olcsóbbá tenné, és a gazdaság teljesen új ágait nyitná meg az űrben.
De a mérnökök csak néha kezdenek foglalkozni a megoldandó problémákkal. Az egyik Yoshiki Yamagiwa a japán Shizuoka Egyetemről, akinek hallgatóival 2018. szeptember 22-én egy apró űrliftet lőttek ki a Nemzetközi Űrállomásra (ISS) a HTV pilóta nélküli ellátó űrhajó fedélzetén. Ez egy tíz centiméter széles és 23 centiméter hosszú CubeSat, amelyet az elkövetkező hetekben az ISS-ből kell az űrbe tolni, hogy teszteljék az első liftet az űrben. Nem valószínű azonban, hogy megszüntesse ennek a technológiának a technikai akadályait.
Remélem a szén nanocsöveket
Konstantin Ziolkowski, az űrutazás orosz úttörője, Konstantin Ziolkowski már 1895-ben megfogalmazta egy még nagyobb szerkezet ötletét, amely az újonnan felállított Eiffel-torony benyomása alatt az űrbe is eljuthat. De csaknem 100 évig egyszerűen nem volt olyan anyag, amely alkalmas lenne erre. Az acél például alig 30 kilométeres magasságban szakadna meg saját súlya miatt, függetlenül attól, hogy az acélkábelt milyen stabilan építették fel.
Bár a tudományos fantasztikus írók többször is felvették ezt a koncepciót, a mérnökök csak 1991 után kezdtek komolyabban foglalkozni az űrbe szállító lifttel. Abban az évben Sumio Iijima japán tudós felfedezte a szén nanocsöveket. Ez az anyag százszor erősebb, mint az acél, de csak fele olyan nehéz, mint az alumínium. Matematikailag egy szén nanocsövekből álló kötelet lehet kinyújtani messze egy geostacionárius pálya mögött, és még mindig olyan egyszerű lenne, hogy a mai nagy teherbírású rakéta az űrbe juttathatja, ahonnan le lehet gurítani.
A NASA 2000-ben végzett tanulmánya megvizsgálta egy ilyen kötél műszaki követelményeit: A Csendes-óceán kevésbé viharos trópusi szélességén található szigettől vagy perontól a kötél akár 144 000 kilométert is elérhet az űrbe - a Hold távolságának harmadáig. Itt egy ellensúly a kötelet feszesen tartaná a centrifugális erő révén, míg a 34 000 kilométeres magasságban lévő emelvény súlytalanság alatt tarthatna helyet egy űrállomásnak. Ily módon tehereket és embereket szállíthat a pályára, és így a rakéták feleslegessé válhatnak. Az űrbe helyezett kilogramm alig 200 dollárba kerülne, ma 20 000 dollár helyett.
A technológia hívei az űrben hatalmas szállodákról, a pályán lévő naperőművekről és aszteroidák aknáiról álmodoznak. A kötél végén lévő centrifugális erő még a bolygóközi közlekedést is lehetővé tenné, sokkal kevesebb üzemanyag felhasználásával. De a legfontosabb probléma továbbra is az anyag marad: a szén nanocsövek eddig csak laboratóriumi méretekben bizonyították hatalmas erejüket; A méteres vagy akár kilométeres kötelek gyártási technikája a mai napig nem létezik.
A gyufásdobozos lift
A mindössze 2,7 kilogrammos japán „Space Tethered Autonomous Robot Satellite - Mini Elevator” (STARS-ME) egy CubeSat, amely egyike azon sok kis műholdnak, amelyeket az űrbe indítanak, hogy teszteljék az űrutazás új és technikailag kockázatos folyamatait. A STARS-ME egy Kevlar kötelet hordoz, amely még nem alkalmas a földről az űrbe történő felvonóhoz. Amikor a CubeSat elhagyta az űrállomást és szabadon körbejárja a földet, a négyszög két kocka alakú CubeSat-ra oszlik, amelyek a mindössze 14 méter hosszú kötéllel kapcsolódnak egymáshoz. Állítólag egy pici, saját meghajtású robot csúszik köztük. Ez lenne az első lift az űrben, de akkora, mint egy gyufásdoboz, meglehetősen kicsi.
Egy ilyen felvonóút a pályán nem különösebben igényes eredmény Markus Landgraf számára: "Az emberek az egyszerű problémák megoldására sietnek az igazán nehéz problémák megoldása helyett" - mondja a mérnök, aki holdszondákat tervez az Európai Űrügynökségnél, de magánszférában gyengesége van az űrliftekkel szemben. Van. Szerinte a felvonókapszula meghajtása az űrlift egyik megoldható problémája: egészen máshogy kellene működnie, mint egy normál épületlift; mert amíg kötelek felhúzzák, addig az űrliftnek egyedül kellene működnie. Súlyos okokból a kapszulát a talajból kell energiával ellátni, feltehetően egy erős lézeren keresztül, amely a liftekapszulán sugározza a napelemeket.
2005 óta versenyeket rendeznek az Egyesült Államokban, Japánban, Németországban és Izraelben, ahol a hallgatók által kifejlesztett felvonórobotnak a lehető leggyorsabban meg kell másznia egy helikopter által tartott kötelet. Míg az első években egy mászó robot nem mindig érte el a kötél felső végét, egy japán csapat nemrégiben sikerült 100 kilogramm hasznos terhet felemelnie 1200 méterig. Ugyanakkor a STARS-ME küldetéséhez hasonlóan ezek a versenyek még mindig messze vannak az orbitális kötél méreteitől: "Minden bizonnyal szerepet játszanak abban, hogy a diákokat megismertessék az űrutazás dinamikus hatásaival" - mondja Markus Landgraf. - De nem viszik tovább az űrliftet.
Az ördög a részletekben rejlik
Azok a szervezetek, amelyek maguk működtetik az űrutazást, mint például az Európai Űrügynökség, az ESA - Markus Landgraf munkáltatója - eddig költségvetésükben nem tulajdonítottak jelentőséget az űrlifteknek. Felix Huber szintén szkeptikus az alapvető megfontolások szempontjából: "Nem könnyű egy ilyen kötelet stabilan tartani a pályán" - mondja az Oberpfaffenhofeni német űrkutatási központ űrműveleti és űrhajós kiképzési igazgatója. Huber különféle múltbeli próbálkozásokra utal, amelyek során két műhold keringett a föld körül, kilométeres kábelekkel összekötve.
Sok ilyen küldetés kudarcot vallott, mert véletlenül nagy feszültségek keletkeztek, kötélcsörlők akadtak el, vagy azért, mert a kötelek kisebb termelési hibák miatt összekuszálódtak. Ezenkívül a kötelek könnyedén lendülnének a pályán. Az űrlift azonban nemcsak a vákuumon keresztül jutna el, hanem a légkörön keresztül is, amely szintén rángatja, például trópusi viharok idején. "Még akkor is, amikor egy lift beindul, meghúzza a kötelet" - mondja Huber. "Ez önmagában lehetővé teszi a rezgések terjedését és tovább épülését."
Egy több tízezer kilométer hosszú kötélnek más problémákkal kellene megküzdenie: 200–900 kilométeres magasságban áthaladna egy zónán, ahol a nap UV-sugárzása által hasított atom oxigén keletkezik, amely a szerves anyagokat oxidálja, mint a szén nanocsövekből készült kötél. és lebomlana. Az űrhulladék szintén megsemmisítheti a kötelet - különösen a geostacionárius temetői pályán: Ez egy keskeny és majdnem lineáris zóna a geostacionárius pályák felett, ahol a használaton kívüli műholdakat elhelyezik - és amelyet a keringő kötelének kellene átkelnie. Ezenkívül a mélyebb pályákon és a mikrometeoritokon gyorsan köröznek az űrhulladékok, amelyek lyukakat üthetnek a kötelben, vagy legrosszabb esetben elpusztíthatják.
Az álom tovább él
A repülési dinamikában jártas Markus Landgraf mindezeket a problémákat elvileg megoldhatónak tartja: Elméletileg az ilyen kötelek dinamikáját már régóta megértették. A tervezők pedig egyszerűen be tudták szerelni az űrkötél alsó végét úgy, hogy az ellenkező irányú mozgásokkal csillapítsa a rezgéseket. A földi pályán lévő nagyobb darabokat célzott rezgésekkel meg lehetne kerülni.
Másrészt kisebb szakadt lyukakat kellene kijavítani. A temető pályáján lévő törmelék állítólag egyébként a kötélhez képest meglehetősen lassan halad. A kötelet pedig egyszerűen be kell vonni a sugárzás és az atom oxigén ellen. A NASA 2000. évi, kezdeti kísérleteken alapuló tanulmánya feltételezi, hogy a kötél külsején oxidált réteg alakul ki, amely természetes védelemként szolgál a mélyebb rétegek számára.