Kosmiczna winda jest możliwa przy dzisiejszej technologii, twierdzą naukowcy (musimy tylko zwisać z księżyca)

Fotoilustracja windy kosmicznej Oryginalne obrazy: Michel Paz, Jeremy Thomas | Unsplash; pod redakcją MIT Technology Review

Być może największą przeszkodą w ekspansji ludzkości w całym Układzie Słonecznym jest zaporowy koszt ucieczki przed przyciąganiem grawitacyjnym Ziemi. Tak mówią Zephyr Penoyre z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii i Emily Sandford z Columbia University w Nowym Jorku.

Problem polega na tym, że silniki rakietowe wyrzucają masę w jednym kierunku, aby wytworzyć ciąg dla statku kosmicznego w drugim. A to wymaga ogromnych ilości paliwa, które ostatecznie jest wyrzucane, ale także musi być przyspieszane wraz ze statkiem kosmicznym.

W rezultacie umieszczenie jednego kilograma na orbicie kosztuje około dziesiątek tysięcy dolarów. Podróż na Księżyc i dalej jest jeszcze droższa. Istnieje więc duże zainteresowanie znalezieniem tańszych dróg na orbitę.

Jednym z pomysłów jest zbudowanie kosmicznej windy — kabla ciągnącego się z Ziemi na orbitę, który umożliwia wspinanie się w kosmos. Dużą zaletą jest to, że proces wspinaczki może być zasilany energią słoneczną, a zatem nie wymagałby paliwa na pokładzie.

Ale jest też duży problem. Taki kabel musiałby być niesamowicie mocny. Nanorurki węglowe są potencjalnym materiałem, jeśli kiedykolwiek będą mogły być wystarczająco długie. Ale dostępne dziś opcje są po prostu zbyt słabe.

Wprowadź Penoyre i Sandford, którzy ponownie przyjęli ten pomysł z niespodzianką. Mówią, że ich wersję kosmicznej windy, którą nazywają linią kosmiczną, można by zbudować z materiałów, które są obecnie dostępne na rynku.

Najpierw trochę tła. Winda kosmiczna, jak konwencjonalnie wyobrażano, składałaby się z kabla zakotwiczonego na ziemi i rozciągającego się poza orbitę geosynchroniczną, około 42 000 kilometrów (26 098 mil) nad Ziemią.

Taki kabel miałby sporą masę. Tak więc, aby powstrzymać go przed upadkiem, musiałby być zrównoważony na drugim końcu przez podobną masę orbitującą. Cała winda byłaby wtedy podtrzymywana przez siły odśrodkowe.

Przez wiele lat fizycy, pisarze science fiction i wizjonerzy z podekscytowaniem obliczali wielkość tych sił, tylko po to, by niestety zniechęcić się wynikiem. Żaden znany materiał nie jest wystarczająco mocny, aby poradzić sobie z tymi siłami — ani pajęczy jedwab, ani kevlar, ani nawet najmocniejsze nowoczesne polimery z włókna węglowego.

Więc Penoyre i Sandford przyjęli inne podejście. Zamiast zakotwiczyć kabel na Ziemi, proponują zakotwiczenie go na Księżycu i zwisanie w kierunku Ziemi.

Duża różnica wynika z sił odśrodkowych. Konwencjonalna winda kosmiczna wykonywałaby pełny obrót każdego dnia, zgodnie z obrotem Ziemi. Ale linia kosmiczna oparta na Księżycu krążyłaby tylko raz w miesiącu — znacznie wolniej z odpowiednio mniejszymi siłami.

Co więcej, siły są inaczej ułożone. Rozciągając się od Księżyca do Ziemi, linia kosmiczna przechodziłaby przez obszar przestrzeni, w której grawitacja ziemska i księżycowa znoszą się nawzajem.

Ten obszar, znany jako punkt Lagrange'a, staje się centralnym elementem linii przestrzennej. Pod nim, bliżej Ziemi, grawitacja ciągnie kabel w kierunku planety. Ale nad nim, bliżej Księżyca, grawitacja ciągnie kabel w kierunku powierzchni Księżyca.

Penoyre i Sandford szybko pokazują, że przedłużenie kabla od Księżyca aż do powierzchni Ziemi generuje siły, które są zbyt duże dla dzisiejszych materiałów. Ale kabel nie musi rozciągać się do końca, aby był użyteczny.

Głównym wynikiem naukowców jest wykazanie, że dzisiejsze najsilniejsze materiały – polimery węglowe, takie jak Zylon – mogą wygodnie wspierać kabel rozciągający się od księżyca na orbitę geosynchroniczną. Sugerują oni, że urządzenie sprawdzające zasadę działania wykonane z kabla o grubości ołówka można zwisać z księżyca za cenę mierzoną w miliardach dolarów.

To wyraźnie ambitne, ale w żadnym wypadku nie przesadne dla nowoczesnych misji kosmicznych. Przedłużając linię zakotwiczoną na Księżycu do głębi ziemskiej studni grawitacyjnej, możemy zbudować stabilny, przejezdny kabel, który umożliwi swobodny ruch z sąsiedztwa Ziemi na powierzchnię Księżyca, mówią Penoyre i Sandford.

Oszczędności byłyby ogromne. Mówią, że zmniejszyłoby to paliwo potrzebne do dotarcia na powierzchnię księżyca do jednej trzeciej obecnej wartości.

Otworzyłoby to na eksplorację zupełnie nowy region kosmosu — punkt Lagrange'a. Jest to interesujące, ponieważ zarówno grawitacja, jak i gradient grawitacji w tym regionie są zerowe, co czyni go znacznie bezpieczniejszym dla projektów budowlanych. Z kolei gradient grawitacji na niskiej orbicie okołoziemskiej powoduje, że orbity są znacznie mniej stabilne.

Jeśli upuścisz narzędzie z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, będzie wydawało się, że gwałtownie przyspieszy, zwróć uwagę na Penoyre i Sandford. Punkt Lagrange'a ma prawie pomijalny gradient siły grawitacyjnej; upuszczone narzędzie pozostanie pod ręką przez znacznie dłuższy czas.

W tym regionie nie ma też żadnych znaczących szczątków. Punkt Lagrange'a był w większości nietknięty przez poprzednie misje, a orbity przechodzące przez ten obszar są chaotyczne, co znacznie zmniejsza liczbę meteoroidów, jak mówią.

Z tych powodów Penoyre i Sandford twierdzą, że dostęp do punktu Lagrange jest główną zaletą spaceline. Twierdzą, że baza w punkcie Lagrange'a jest tym, co uważamy za najważniejszą i najważniejszą dla wczesnego wykorzystania linii kosmicznej (i ogólnie dla eksploracji kosmosu przez ludzi). Taka baza pozwoliłaby na budowę i utrzymanie nowej generacji eksperymentów kosmicznych – można sobie wyobrazić teleskopy, akceleratory cząstek, detektory fal grawitacyjnych, wiwaria, generatory energii i punkty startowe dla misji do reszty Układu Słonecznego.

To interesująca praca, która zachęca do ponownego skupienia się na idei windy kosmicznej. Tani dostęp do punktu Lagrange'a, księżyca i dalszych punktów mógł po prostu stać się znacznie tańszy i bardziej prawdopodobny.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1908.09339 : The Spaceline: Praktyczna alternatywa dla kosmicznej windy, którą można osiągnąć przy obecnej technologii

ukryć