Fundament z piwnicą
Winda orbitalna. Praca badawcza „winda kosmiczna” Co to jest winda kosmiczna

Winda orbitalna. Praca badawcza „winda kosmiczna” Co to jest winda kosmiczna

(GSO) wskutek działania siły odśrodkowej. Unosi się wzdłuż kabla, niosąc ładunek. Podczas wznoszenia ładunek zostanie przyspieszony w wyniku obrotu Ziemi, co umożliwi jego wysłanie poza grawitację Ziemi na odpowiednio dużą wysokość.

Kabel wymaga wyjątkowo dużej wytrzymałości na rozciąganie w połączeniu z niską gęstością. Z teoretycznych obliczeń wynika, że odpowiednim materiałem wydają się nanorurki węglowe. Jeśli założymy, że nadają się one do produkcji kabla, wówczas stworzenie windy kosmicznej jest możliwym do rozwiązania problemem inżynieryjnym, chociaż wymaga zastosowania zaawansowanych rozwiązań i. Koszt powstania windy szacuje się na 7-12 miliardów dolarów. NASA finansuje już powiązane prace w Amerykańskim Instytucie Badań Naukowych, w tym rozwój windy zdolnej do samodzielnego poruszania się po linie.

Projekt

Istnieje kilka opcji projektowania. Prawie wszystkie zawierają podstawę (podstawę), linkę (kabel), podnośniki i przeciwwagę.

Baza

Baza windy kosmicznej to miejsce na powierzchni planety, do którego podłącza się kabel i rozpoczyna się podnoszenie ładunku. Może być mobilny, umieszczony na statku oceanicznym.

Zaletą ruchomej bazy jest możliwość wykonywania manewrów pozwalających uniknąć huraganów i burz. Zaletami bazy stacjonarnej są tańsze i bardziej dostępne źródła energii oraz możliwość zmniejszenia długości kabla. Różnica kilku kilometrów uwięzi jest stosunkowo niewielka, ale może pomóc zmniejszyć wymaganą grubość jej środkowej części i długość części wystającej poza orbitę geostacjonarną.

Kabel

Kabel musi być wykonany z materiału o wyjątkowo wysokim stosunku wytrzymałości na rozciąganie do ciężaru właściwego. Winda kosmiczna będzie ekonomicznie uzasadniona, jeśli za rozsądną cenę na skalę przemysłową uda się wyprodukować na skalę przemysłową kabel o gęstości porównywalnej z grafitem i wytrzymałości około 65-120 gigapaskali.

Dla porównania wytrzymałość większości rodzajów stali wynosi około 1 GPa, a nawet najmocniejsze typy nie przekraczają 5 GPa, a stal jest ciężka. Znacznie lżejszy kevlar ma wytrzymałość w przedziale 2,6-4,1 GPa, a włókno kwarcowe ma wytrzymałość do 20 GPa i wyższą. Teoretyczna wytrzymałość włókien diamentowych może być niewielka [jak długo?] wyższy.

Technologia tkania takich włókien jest wciąż w powijakach.

Według niektórych naukowców nawet nanorurki węglowe nigdy nie będą wystarczająco mocne, aby wyprodukować kabel windy kosmicznej.

Eksperymenty naukowców z Politechniki Sydney umożliwiły stworzenie papieru grafenowego. Przykładowe badania są zachęcające: gęstość materiału jest od pięciu do sześciu razy mniejsza niż w przypadku stali, a wytrzymałość na rozciąganie jest dziesięciokrotnie większa niż w przypadku stali węglowej. Jednocześnie grafen jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego, dzięki czemu można go wykorzystać do przesyłania energii do windy, jako szynę stykową.

Pogrubienie kabla

Winda kosmiczna musi utrzymać co najmniej swój ciężar własny, który jest znaczny ze względu na długość liny. Pogrubienie z jednej strony zwiększa wytrzymałość kabla, z drugiej dodaje jego wagi, a co za tym idzie wymaganej wytrzymałości. Obciążenie będzie się zmieniać w różnych miejscach: w niektórych przypadkach część liny musi wytrzymać ciężar segmentów znajdujących się poniżej, w innych musi wytrzymać siłę odśrodkową, która utrzymuje górne części liny na orbicie. Aby spełnić ten warunek i osiągnąć optymalność kabla w każdym punkcie, jego grubość będzie zmienna.

Można wykazać, że biorąc pod uwagę grawitację Ziemi i siłę odśrodkową (ale nie biorąc pod uwagę mniejszego wpływu Księżyca i Słońca), przekrój kabla w zależności od wysokości będzie opisywany następującym wzorem:

Oto pole przekroju kabla w funkcji odległości od Centrum Ziemia.

Formuła wykorzystuje następujące stałe:

Równanie to opisuje uwięzię, której grubość najpierw rośnie wykładniczo, następnie jej wzrost zwalnia na wysokości kilku promieni Ziemi, a następnie staje się stały, ostatecznie osiągając orbitę geostacjonarną. Następnie grubość zaczyna ponownie spadać.

Zatem stosunek pól przekroju poprzecznego kabla u podstawy i na GSO ( R= 42164 km) wynosi:

Podstawiając tutaj gęstość i wytrzymałość stali oraz średnicę kabla na poziomie gruntu 1 cm, otrzymujemy średnicę na poziomie GSO kilkuset kilometrów, co oznacza, że stal i inne znane nam materiały nie nadają się do budowy winda.

Wynika z tego, że istnieją cztery sposoby osiągnięcia bardziej rozsądnej grubości kabla na poziomie GSO:

Innym sposobem jest umożliwienie przemieszczania podstawy windy. Poruszanie się nawet z prędkością 100 m/s już da przyrost prędkości po okręgu o 20% i zmniejszenie długości kabla o 20-25%, co sprawi, że będzie on lżejszy o 50 procent lub więcej. Jeśli „zakotwiczysz” kabel w samolocie lub pociągu naddźwiękowym, przyrost masy kabla nie będzie już mierzony w procentach, ale w dziesiątkach (nie uwzględnia się jednak strat spowodowanych oporem powietrza).

Przeciwwaga

Przeciwwagę można utworzyć na dwa sposoby - przywiązując ciężki obiekt (na przykład asteroidę, osadę kosmiczną lub dok kosmiczny) poza orbitę geostacjonarną lub wyciągając samą linę na znaczną odległość poza orbitę geostacjonarną. Druga opcja stała się ostatnio bardziej popularna, ponieważ jest łatwiejsza do wdrożenia, a ponadto łatwiej jest wystrzelić ładunki na inne planety z końca wydłużonego kabla, ponieważ ma on znaczną prędkość w stosunku do Ziemi.

Moment pędu, prędkość i pochylenie

Prędkość pozioma każdego odcinka kabla wzrasta wraz z wysokością proporcjonalnie do odległości do środka Ziemi, osiągając pierwszą prędkość ucieczki na orbicie geostacjonarnej. Dlatego podczas podnoszenia ładunku musi uzyskać dodatkowy moment pędu (prędkość pozioma).

Moment pędu nabywa się w wyniku obrotu Ziemi. Początkowo winda porusza się nieco wolniej niż lina (efekt Coriolisa), tym samym „spowalniając” linę i lekko odchylając ją na zachód. Przy prędkości wznoszenia 200 km/h lina przechyli się o 1 stopień. Pozioma składowa napięcia w niepionowym kablu ciągnie ładunek na bok, przyspieszając go w kierunku wschodnim (patrz wykres) - dzięki temu winda nabiera dodatkowej prędkości. Zgodnie z trzecim prawem Newtona kabel w niewielkim stopniu spowalnia Ziemię.

Jednocześnie działanie siły odśrodkowej powoduje powrót kabla do korzystnej energetycznie pozycji pionowej, dzięki czemu znajdzie się on w stanie stabilnej równowagi. Jeśli środek ciężkości windy zawsze znajduje się powyżej orbity geostacjonarnej, niezależnie od prędkości wind, winda nie spadnie.

Zanim ładunek dotrze do GEO, jego moment pędu (prędkość pozioma) jest wystarczający, aby wynieść ładunek na orbitę.

Podczas opuszczania ładunku nastąpi proces odwrotny, przechylając kabel na wschód.

Wystrzel w kosmos

Na końcu kabla, na wysokości 144 000 km, składowa styczna prędkości wyniesie 10,93 km/s, co w zupełności wystarczy, aby opuścić pole grawitacyjne Ziemi i wystrzelić statki na Saturna. Jeśli obiekt będzie mógł swobodnie przesuwać się po górnej części uwięzi, będzie miał wystarczającą prędkość, aby uciec z Układu Słonecznego. Stanie się tak na skutek przejścia całkowitego momentu pędu kabla (i Ziemi) na prędkość wystrzeliwanego obiektu.

Aby osiągnąć jeszcze większe prędkości, można wydłużyć kabel lub przyspieszyć obciążenie za pomocą elektromagnetyzmu.

Budowa

Budowa prowadzona jest ze stacji geostacjonarnej. To jedyne miejsce, w którym może wylądować statek kosmiczny. Jeden koniec schodzi na powierzchnię Ziemi, rozciągnięty siłą grawitacji. Drugi, dla wyważenia, jest w przeciwnym kierunku i jest ciągnięty przez siłę odśrodkową. Oznacza to, że wszystkie materiały na budowę muszą zostać wyniesione na orbitę geostacjonarną w tradycyjny sposób, niezależnie od miejsca przeznaczenia ładunku. Oznacza to, że koszt wyniesienia całej windy kosmicznej na orbitę geostacjonarną to cena minimalna projektu.

Oszczędności wynikające z korzystania z windy kosmicznej

Można przypuszczać, że winda kosmiczna znacznie obniży koszty wysyłania ładunku w kosmos. Windy kosmiczne są drogie w budowie, ale ich koszty eksploatacji są niskie, dlatego najlepiej używać ich przez długi czas w przypadku bardzo dużych ilości ładunku. Obecnie rynek uruchamiania ładunków może nie być na tyle duży, aby uzasadniać budowę windy, ale radykalna obniżka ceny powinna przełożyć się na większą różnorodność ładunków. Inna infrastruktura transportowa – autostrady i koleje – uzasadnia się w ten sam sposób.

Nadal nie ma odpowiedzi na pytanie, czy winda kosmiczna zwróci zainwestowane w nią pieniądze, czy też lepiej będzie je zainwestować w dalszy rozwój technologii rakietowej.

Nie zapominajmy o limicie liczby satelitów przekaźnikowych na orbicie geostacjonarnej: obecnie umowy międzynarodowe dopuszczają obecność 360 satelitów - po jednym przekaźniku na stopień kątowy, aby uniknąć zakłóceń podczas nadawania w paśmie częstotliwości Ku. Dla częstotliwości C liczba satelitów jest ograniczona do 180.

Ta okoliczność wyjaśnia prawdziwą komercyjną porażkę projektu, ponieważ główne koszty finansowe organizacji pozarządowych skupiają się na satelitach przekaźnikowych zajmujących orbity geostacjonarne (telewizja, komunikacja) lub niższe orbity (globalne systemy pozycjonowania, obserwacja zasobów naturalnych itp.) .

Winda może jednak mieć charakter projektu hybrydowego i oprócz funkcji dostarczania ładunku na orbitę pozostać bazą dla innych programów badawczych i komercyjnych niezwiązanych z transportem.

Osiągnięcia

Od 2005 roku w Stanach Zjednoczonych odbywają się coroczne zawody Space Elevator Games, organizowane przez Fundację Spaceward przy wsparciu NASA. W konkursach tych rozgrywane są dwie kategorie: „najlepszy kabel” i „najlepszy robot (winda)”.

W konkursie dźwigowym robot musi pokonać zadaną odległość, wspinając się po pionowej linie z prędkością nie mniejszą niż określona przepisami (w konkursie 2007 standardy były następujące: długość liny - 100 m, minimalna prędkość - 2 SM). Najlepszym wynikiem w 2007 roku było pokonanie dystansu 100 m ze średnią prędkością 1,8 m/s.

Całkowita pula nagród w konkursie Space Elevator Games w 2009 roku wyniosła 4 miliony dolarów.

W konkursie wytrzymałości liny uczestnicy muszą zaopatrzyć się w dwumetrowy pierścień wykonany z wytrzymałego materiału o wadze nie większej niż 2 gramy, który specjalny montaż sprawdza pod kątem rozerwania. Aby wygrać konkurs, wytrzymałość kabla musi być w tym wskaźniku co najmniej o 50% większa niż próbka już dostępna dla NASA. Jak dotąd najlepszy wynik uzyskał kabel, który wytrzymał obciążenie do 0,72 tony.

W konkursie nie uczestniczy Grupa Liftport, która zasłynęła z roszczeń o wystrzelenie kosmicznej windy w 2018 r. (później przesuniętej na 2031 r.). Liftport prowadzi własne eksperymenty, np. w 2006 roku robotyczny podnośnik wspiął się po mocnej linie naciągniętej za pomocą balonów. Z półtora kilometra wyciągowi udało się pokonać zaledwie 460 metrów. W sierpniu-wrześniu 2012 roku firma uruchomiła w serwisie Kickstarter projekt mający na celu zbiórkę środków na nowe eksperymenty z windą. W zależności od zebranej ilości planowane jest podniesienie robota na odległość 2 lub więcej kilometrów.

W dniach 4-6 listopada 2009 w ramach zawodów Space Elevator Games w południowej Kalifornii, w Dryden Flight Research Center, na terenie słynnej Bazy Sił Powietrznych Edwards, odbyły się zawody organizowane przez Fundację Spaceward i NASA. Długość testowa kabla wynosiła 900 metrów, kabel był podnoszony za pomocą helikoptera. Liderem została firma LaserMotive, która zaprezentowała windę osiągającą prędkość 3,95 m/s, czyli bardzo bliską prędkości wymaganej. Winda pokonała całą długość liny w czasie 3 minut i 49 sekund; winda przewoziła ładunek o masie 0,4 kg. .

Podobne projekty

Winda kosmiczna nie jest jedynym projektem wykorzystującym tethery do wynoszenia satelitów na orbitę. Jednym z takich projektów jest Orbital Skyhook. Skyhook wykorzystuje linę, która nie jest zbyt długa w porównaniu do windy kosmicznej, która znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej i szybko obraca się wokół swojej środkowej części. Dzięki temu jeden koniec liny porusza się względem Ziemi ze stosunkowo małą prędkością i można na nim zawieszać ładunki z samolotów hipersonicznych. Jednocześnie konstrukcja Skyhook działa jak gigantyczne koło zamachowe – akumulator momentu obrotowego i energii kinetycznej. Zaletą projektu Skyhook jest jego wykonalność przy wykorzystaniu istniejących technologii. Wadą jest to, że Skyhook wykorzystuje energię swojego ruchu do wystrzeliwania satelitów, a energię tę trzeba będzie w jakiś sposób uzupełnić.

Winda kosmiczna w różnych pracach

W filmie ZSRR Petka in Space z 1972 roku główny bohater wymyśla kosmiczną windę.
Jedno ze słynnych dzieł Arthura C. Clarke'a, Fontanny Nieba, opiera się na idei kosmicznej windy. Ponadto kosmiczna winda pojawia się w końcowej części jego słynnej tetralogii, Odysei kosmicznej (3001: Ostatnia Odyseja).
W Star Trek: Voyager, odcinek 3x19 „Rise”, kosmiczna winda pomaga załodze uciec z planety o niebezpiecznej atmosferze.
Civilization IV ma kosmiczną windę. Tam następuje jeden z późniejszych „Wielkich Cudów”.
Powieść science fiction Timothy'ego Zahna „Jedwabnik” („Spinneret”, 1985) wspomina o planecie zdolnej do produkcji superfibry. Jedna z ras zainteresowana planetą chciała pozyskać to włókno specjalnie do budowy kosmicznej windy.
W powieści science fiction Franka Schätzinga „Limit” kosmiczna winda pełni rolę centralnego punktu intryg politycznych w najbliższej przyszłości.
W dylogii Siergieja Łukjanienki „Gwiazdy są zimnymi zabawkami” jedna z cywilizacji pozaziemskich w procesie handlu międzygwiezdnego dostarczyła na Ziemię wytrzymałe nici, które można wykorzystać do budowy windy kosmicznej. Ale cywilizacje pozaziemskie nalegały, aby używać ich wyłącznie zgodnie z ich przeznaczeniem - aby pomóc podczas porodu.
W powieści science fiction „Skazani na zwycięstwo” J. Scalziego (ang. Scalzi, John. Wojna starego człowieka) systemy wind kosmicznych są aktywnie wykorzystywane na Ziemi, licznych koloniach lądowych i niektórych planetach innych wysoko rozwiniętych inteligentnych ras do komunikacji z filarami statków międzygwiezdnych.
W powieści science fiction „Jutro będzie wieczność” Aleksandra Gromowa fabuła opiera się na fakcie istnienia kosmicznej windy. Istnieją dwa urządzenia - źródło i odbiornik, które za pomocą „wiązki energii” są w stanie wynieść „kabinę” windy na orbitę.
Powieść science fiction Alastaira Reynoldsa „Miasto Otchłani” szczegółowo opisuje budowę i działanie kosmicznej windy oraz opisuje proces jej zniszczenia (w wyniku ataku terrorystycznego).
Powieść science fiction Terry'ego Pratchetta Strata przedstawia Linię, niezwykle długą sztuczną cząsteczkę używaną jako winda kosmiczna.
Wspomniany w piosence grupy Zvuki Mu „Winda do nieba”.
Na samym początku gry Sonic Colors można zobaczyć Sonica i Tailsa jadących windą kosmiczną, aby dostać się do Parku Doktora Eggmana.
W książce Alexandra Zoricha „Somnambulist 2” z serii Ethnogenesis główny bohater Matvey Gumilyov (po wszczepieniu zastępczej osobowości – Maskim Verkhovtsev, osobisty pilot towarzysza Alfy, szefa „Star Fighters”) podróżuje orbitalną windą.
W opowiadaniu „Wąż” pisarza science fiction Aleksandra Gromowa bohaterowie korzystają z kosmicznej windy „w drodze” z Księżyca na Ziemię.
W serii powieści science fiction George'a R. Martina „Podróże Tufa” o planecie „S”atlem winda orbitalna prowadzi na planetoidę wyposażoną jak port kosmiczny.

W mandze i anime

W trzecim odcinku anime Edo Cyber City do wzniesienia się na orbitalny bank kriogeniczny wykorzystano windę kosmiczną.
Battle Angel zawiera cyklopową windę kosmiczną, na jednym końcu której znajduje się Niebiańskie Miasto Salem (dla obywateli) wraz z niższym miastem (dla osób niebędących obywatelami), a na drugim końcu znajduje się kosmiczne miasto Yeru. Podobna konstrukcja znajduje się po drugiej stronie Ziemi.
W anime Mobile Suit Gundam 00 są trzy windy kosmiczne, do których przymocowany jest również pierścień paneli słonecznych, co pozwala na wykorzystanie windy kosmicznej do wytwarzania energii elektrycznej.
W anime Z.O.E. Dolores przedstawia kosmiczną windę, a także pokazuje, co może się wydarzyć w przypadku ataku terrorystycznego.
Winda kosmiczna jest wspomniana w serialu anime Trinity Blood , w którym statek kosmiczny Arc służy jako przeciwwaga.

Zobacz też

Winda kosmiczna: 2010 (Język angielski) Rosyjski

Notatki

Literatura

Jurij Artsutanow „W kosmos lokomotywą elektryczną”, gazeta „Komsomolskaja Prawda” z 31 lipca 1960 r.
Alexander Bolonkin „Wystrzelenie i lot w przestrzeń kosmiczną niebędącą rakietą”, Elsevier, 2006, 488 str.

Wiele osób zna biblijną historię o tym, jak ludzie chcieli stać się podobni do Boga i postanowili wznieść wieżę sięgającą nieba. Rozgniewany Pan sprawił, że wszyscy ludzie mówili różnymi językami i budowa została wstrzymana.

Trudno powiedzieć, czy to prawda, czy nie, ale po tysiącach lat ludzkość ponownie pomyślała o możliwości zbudowania superwieży. W końcu, jeśli uda Ci się zbudować konstrukcję o wysokości kilkudziesięciu tysięcy kilometrów, możesz obniżyć koszt dostarczenia ładunku w kosmos niemal tysiąckrotnie! Przestrzeń raz na zawsze przestanie być czymś odległym i nieosiągalnym.

Kochana przestrzeń

Koncepcję windy kosmicznej po raz pierwszy rozważał wielki rosyjski naukowiec Konstantin Ciołkowski. Założył, że jeśli zbudujesz wieżę o wysokości 40 000 kilometrów, siła odśrodkowa naszej planety utrzyma całą konstrukcję, zapobiegając jej upadkowi.

Na pierwszy rzut oka pomysł ten na kilometr pachnie maniłowizmem, ale pomyślmy logicznie. Obecnie większość masy rakiet stanowi paliwo, które zużywa się na pokonanie grawitacji Ziemi. Oczywiście wpływa to również na cenę premierową. Koszt dostarczenia jednego kilograma ładunku na niską orbitę okołoziemską wynosi około 20 000 dolarów.

Kiedy więc krewni dają dżem astronautom na ISS, możesz być pewien: to najdroższy przysmak na świecie. Nawet królowa Anglii nie może sobie na to pozwolić!

Wystrzelenie jednego wahadłowca kosztowało NASA od 500 do 700 milionów dolarów. Ze względu na problemy amerykańskiej gospodarki kierownictwo NASA było zmuszone zamknąć program promów kosmicznych i zlecić dostarczanie ładunków na ISS prywatnym firmom.

Oprócz problemów gospodarczych są też problemy polityczne. W związku z nieporozumieniami w kwestii ukraińskiej kraje zachodnie wprowadziły wobec Rosji szereg sankcji i ograniczeń. Niestety wpłynęły one również na współpracę w astronautyce. NASA otrzymała rozkaz od rządu USA o zamrożeniu wszystkich wspólnych projektów, z wyjątkiem ISS. W odpowiedzi wicepremier Dmitrij Rogozin powiedział, że Rosja nie jest zainteresowana udziałem w projekcie ISS po 2020 roku i zamierza przejść na inne cele, takie jak utworzenie stałej bazy naukowej na Księżycu i załogowy lot na Marsa.

Najprawdopodobniej Rosja zrobi to wspólnie z Chinami, Indiami i być może Brazylią. Należy zauważyć: Rosja już zamierzała zakończyć prace nad projektem, a zachodnie sankcje po prostu przyspieszyły ten proces.

Pomimo tak ambitnych planów wszystko może pozostać na papierze, chyba że zostanie opracowany skuteczniejszy i tańszy sposób dostarczania ładunków poza atmosferę ziemską. Na budowę tego samego ISS wydano łącznie ponad 100 miliardów dolarów! Aż strach wyobrazić sobie, ilu „zielonych” potrzeba, aby stworzyć stację na Księżycu.

Winda kosmiczna mogłaby być idealnym rozwiązaniem tego problemu. Gdy winda zacznie działać, koszty wysyłki mogą spaść do dwóch dolarów za kilogram. Ale najpierw będziesz musiał dokładnie przemyśleć, jak go zbudować.

Margines bezpieczeństwa

W 1959 roku inżynier z Leningradu Jurij Nikołajewicz Artsutanov opracował pierwszą działającą wersję windy kosmicznej. Ponieważ ze względu na grawitację naszej planety nie da się zbudować windy od dołu do góry, zaproponował rozwiązanie odwrotne – budowanie od góry do dołu. W tym celu należało wystrzelić specjalnego satelitę na orbitę geostacjonarną (około 36 000 kilometrów), gdzie musiał zająć pozycję nad pewnym punktem na równiku ziemskim. Następnie rozpocznij montaż kabli na satelicie i stopniowo opuszczaj je w stronę powierzchni planety. Sam satelita pełnił także rolę przeciwwagi, stale utrzymując naprężone kable.

Opinia publiczna mogła szczegółowo zapoznać się z tą ideą, gdy w 1960 r. Komsomolskaja Prawda opublikowała wywiad z Artsutanowem. Wywiad opublikowały także zachodnie media, po czym cały świat ogarnęła „gorączka windowa”. Szczególnie gorliwie malowali pisarze science fiction, malując różowe obrazy przyszłości, których nieodzownym atrybutem była kosmiczna winda.

Wszyscy eksperci badający możliwość stworzenia windy zgadzają się, że główną przeszkodą w realizacji tego planu jest brak wystarczająco mocnego materiału na kable. Według obliczeń ten hipotetyczny materiał powinien wytrzymać napięcie 120 gigapaskali, tj. ponad 100 000 kilogramów na metr kwadratowy!

Wytrzymałość stali wynosi około 2 gigapaskali, dla szczególnie mocnych opcji jest to maksymalnie 5 gigapaskali, dla włókna kwarcowego nieco powyżej 20. Jest to po prostu potwornie niskie. Rodzi się odwieczne pytanie: co robić? Rozwijaj nanotechnologię. Najbardziej obiecującym kandydatem na rolę liny windy mogą być nanorurki węglowe. Według obliczeń ich wytrzymałość powinna być znacznie wyższa niż minimum 120 gigapaskali.

Jak dotąd najsilniejsza próbka była w stanie wytrzymać naprężenie o wartości 52 gigapaskali, ale w większości innych przypadków doszło do pęknięcia w zakresie od 30 do 50 gigapaskali. W trakcie długich badań i eksperymentów specjalistom z Uniwersytetu Południowej Kalifornii udało się osiągnąć niespotykany wynik: ich lampa była w stanie wytrzymać napięcie 98,9 gigapaskali!

Niestety był to jednorazowy sukces, a z nanorurkami węglowymi wiąże się inny poważny problem. Nicolas Pugno, naukowiec z Politechniki w Turynie, doszedł do rozczarowujących wniosków. Okazuje się, że nawet w wyniku przemieszczenia jednego atomu w strukturze rurek węglowych wytrzymałość określonego obszaru może gwałtownie spaść o 30%. A wszystko to pomimo tego, że najdłuższa otrzymana do tej pory próbka nanorurki ma zaledwie dwa centymetry. A jeśli wziąć pod uwagę fakt, że długość kabla powinna wynosić prawie 40 000 kilometrów, zadanie wydaje się po prostu niemożliwe.

Gruz i burze

Kolejnym bardzo poważnym problemem są śmieci kosmiczne. Kiedy ludzkość osiedliła się na orbicie okołoziemskiej, rozpoczęła jedną ze swoich ulubionych rozrywek - zanieczyszczanie otaczającej przestrzeni produktami swojej życiowej aktywności. Na samym początku jakoś szczególnie się tym nie martwiliśmy. „W końcu przestrzeń jest nieskończona! – rozumowaliśmy. „Wyrzuć kartkę papieru, a ona zacznie odkrywać ogrom Wszechświata!”

W tym miejscu popełniliśmy błąd. Wszystkie szczątki i szczątki samolotów są skazane na okrążenie Ziemi na zawsze, przechwycone przez jej potężne pole grawitacyjne. Nie trzeba inżyniera, aby dowiedzieć się, co by się stało, gdyby jeden z tych śmieci zderzył się z kablem. Dlatego tysiące badaczy z całego świata głowią się nad kwestią wyeliminowania składowiska znajdującego się w pobliżu Ziemi.

Nie do końca jasna jest także sytuacja z podstawą windy na powierzchni planety. Początkowo planowano utworzenie stacjonarnej bazy na równiku, aby zapewnić synchronizację z satelitą geostacjonarnym. Nie da się jednak uniknąć szkodliwego wpływu huraganów i innych klęsk żywiołowych na windę.

Wtedy pojawił się pomysł przymocowania bazy do pływającej platformy, która mogłaby manewrować i „unikać” burz. Ale w tym przypadku operatorzy na orbicie i na platformie będą zmuszeni wykonywać wszystkie ruchy z chirurgiczną precyzją i absolutną synchronizacją, w przeciwnym razie cała konstrukcja pójdzie do piekła.

Głowa do góry!

Pomimo wszystkich trudności i przeszkód, jakie czyhają na naszej ciernistej drodze do gwiazd, nie powinniśmy zwieszać nosa i wrzucać tego bez wątpienia wyjątkowego projektu na dalszy plan. Winda kosmiczna nie jest luksusem, ale rzeczą istotną.

Bez tego kolonizacja bliskiego kosmosu stanie się przedsięwzięciem niezwykle pracochłonnym, kosztownym i może zająć wiele lat. Są oczywiście propozycje opracowania technologii antygrawitacyjnych, ale to zbyt odległa perspektywa, a winda będzie potrzebna w ciągu najbliższych 20-30 lat.

Winda jest niezbędna nie tylko do podnoszenia i opuszczania ładunków, ale także jako „mega-zawiesie”. Za jego pomocą możliwe jest wystrzelenie statków kosmicznych w przestrzeń międzyplanetarną bez wydawania ogromnych ilości tak cennego paliwa, które w przeciwnym razie mogłoby zostać wykorzystane do przyspieszenia statku. Szczególnie interesujący jest pomysł wykorzystania windy do oczyszczenia Ziemi z odpadów niebezpiecznych.

Załóżmy, że wypalone paliwo nuklearne z elektrowni jądrowej można umieścić w szczelnie zamkniętych kapsułach, a następnie wysłać bezpośrednio w stronę Słońca, dla którego spalenie takiego gnoja to bułka z masłem.

Ale, co dziwne, realizacja takiego pomysłu nie jest raczej kwestią ekonomii czy nauki, ale polityki. Musimy zmierzyć się z prawdą – żaden kraj na świecie nie jest w stanie samodzielnie poradzić sobie z tak wspaniałym projektem. Bez współpracy międzynarodowej nie da się obejść.

Przede wszystkim ważny jest udział Stanów Zjednoczonych, Unii Europejskiej, Chin, Japonii, Indii, Brazylii i oczywiście Rosji. Zatem niezależnie od tego, jak na to spojrzeć, trzeba będzie usiąść przy stole negocjacyjnym i zapalić fajkę pokoju. Dlatego, chłopaki, żyjmy razem i wszystko się dla nas ułoży!

Adylet URAIMOW

Choć budowa windy kosmicznej leży już w zasięgu naszych inżynierskich możliwości, to zapał wokół tej konstrukcji niestety w ostatnim czasie opadł. Powodem jest to, że naukowcom nie udało się dotychczas uzyskać technologii wytwarzania nanorurek węglowych o wymaganej wytrzymałości na skalę przemysłową.

Pomysł wyniesienia ładunku na orbitę bez rakiet zaproponował ten sam człowiek, który założył kosmonautykę teoretyczną – Konstantin Eduardowicz Ciołkowski. Zainspirowany Wieżą Eiffla, którą zobaczył w Paryżu, opisał swoją wizję kosmicznej windy w postaci wieży o ogromnej wysokości. Jej wierzchołek znajdowałby się po prostu na orbicie geocentrycznej.

Wieża windy opiera się na mocnych materiałach, które zapobiegają ściskaniu, ale współczesne pomysły na windy kosmiczne nadal uwzględniają wersję z kablami, które muszą być wytrzymałe na rozciąganie. Pomysł ten został po raz pierwszy zaproponowany w 1959 roku przez innego rosyjskiego naukowca, Jurija Nikołajewicza Artsutanowa. Pierwsza praca naukowa zawierająca szczegółowe obliczenia dotyczące kosmicznej windy w formie liny została opublikowana w 1975 r., a w 1979 r. Arthur C. Clarke spopularyzował ją w swoim dziele „The Fountains of Paradise”.

Choć nanorurki są obecnie uznawane za najmocniejszy materiał i jedyny nadający się do budowy windy w postaci kabla rozciągniętego z satelity geostacjonarnego, to uzyskana w laboratorium wytrzymałość nanorurek nie jest jeszcze wystarczająca, aby osiągnąć obliczoną wytrzymałość.

Teoretycznie wytrzymałość nanorurek powinna wynosić ponad 120 GPa, jednak w praktyce największe wydłużenie jednościennej nanorurki wyniosło 52 GPa, a przeciętne pękanie mieściło się w przedziale 30-50 GPa. Winda kosmiczna wymaga materiałów o wytrzymałości 65-120 GPa.

Pod koniec ubiegłego roku na największym amerykańskim festiwalu filmów dokumentalnych DocNYC pokazany został film Sky Line, opisujący próby zbudowania kosmicznej windy przez amerykańskich inżynierów – m.in. uczestników konkursu NASA X-Prize.

Głównymi bohaterami filmu są Bradley Edwards i Michael Lane. Edwards jest astrofizykiem, który pracuje nad pomysłem windy kosmicznej od 1998 roku. Lane jest przedsiębiorcą i założycielem LiftPort, firmy promującej komercyjne wykorzystanie nanorurek węglowych.

Na przełomie lat 90. i 2000. Edwards, po otrzymaniu grantów od NASA, intensywnie rozwijał koncepcję windy kosmicznej, obliczając i oceniając wszystkie aspekty projektu. Wszystkie jego obliczenia pokazują, że pomysł ten jest wykonalny – jeśli tylko pojawi się włókno wystarczająco mocne, aby zmieścić kabel.

Edwards na krótko nawiązał współpracę z LiftPort, aby uzyskać fundusze na projekt windy, ale z powodu wewnętrznych nieporozumień projekt nigdy nie został zrealizowany. LiftPort zamknięto w 2007 r., chociaż rok wcześniej z powodzeniem zademonstrowano robota wspinającego się po pionowej linie o długości mili zawieszonej na balonach w ramach weryfikacji koncepcji niektórych technologii.

Ta prywatna przestrzeń, skupiająca się na rakietach wielokrotnego użytku, mogłaby w dającej się przewidzieć przyszłości całkowicie zastąpić rozwój wind kosmicznych. Według niego winda kosmiczna jest atrakcyjna tylko dlatego, że oferuje tańsze sposoby dostarczania ładunku na orbitę, a rakiety wielokrotnego użytku są opracowywane właśnie po to, aby obniżyć koszty tego dostarczenia.

Edwards za stagnację pomysłu obwinia brak realnego wsparcia dla projektu. „Tak wyglądają projekty, które setki ludzi rozsianych po całym świecie rozwijają w ramach hobby. Żaden poważny postęp nie zostanie osiągnięty, dopóki nie będzie prawdziwego wsparcia i scentralizowanej kontroli”.

Inaczej wygląda sytuacja z rozwojem idei windy kosmicznej w Japonii. Kraj słynie z osiągnięć w dziedzinie robotyki, a japoński fizyk Sumio Iijima uważany jest za pioniera w dziedzinie nanorurek. Pomysł kosmicznej windy jest tutaj niemal narodowy.

Japońska firma Obayashi obiecuje dostarczyć działającą windę kosmiczną do 2050 roku. Dyrektor naczelny firmy, Yoji Ishikawa, twierdzi, że współpracuje ona z prywatnymi wykonawcami i lokalnymi uniwersytetami w celu ulepszenia istniejącej technologii nanorurek.

Ishikawa twierdzi, że choć firma rozumie złożoność projektu, nie widzi zasadniczych przeszkód w jego realizacji. Uważa także, że popularność idei windy kosmicznej w Japonii wynika z potrzeby posiadania jakiejś idei narodowej, jednoczącej ludzi na tle trudnej sytuacji gospodarczej ostatnich kilkudziesięciu lat.

Ishikawa jest przekonany, że chociaż pomysł tej wielkości najprawdopodobniej uda się zrealizować jedynie dzięki współpracy międzynarodowej, Japonia może stać się jej siłą napędową ze względu na dużą popularność windy kosmicznej w kraju.

Tymczasem kanadyjskie przedsiębiorstwo zajmujące się przestrzenią i obronnością Thoth Technology otrzymało zeszłego lata patent amerykański nr 9 085 897 na swoją wersję windy kosmicznej. Dokładniej koncepcja zakłada budowę wieży, która zachowuje swoją sztywność dzięki sprężonemu gazowi.

Wieża ma dostarczyć ładunek na wysokość 20 km, skąd zostanie wystrzelony na orbitę za pomocą konwencjonalnych rakiet. Ta opcja pośrednia, według obliczeń firmy, pozwoli zaoszczędzić aż do 30% paliwa w porównaniu do rakiety.

Z obliczeń teoretycznych wynika, że są to odpowiednie materiały. Jeśli założymy, że nadają się one do produkcji kabla, wówczas stworzenie windy kosmicznej jest możliwym do rozwiązania problemem inżynieryjnym, chociaż wymaga zastosowania zaawansowanych rozwiązań i. NASA finansuje już powiązane prace w Amerykańskim Instytucie Badań Naukowych, w tym rozwój windy zdolnej do samodzielnego poruszania się po linie. Można przypuszczać, że ta metoda w przyszłości może być o rząd wielkości tańsza niż użycie rakiet nośnych.

Encyklopedyczny YouTube

1 / 5

✪ KOSMICZNA WINDA, NASZ BILET W PRZESTRZEŃ!

✪ Winda kosmiczna na Księżyc | Wielki Skok

✪ Winda kosmiczna. Sen i rzeczywistość. Albo fantazja?

✪ W Kanadzie powstanie 20-kilometrowa winda kosmiczna

✪ Winda kosmiczna (czytana przez Aleksandra Kotowa)

Napisy na filmie obcojęzycznym

Projekt

Technologia tkania takich włókien jest wciąż w powijakach.

Według niektórych naukowców nawet nanorurki węglowe nigdy nie będą wystarczająco mocne, aby wyprodukować kabel windy kosmicznej.

Eksperymenty naukowców z Politechniki Sydney umożliwiły stworzenie papieru grafenowego. Przykładowe badania są zachęcające: gęstość materiału jest od pięciu do sześciu razy mniejsza niż w przypadku stali, a wytrzymałość na rozciąganie jest dziesięciokrotnie większa niż w przypadku stali węglowej. Jednocześnie grafen jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego, co pozwala na wykorzystanie go do przesyłania energii do windy w postaci szyny stykowej.

W czerwcu 2013 roku inżynierowie z Uniwersytetu Columbia w USA ogłosili nowy przełom: dzięki nowej technologii produkcji grafenu możliwe jest otrzymanie arkuszy o przekątnej kilkudziesięciu centymetrów i wytrzymałości tylko o 10% mniejszej niż teoretyczna.

Pogrubienie kabla

Winda kosmiczna musi utrzymać co najmniej swój ciężar własny, który jest znaczny ze względu na długość liny. Pogrubienie z jednej strony zwiększa wytrzymałość kabla, z drugiej dodaje jego wagi, a co za tym idzie wymaganej wytrzymałości. Obciążenie będzie się różnić w różnych miejscach: w niektórych przypadkach odcinek kabla musi wytrzymać ciężar segmentów znajdujących się poniżej, w innych musi wytrzymać siłę odśrodkową, która utrzymuje górne części kabla na orbicie. Aby spełnić ten warunek i osiągnąć optymalność kabla w każdym punkcie, jego grubość będzie zmienna.

ZA (r) = ZA 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 - r 2) + sol 0 r 0 (1 - r 0 r) ] ] (\ displaystyle A (r) = A_ (0 )\ \exp \left[(\frac (\rho )(s))\left[(\begin(macierz)(\frac (1)(2))\end(macierz))\omega ^(2)( r_(0)^(2)-r^(2))+g_(0)r_(0)(1-(\frac (r_(0))(r)))\right]\right])

Tutaj ZA (r) (\ displaystyle A (r))- pole przekroju poprzecznego kabla w funkcji odległości r (\ displaystyle r) z Centrum Ziemia.

Formuła wykorzystuje następujące stałe:

Zatem stosunek pól przekroju poprzecznego kabla u podstawy i na GSO ( R= 42164 km) wynosi: ZA (r sol mi O) ZA 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4, 832 × 10 7 m 2 s 2 ] (\ Displaystyle (\ Frac (A (r _ (\ operatorname (GEO)))) (A_ (0)) )=\exp \left[(\frac (\rho)(s))\times 4,832\times 10^(7)\,\mathrm (\frac (m^(2))(s^(2))) \Prawidłowy])

Zastępując tutaj gęstość i wytrzymałość dla różnych materiałów i różnych średnic kabli na poziomie gruntu, otrzymujemy tabelę średnic kabli na poziomie GSO. Należy wziąć pod uwagę, że obliczenia przeprowadzono pod warunkiem, że winda stanie „sama”, bez obciążenia - ponieważ materiał kabla już doświadcza naprężenia pod własnym ciężarem (a obciążenia te są zbliżone do maksymalnego dopuszczalnego dla tego materiału).

Średnica kabla w GSO w zależności od jego średnicy w poziomie gruntu,
dla różnych materiałów (obliczonych według najnowszego wzoru), m.in

Materiał	Gęstość ρ (\ displaystyle \ rho), kg–m 3	Wytrzymałość na rozciąganie s (\ displaystyle s), Pa	Średnica kabla na poziomie gruntu
Materiał	Gęstość ρ (\ displaystyle \ rho), kg–m 3	Wytrzymałość na rozciąganie s (\ displaystyle s), Pa	1 mm	1cm	10 cm	1 m
Stal St3 walcowana na gorąco	7760	0,37 10 9	1,31 10 437	1,31 10 438	1,31 10 439	1,31 10 440
Stal wysokostopowa 30KhGSA	7780	1,4 10 9	4,14 10 113	4,14 10 114	4,14 10 115	4,14 10 116
Sieć	1000	2,5 10 9	0,248 10 6	2,48 10 6	24,8 10 6	248 10 6
Nowoczesne włókno węglowe	1900	4 10 9	9,269 10 6	92,69 10 6	926,9 10 6	9269 10 6
Nanorurki węglowe	1900	90 10 9	2,773·10 -3	2,773·10 -2	2,773·10 -1	2.773

Dlatego budowanie windy z nowoczesnych stali konstrukcyjnych jest nierealne. Jedynym wyjściem jest poszukiwanie materiałów o mniejszej gęstości i/lub bardzo dużej wytrzymałości.

Na przykład na stole znajdują się pajęczyny (jedwab pająk). Istnieją różne egzotyczne projekty produkcji sieci na „farmach pająków”. Ostatnio pojawiły się doniesienia, że za pomocą inżynierii genetycznej udało się wprowadzić do organizmu kozy gen pająka, kodujący białko pajęczej sieci. Teraz mleko genetycznie zmodyfikowanej kozy zawiera białko pająka. Wciąż nie wiadomo, czy możliwe jest otrzymanie z tego białka materiału przypominającego właściwościami pajęczynę. Ale według prasy takie zmiany są w toku

Kolejnym obiecującym kierunkiem są włókna węglowe i nanorurki węglowe. Włókno węglowe jest dziś z powodzeniem stosowane w przemyśle. Nanorurki są około 20 razy mocniejsze, ale technologia wytwarzania tego materiału nie opuściła jeszcze laboratorium. Tabela została zbudowana przy założeniu, że gęstość kabla wykonanego z nanorurek jest taka sama jak gęstość włókna węglowego.

Poniżej znajduje się kilka bardziej egzotycznych sposobów budowy windy kosmicznej:

Przeciwwaga

Przeciwwagę można utworzyć na dwa sposoby - przywiązując ciężki obiekt (na przykład asteroidę, osadę kosmiczną lub dok kosmiczny) poza orbitę geostacjonarną lub wyciągając samą linę na znaczną odległość poza orbitę geostacjonarną. Druga opcja jest interesująca, ponieważ łatwiej jest wystrzelić ładunki na inne planety z końca wydłużonego kabla, ponieważ ma on znaczną prędkość w stosunku do Ziemi.

Moment pędu, prędkość i pochylenie

Prędkość pozioma każdego odcinka kabla wzrasta wraz z wysokością proporcjonalnie do odległości do środka Ziemi, osiągając pierwszą prędkość kosmiczną na orbicie geostacjonarnej. Dlatego podczas podnoszenia ładunku musi on uzyskać dodatkowy moment pędu (prędkość pozioma).

Jednocześnie działanie siły odśrodkowej wymusza powrót kabla do energetycznie korzystnego położenia pionowego [ ], tak aby znajdował się w stanie stabilnej równowagi. Jeśli środek ciężkości windy zawsze znajduje się powyżej orbity geostacjonarnej, niezależnie od prędkości wind, winda nie spadnie.

Zanim ładunek osiągnie orbitę geostacjonarną (GEO), jego moment pędu wystarczy, aby wynieść ładunek na orbitę. Jeżeli ładunek nie zostanie zwolniony z kabla, to zatrzymując się pionowo na poziomie GSO, znajdzie się on w stanie niestabilnej równowagi i przy nieskończenie małym pchnięciu w dół opuści GSO i zacznie spadać na Ziemię pionowo przyspieszanie i zwalnianie w kierunku poziomym. Utrata energii kinetycznej ze składowej poziomej podczas opadania zostanie przeniesiona poprzez kabel na moment pędu obrotu Ziemi, przyspieszając jej obrót. Po wypchnięciu do góry ładunek również opuści GSO, ale w przeciwnym kierunku, to znaczy zacznie wznosić się wzdłuż kabla z przyspieszeniem od Ziemi, osiągając prędkość końcową na końcu kabla. Ponieważ prędkość końcowa zależy od długości kabla, jej wartość można zatem ustawić dowolnie. Należy zauważyć, że przyspieszenie i wzrost energii kinetycznej ładunku podczas podnoszenia, czyli jego rozwijania po spirali, nastąpi na skutek obrotu Ziemi, który będzie zwalniał. Proces ten jest całkowicie odwracalny, to znaczy, jeśli na koniec liny nałożysz obciążenie i zaczniesz go opuszczać, ściskając go spiralnie, moment pędu obrotu Ziemi odpowiednio wzrośnie.

Podczas opuszczania ładunku nastąpi proces odwrotny, przechylając kabel na wschód.

Wystrzel w kosmos

Na końcu kabla, na wysokości 144 000 km, składowa styczna prędkości wyniesie 10,93 km/s, co w zupełności wystarczy, aby opuścić pole grawitacyjne Ziemi i wystrzelić statki na Saturna. Gdyby obiektowi pozwolono swobodnie przesuwać się po górnej części uwięzi, miałby wystarczającą prędkość, aby uciec z Układu Słonecznego. Stanie się tak na skutek przejścia całkowitego momentu pędu kabla (i Ziemi) na prędkość wystrzeliwanego obiektu.

Aby osiągnąć jeszcze większe prędkości, można wydłużyć kabel lub przyspieszyć obciążenie za pomocą elektromagnetyzmu.

Na innych planetach

Windę kosmiczną można zbudować na innych planetach. Co więcej, im mniejsza grawitacja na planecie i im szybciej się ona obraca, tym łatwiej jest przeprowadzić budowę.

Możliwe jest również rozciągnięcie windy kosmicznej pomiędzy dwoma ciałami niebieskimi, które krążą wokół siebie i stale są naprzeciw siebie (na przykład pomiędzy Plutonem a Charonem lub pomiędzy składnikami podwójnej asteroidy (90) Antiope. Ponieważ jednak ich orbity nie są dokładny okrąg, konieczne będzie urządzenie do ciągłej zmiany długości takiej windy. W tym przypadku winda może służyć nie tylko do przenoszenia ładunku w kosmos, ale także do „podróży międzyplanetarnych”.

Budowa

Budowa prowadzona jest ze stacji geostacjonarnej. Jeden koniec schodzi na powierzchnię Ziemi, rozciągnięty siłą grawitacji. Drugi, dla wyważenia, jest w przeciwnym kierunku i jest ciągnięty przez siłę odśrodkową. Oznacza to, że wszystkie materiały na budowę muszą zostać dostarczone na orbitę geostacjonarną w tradycyjny sposób. Oznacza to, że koszt dostarczenia całej windy kosmicznej na orbitę geostacjonarną to cena minimalna projektu.

Oszczędności wynikające z korzystania z windy kosmicznej

Można przypuszczać, że winda kosmiczna znacznie obniży koszty wysyłania ładunku w kosmos. Windy kosmiczne są drogie w budowie, ale ich koszty eksploatacji są niskie, dlatego najlepiej używać ich przez długi czas w przypadku bardzo dużych ilości ładunku. Obecnie rynek uruchamiania ładunków nie jest na tyle duży, aby uzasadniać budowę windy, ale gwałtowna obniżka ceny powinna doprowadzić do rozszerzenia rynku.

Nadal nie ma odpowiedzi na pytanie, czy winda kosmiczna zwróci zainwestowane w nią pieniądze, czy też lepiej będzie je zainwestować w dalszy rozwój technologii rakietowej.

Osiągnięcia

W konkursie dźwigowym robot musi pokonać zadaną odległość, wspinając się po pionowej linie z prędkością nie mniejszą niż określona przepisami (w konkursie 2007 standardy były następujące: długość liny - 100 m, minimalna prędkość - 2 m/s, którego prędkość musi zostać osiągnięta wynosi 10 m/s). Najlepszym wynikiem w 2007 roku było pokonanie dystansu 100 m ze średnią prędkością 1,8 m/s.

Całkowita pula nagród w konkursie Space Elevator Games w 2009 roku wyniosła 4 miliony dolarów.

Grupa LiftPort ogłosiła także gotowość do budowy eksperymentalnej windy kosmicznej na Księżycu w oparciu o istniejące technologie. Prezes firmy Michael Lane twierdzi, że budowa takiej windy może zająć osiem lat. Uwaga poświęcona projektowi zmusiła firmę do wyznaczenia nowego celu – przygotowania projektu i pozyskania dodatkowych środków na rozpoczęcie studium wykonalności tzw. „księżycowej windy”. Według Lane’a budowa takiej windy potrwa rok i będzie kosztować 3 miliony dolarów. Specjaliści z NASA zwrócili już uwagę na projekt LiftGroup. Michael Lane współpracował z Amerykańską Agencją Kosmiczną przy projekcie windy kosmicznej.

Podobne projekty

Winda kosmiczna nie jest jedynym projektem wykorzystującym tethery do wynoszenia satelitów na orbitę. Jednym z takich projektów jest Orbital Skyhook (hak orbitalny). Skyhook wykorzystuje linę, która nie jest zbyt długa w porównaniu do windy kosmicznej, która znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej i szybko obraca się wokół swojej środkowej części. Dzięki temu jeden koniec liny porusza się względem Ziemi ze stosunkowo małą prędkością i można na nim zawieszać ładunki z samolotów hipersonicznych. Jednocześnie konstrukcja Skyhook działa jak gigantyczne koło zamachowe – akumulator momentu obrotowego i energii kinetycznej. Zaletą projektu Skyhook jest jego wykonalność przy wykorzystaniu istniejących technologii. Wadą jest to, że Skyhook wykorzystuje energię swojego ruchu do wystrzeliwania satelitów, a energię tę trzeba będzie w jakiś sposób uzupełnić.

Projekt Stratosferyczna sieć drapaczy chmur. Projekt to sieć wind orbitalnych, połączonych w sześciokąty, obejmujących całą planetę. Przy przejściu do kolejnych etapów budowy podpory są usuwane, a rama sieci wind służy do budowy na niej osady stratosferycznej. W projekcie przewidziano kilka obszarów siedliskowych.

Winda kosmiczna w różnych pracach

Książka Roberta Heinleina Friday wykorzystuje kosmiczną windę zwaną „łodygą fasoli”
W filmie ZSRR Petka in Space z 1972 roku główny bohater wymyśla kosmiczną windę.
Jedno ze słynnych dzieł Arthura Clarke'a, Fontanny Raju, opiera się na idei kosmicznej windy. Ponadto kosmiczna winda pojawia się w końcowej części jego słynnej tetralogii, Odysei kosmicznej (3001: Ostatnia Odyseja).
W Star Trek: Voyager, odcinku 3.19, „Rise”, kosmiczna winda pomaga załodze uciec z planety o niebezpiecznej atmosferze.
Civilization IV ma kosmiczną windę. Tam następuje jeden z późniejszych „Wielkich Cudów”.
Powieść science fiction Timothy'ego Zahna „Jedwabnik” („Spinneret”, 1985) wspomina o planecie zdolnej do produkcji superfibry. Jedna z ras zainteresowana planetą chciała pozyskać to włókno specjalnie do budowy kosmicznej windy.
W powieści science fiction Frank Schätzinga „Limit” winda kosmiczna staje się centralnym punktem intryg politycznych w najbliższej przyszłości.
W dylogii Siergieja Łukjanienki „Gwiazdy – zimne zabawki” jedna z cywilizacji pozaziemskich w procesie handlu międzygwiezdnego dostarczyła na Ziemię supermocne nici, które można wykorzystać do budowy kosmicznej windy. Ale cywilizacje pozaziemskie nalegały, aby używać ich wyłącznie zgodnie z ich przeznaczeniem - aby pomóc podczas porodu.
W powieści science fiction J. Scalziego „Skazani na zwycięstwo” (eng. Scalzi, John. Old Man's War) systemy wind kosmicznych są aktywnie wykorzystywane na Ziemi, licznych ziemskich koloniach i niektórych planetach innych wysoko rozwiniętych inteligentnych ras do komunikacji z miejsca postoju statków międzygwiezdnych.
W powieści science fiction „Jutro będzie wieczność” Aleksandra Gromowa fabuła opiera się na fakcie istnienia kosmicznej windy. Istnieją dwa urządzenia - źródło i odbiornik, które za pomocą „wiązki energii” są w stanie wynieść „kabinę” windy na orbitę.
Powieść science fiction Alastaira Reynoldsa „Miasto Otchłani” szczegółowo opisuje budowę i działanie kosmicznej windy oraz opisuje proces jej zniszczenia (w wyniku ataku terrorystycznego).
Powieść science fiction Terry'ego Pratchetta Strata przedstawia Linię, niezwykle długą sztuczną cząsteczkę używaną jako winda kosmiczna.
W powieści science fiction Grahama McNeilla Mechanicum windy kosmiczne są obecne na Marsie i nazywane są Wieżami Ciołkowskiego
Wspomniany w piosence grupy Zvuki Mu „Elevator to Heaven”.
Na samym początku gry Sonic Colors można zobaczyć Sonica i Tailsa jadących windą kosmiczną, aby dostać się do Parku Doktora Eggmana.
W książce Alexandra Zoricha „Somnambulist 2” z serii Ethnogenesis główny bohater Matvey Gumilyov (po wszczepieniu zastępczej osobowości – Maxim Verkhovtsev, osobisty pilot towarzysza Alfy, szefa „Star Fighters”) podróżuje orbitalną windą.
W opowiadaniu „Wąż” pisarza science fiction Aleksandra Gromowa bohaterowie korzystają z kosmicznej windy „w drodze” z Księżyca na Ziemię.
W serii powieści science fiction

Obecnie statki kosmiczne badają Księżyc, Słońce, planety i asteroidy, komety i przestrzeń międzyplanetarną. Jednak rakiety napędzane chemicznie są w dalszym ciągu drogim i zużywającym niewielką moc środkiem do napędzania ładunków poza granicami ziemskiej grawitacji. Współczesna technologia rakietowa praktycznie osiągnęła granicę możliwości, jakie wyznacza natura reakcji chemicznych. Czy ludzkość znalazła się w technologicznym ślepym zaułku? Wcale nie, jeśli spojrzeć na stary pomysł kosmicznej windy.

U początków

Pierwszą osobą, która poważnie pomyślała o tym, jak pokonać grawitację planety za pomocą „podciągania”, był jeden z twórców pojazdów odrzutowych, Felix Zander. W przeciwieństwie do marzyciela i wynalazcy barona Munchausena, Zander zaproponował naukową opcję dotyczącą kosmicznej windy na Księżyc. Istnieje punkt na drodze między Księżycem a Ziemią, w którym siły grawitacyjne tych ciał równoważą się. Znajduje się w odległości 60 000 km od Księżyca. Bliżej Księżyca grawitacja księżycowa będzie silniejsza niż ziemska, a dalej będzie słabsza. Jeśli więc połączymy Księżyc kablem z jakąś pozostawioną asteroidą, powiedzmy w odległości 70 000 km od Księżyca, to tylko kabel zapobiegnie spadnięciu asteroidy na Ziemię. Kabel będzie stale rozciągany siłą grawitacji, a wzdłuż niego będzie można wznieść się z powierzchni Księżyca poza granice księżycowej grawitacji. Z naukowego punktu widzenia jest to pomysł całkowicie słuszny. Nie od razu zyskał taką uwagę, na jaką zasługiwał, tylko dlatego, że w czasach Zandera po prostu nie było materiałów, z których kabel nie pękłby pod własnym ciężarem.

„W 1951 roku profesor Buckminster Fuller opracował swobodnie pływający most pierścieniowy wokół ziemskiego równika. Wszystko, czego potrzeba, aby ten pomysł urzeczywistnić, to kosmiczna winda. A kiedy to będziemy mieć? Nie chcę zgadywać, więc dostosuję się do odpowiedzi, której Arthur Kantrowitz udzielił, gdy ktoś zadał mu pytanie dotyczące jego laserowego systemu startowego. Winda kosmiczna zostanie zbudowana 50 lat po tym, jak ludzie przestaną się śmiać z tego pomysłu. („Winda kosmiczna: eksperyment myślowy czy klucz do wszechświata?”, przemówienie na XXX Międzynarodowym Kongresie Astronautyki, Monachium, 20 września 1979 r.)

Pierwsze pomysły

Już pierwsze sukcesy astronautyki ponownie rozbudziły wyobraźnię entuzjastów. W 1960 roku młody radziecki inżynier Jurij Artsutanow zwrócił uwagę na interesującą cechę tzw. satelitów geostacjonarnych (GSS). Satelity te krążą po orbicie kołowej dokładnie w płaszczyźnie równika ziemskiego i mają okres obiegu równy długości dnia ziemskiego. Dlatego satelita geostacjonarny stale unosi się nad tym samym punktem na równiku. Artsutanov zaproponował połączenie GSS kablem z punktem znajdującym się pod nim na równiku ziemskim. Kabel będzie nieruchomy względem Ziemi, a wzdłuż niego nasuwa się pomysł wystrzelenia kabiny windy w kosmos. Ten błyskotliwy pomysł zawładnął wieloma umysłami. Słynny pisarz Arthur C. Clarke napisał nawet powieść science fiction „Źródła raju”, w której cała fabuła związana jest z budową kosmicznej windy.

Problemy z windą

Dziś pomysł windy kosmicznej na GSS jest już wdrażany w USA i Japonii, a wśród twórców tego pomysłu organizowane są nawet konkursy. Główne wysiłki projektantów mają na celu znalezienie materiałów, z których można wykonać kabel o długości 40 000 km, który będzie w stanie utrzymać nie tylko ciężar własny, ale także ciężar innych części konstrukcyjnych. Świetnie, że wynaleziono już odpowiednią substancję na kabel. Są to nanorurki węglowe. Ich wytrzymałość jest kilkukrotnie większa od wytrzymałości kosmicznej windy, ale trzeba się jeszcze nauczyć, jak z takich rur długich na dziesiątki tysięcy kilometrów wykonać pozbawiony wad gwint. Nie ma wątpliwości, że taki problem techniczny prędzej czy później zostanie rozwiązany.

Z Ziemi na niską orbitę okołoziemską ładunek dostarczany jest tradycyjnymi rakietami na paliwo chemiczne. Stamtąd holowniki orbitalne zrzucają ładunek na „niższą platformę windy”, która jest bezpiecznie zakotwiczona kablem przymocowanym do Księżyca. Winda dostarcza ładunek na Księżyc. Dzięki braku konieczności hamowania (i samych rakiet) na ostatnim etapie oraz podczas wzlotu z Księżyca możliwe są znaczne oszczędności. Jednak w przeciwieństwie do opisanej w artykule konfiguracja ta praktycznie powtarza pomysł Zandera i nie rozwiązuje problemu usunięcia ładunku z Ziemi, zachowując na tym etapie technologię rakietową.

Drugim i jednocześnie poważnym zadaniem na drodze do budowy windy kosmicznej jest opracowanie silnika do windy i systemu zasilania jej energią. W końcu kabina musi pokonać 40 000 km bez tankowania aż do samego końca wspinaczki! Nikt jeszcze nie wymyślił, jak to osiągnąć.

Niestabilna równowaga

Jednak największa, wręcz nie do pokonania, trudność w przypadku windy na satelitę geostacjonarnego wiąże się z prawami mechaniki niebieskiej. GSS znajduje się na swojej cudownej orbicie tylko dzięki równowadze grawitacji i siły odśrodkowej. Każde naruszenie tej równowagi prowadzi do tego, że satelita zmienia orbitę i opuszcza swój „punkt stojący”. Nawet niewielkie niejednorodności pola grawitacyjnego Ziemi, siły pływowe Słońca i Księżyca oraz ciśnienie światła słonecznego powodują, że satelity na orbicie geostacjonarnej nieustannie dryfują. Nie ma najmniejszych wątpliwości, że pod ciężarem systemu wind satelita nie będzie mógł pozostać na orbicie geostacjonarnej i spadnie. Istnieje jednak złudzenie, że możliwe jest wyciągnięcie uwięzi daleko poza orbitę geostacjonarną i umieszczenie na jej drugim końcu masywnej przeciwwagi. Na pierwszy rzut oka siła odśrodkowa działająca na dołączoną przeciwwagę naciągnie linkę tak, że poruszający się po niej dodatkowy ładunek z kabiny nie będzie w stanie zmienić położenia przeciwwagi, a winda pozostanie w pozycji roboczej. Byłoby tak, gdyby zamiast giętkiego kabla zastosowano sztywny, nieuginający się pręt: wówczas energia obrotu Ziemi przekazywana byłaby poprzez pręt do kabiny, a jej ruch nie powodowałby pojawienia się siły bocznej które nie jest kompensowane przez napięcie liny. A ta siła nieuchronnie zakłóci stabilność dynamiczną windy znajdującej się blisko Ziemi, a ona się zawali!

Niebiański plac zabaw

Na szczęście dla Ziemian natura przygotowała dla nas wspaniałe rozwiązanie – Księżyc. Księżyc jest nie tylko tak masywny, że nie mogą go poruszyć żadne windy, ale także krąży po niemal kołowej orbicie, a jednocześnie zawsze jest zwrócony jedną stroną do Ziemi! Pomysł po prostu nasuwa się sam - rozciągnąć windę między Ziemią a Księżycem, ale zabezpieczyć linę windy tylko na jednym końcu, na Księżycu. Drugi koniec liny można opuścić prawie do samej Ziemi, a siła grawitacji będzie ciągnąć go jak sznurek wzdłuż linii łączącej środki masy Ziemi i Księżyca. Wolny koniec nie może sięgać powierzchni Ziemi. Nasza planeta obraca się wokół własnej osi, dzięki czemu koniec kabla będzie miał prędkość około 400 m na sekundę względem powierzchni Ziemi, czyli poruszał się w atmosferze z prędkością większą niż prędkość dźwięku. Żadna konstrukcja nie wytrzyma takiego oporu powietrza. Ale jeśli opuścisz kabinę windy na wysokość 30-50 km, gdzie powietrze jest dość rozrzedzone, jej opór można pominąć. Prędkość w kabinie pozostanie na poziomie około 0,4 km/s i tę prędkość z łatwością osiągają nowoczesne stratoplany latające na dużych wysokościach. Podlatując do kabiny windy i dokując z nią (ta technika dokowania została od dawna opracowana zarówno w konstrukcji samolotów do tankowania w locie, jak i na statkach kosmicznych), możesz przenieść ładunek z boku stratoplanu do kabiny lub z powrotem . Następnie kabina windy rozpocznie wznoszenie się na Księżyc, a stratoplan powróci na Ziemię. Nawiasem mówiąc, ładunek dostarczony z Księżyca można po prostu zrzucić z kabiny na spadochronie i bezpiecznie odebrać z ziemi lub oceanu.

Unikanie kolizji

Winda łącząca Ziemię i Księżyc musi rozwiązać kolejny ważny problem. W przestrzeni blisko Ziemi znajduje się duża liczba działających statków kosmicznych i kilka tysięcy nieaktywnych satelitów, ich fragmentów i innych śmieci kosmicznych. Zderzenie windy z którymkolwiek z nich spowodowałoby zerwanie liny. Aby uniknąć tego problemu, proponuje się, aby „dolna” część kabla o długości 60 000 km była podnoszona i usuwana ze strefy ruchu satelitów Ziemi, gdy nie jest tam potrzebna. Monitorowanie pozycji ciał w przestrzeni blisko Ziemi pozwala przewidzieć okresy, w których ruch windy w tym obszarze będzie bezpieczny.

Wciągarka do windy kosmicznej

Winda kosmiczna na Księżyc ma poważny problem. Kabiny konwencjonalnych wind poruszają się z prędkością nie większą niż kilka metrów na sekundę i przy tej prędkości nawet wjazd na wysokość 100 km (do dolnej granicy przestrzeni) powinien zająć więcej niż dobę. Nawet jeśli poruszamy się z maksymalną prędkością pociągów kolejowych wynoszącą 200 km/h, podróż na Księżyc zajmie prawie trzy miesiące. Jest mało prawdopodobne, aby winda zdolna do wykonania tylko dwóch lotów na Księżyc rocznie była poszukiwana.

Jeśli pokryjesz kabel folią nadprzewodnika, możliwe będzie poruszanie się po kablu na poduszce magnetycznej bez kontaktu z jego materiałem. W takim przypadku możliwe będzie przyspieszenie w połowie i wyhamowanie kabiny w połowie.

Z prostych obliczeń wynika, że przy wartości przyspieszenia 1 g (co odpowiada zwykłej grawitacji na Ziemi) cała podróż na Księżyc zajmie zaledwie 3,5 godziny, czyli kabina będzie mogła wykonać trzy loty na Księżyc co dzień. Naukowcy aktywnie pracują nad stworzeniem nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej, a ich pojawienia się można spodziewać się w dającej się przewidzieć przyszłości.

Do wyrzucenia śmieci

Co ciekawe, w połowie podróży prędkość w kabinie osiągnie 60 km/s. Jeśli po przyspieszeniu ładunek zostanie odczepiony od kabiny, to przy takiej prędkości można go skierować w dowolne miejsce Układu Słonecznego, na dowolną, nawet najbardziej odległą planetę. Oznacza to, że winda na Księżyc będzie w stanie zapewnić loty z Ziemi w Układzie Słonecznym bez rakiet.

A możliwość zrzucania szkodliwych odpadów z Ziemi na Słońce za pomocą windy będzie zupełnie egzotyczna. Nasza rodzima gwiazda jest piecem nuklearnym o takiej mocy, że wszelkie odpady, nawet radioaktywne, spłoną bez śladu. Zatem pełnoprawna winda na Księżyc może nie tylko stać się podstawą kosmicznej ekspansji ludzkości, ale także środkiem oczyszczenia naszej planety z marnotrawstwa postępu technicznego.