Fundação com porão
Elevador orbital. Trabalho de pesquisa "elevador espacial" O que é um elevador espacial

Elevador orbital. Trabalho de pesquisa "elevador espacial" O que é um elevador espacial

(GSO) devido à força centrífuga. Ele sobe ao longo de um cabo, carregando uma carga útil. Ao subir, a carga será acelerada devido à rotação da Terra, o que permitirá que ela seja enviada além da gravidade terrestre a uma altitude suficientemente elevada.

O cabo requer resistência à tração extremamente alta combinada com baixa densidade. De acordo com cálculos teóricos, os nanotubos de carbono parecem ser um material adequado. Se assumirmos a sua adequação para a fabricação de um cabo, então a criação de um elevador espacial é um problema de engenharia solucionável, embora exija o uso de desenvolvimentos avançados e. A criação do elevador está estimada em 7 a 12 bilhões de dólares americanos. A NASA já está a financiar desenvolvimentos relacionados no Instituto Americano de Investigação Científica, incluindo o desenvolvimento de um elevador capaz de se mover de forma independente ao longo de um cabo.

Projeto

Existem várias opções de design. Quase todos eles incluem base (base), cabo (cabo), elevadores e contrapeso.

Base

A base de um elevador espacial é o local da superfície do planeta onde o cabo é preso e começa o levantamento da carga. Pode ser móvel, colocado em uma embarcação oceânica.

A vantagem de uma base móvel é a capacidade de realizar manobras para escapar de furacões e tempestades. As vantagens de uma base estacionária são fontes de energia mais baratas e acessíveis e a capacidade de reduzir o comprimento do cabo. A diferença de alguns quilômetros de amarração é relativamente pequena, mas pode ajudar a reduzir a espessura necessária de sua parte central e o comprimento da parte que se estende além da órbita geoestacionária.

Cabo

O cabo deve ser feito de um material com uma relação entre resistência à tração e gravidade específica extremamente alta. Um elevador espacial será economicamente justificado se um cabo com densidade comparável à do grafite e resistência de cerca de 65-120 gigapascais puder ser produzido em escala industrial a um preço razoável.

Para efeito de comparação, a resistência da maioria dos tipos de aço é de cerca de 1 GPa, e mesmo os tipos mais fortes não ultrapassam 5 GPa, e o aço é pesado. O Kevlar, muito mais leve, tem uma resistência na faixa de 2,6-4,1 GPa, e a fibra de quartzo tem uma resistência de até 20 GPa e superior. A resistência teórica das fibras de diamante pode ser um pouco [por quanto tempo?] mais alto.

A tecnologia para tecer essas fibras ainda está em seus primórdios.

De acordo com alguns cientistas, mesmo os nanotubos de carbono nunca serão fortes o suficiente para fabricar um cabo de elevador espacial.

Experimentos de cientistas da Universidade de Tecnologia de Sydney possibilitaram a criação de papel de grafeno. Os testes de amostra são encorajadores: a densidade do material é cinco a seis vezes menor que a do aço, enquanto a resistência à tração é dez vezes maior que a do aço carbono. Ao mesmo tempo, o grafeno é um bom condutor de corrente elétrica, o que permite que seja utilizado para transmitir energia a um elevador, como barramento de contato.

Engrossando o cabo

O elevador espacial deve suportar pelo menos o seu próprio peso, que é considerável devido ao comprimento do cabo. O espessamento, por um lado, aumenta a resistência do cabo, por outro, aumenta o seu peso e, portanto, a resistência necessária. A carga sobre ele irá variar em diferentes locais: em alguns casos, uma seção da corda deve suportar o peso dos segmentos abaixo, em outros deve suportar a força centrífuga que mantém as partes superiores da corda em órbita. Para satisfazer esta condição e conseguir a optimização do cabo em cada ponto, a sua espessura será variável.

Pode-se mostrar que levando em consideração a gravidade e a força centrífuga da Terra (mas sem levar em conta a menor influência da Lua e do Sol), a seção transversal do cabo em função da altura será descrita pela seguinte fórmula:

Aqui está a área da seção transversal do cabo em função da distância de Centro Terra.

A fórmula usa as seguintes constantes:

Esta equação descreve uma corda cuja espessura primeiro aumenta exponencialmente, depois seu crescimento desacelera a uma altitude de vários raios terrestres e depois se torna constante, eventualmente atingindo a órbita geoestacionária. Depois disso, a espessura começa a diminuir novamente.

Assim, a relação entre as áreas da seção transversal do cabo na base e no GSO ( R= 42.164 km) é:

Substituindo aqui a densidade e resistência do aço e o diâmetro do cabo ao nível do solo de 1 cm, obtemos um diâmetro ao nível do GSO de várias centenas de quilómetros, o que significa que o aço e outros materiais que conhecemos são inadequados para a construção de um elevador.

Segue-se que existem quatro maneiras de obter uma espessura de cabo mais razoável no nível GSO:

Outra forma é tornar móvel a base do elevador. Mover-se mesmo a uma velocidade de 100 m/s já proporcionará um ganho na velocidade circular em 20% e reduzirá o comprimento do cabo em 20-25%, o que o tornará mais leve em 50% ou mais. Se você “ancorar” o cabo em um avião ou trem supersônico, o ganho de massa do cabo não será mais medido em porcentagens, mas em dezenas de vezes (mas as perdas devido à resistência do ar não são levadas em consideração).

Contrapeso

Um contrapeso pode ser criado de duas maneiras - amarrando um objeto pesado (por exemplo, um asteróide, um assentamento espacial ou uma doca espacial) além da órbita geoestacionária, ou estendendo a própria corda por uma distância significativa além da órbita geoestacionária. A segunda opção tornou-se mais popular ultimamente porque é mais fácil de implementar e, além disso, é mais fácil lançar cargas para outros planetas a partir da extremidade de um cabo alongado, pois possui uma velocidade significativa em relação à Terra.

Momento Angular, Velocidade e Inclinação

A velocidade horizontal de cada seção do cabo aumenta com a altura em proporção à distância ao centro da Terra, atingindo a primeira velocidade de escape na órbita geoestacionária. Portanto, ao levantar uma carga, ele precisa ganhar momento angular adicional (velocidade horizontal).

O momento angular é adquirido devido à rotação da Terra. No início, o elevador se move um pouco mais devagar que o cabo (efeito Coriolis), “desacelerando” o cabo e desviando-o ligeiramente para oeste. A uma velocidade de subida de 200 km/h, o cabo inclinará 1 grau. A componente horizontal de tensão em um cabo não vertical puxa a carga para o lado, acelerando-a na direção leste (ver diagrama) - com isso, o elevador adquire velocidade adicional. De acordo com a terceira lei de Newton, o cabo desacelera um pouco a Terra.

Ao mesmo tempo, a influência da força centrífuga força o cabo a retornar a uma posição vertical energeticamente favorável, de modo que fique em um estado de equilíbrio estável. Se o centro de gravidade do elevador estiver sempre acima da órbita geoestacionária, independente da velocidade dos elevadores, ele não cairá.

No momento em que a carga atinge o GEO, o seu momento angular (velocidade horizontal) é suficiente para lançar a carga em órbita.

Ao baixar a carga ocorrerá o processo inverso, inclinando o cabo para leste.

Lançar no espaço

Na ponta do cabo, a 144 mil km de altitude, a componente tangencial da velocidade será de 10,93 km/s, o que é mais que suficiente para sair do campo gravitacional terrestre e lançar naves até Saturno. Se o objeto deslizar livremente ao longo do topo da corda, ele terá velocidade suficiente para escapar do sistema solar. Isso acontecerá devido à transição do momento angular total do cabo (e da Terra) para a velocidade do objeto lançado.

Para atingir velocidades ainda maiores, você pode alongar o cabo ou acelerar a carga usando eletromagnetismo.

Construção

A construção é realizada a partir de uma estação geoestacionária. Este é o único lugar onde uma espaçonave pode pousar. Uma extremidade desce à superfície da Terra, esticada pela força da gravidade. A outra, para balanceamento, fica no sentido oposto, sendo puxada pela força centrífuga. Isso significa que todos os materiais de construção devem ser elevados à órbita geoestacionária da forma tradicional, independentemente do destino da carga. Ou seja, o custo de colocar todo o elevador espacial em órbita geoestacionária é o preço mínimo do projeto.

Economia com o uso de um elevador espacial

Presumivelmente, o elevador espacial reduzirá bastante o custo de envio de carga ao espaço. Os elevadores espaciais são caros de construir, mas seus custos operacionais são baixos, por isso são mais bem utilizados durante longos períodos de tempo para volumes muito grandes de carga. Atualmente, o mercado de lançamento de cargas pode não ser grande o suficiente para justificar a construção de um elevador, mas a redução drástica no preço deverá levar a uma maior variedade de cargas. Outras infraestruturas de transporte – rodovias e ferrovias – justificam-se da mesma forma.

Ainda não há resposta para a questão de saber se o elevador espacial devolverá o dinheiro investido nele ou se seria melhor investi-lo no desenvolvimento da tecnologia de foguetes.

Não devemos esquecer o limite do número de satélites retransmissores em órbita geoestacionária: atualmente, os acordos internacionais permitem 360 satélites - um retransmissor por grau angular, a fim de evitar interferências na transmissão na banda de frequência Ku. Para frequências C o número de satélites é limitado a 180.

Esta circunstância explica o verdadeiro fracasso comercial do projeto, uma vez que os principais custos financeiros das organizações não governamentais estão concentrados em satélites retransmissores que ocupam órbitas geoestacionárias (televisão, comunicações) ou órbitas inferiores (sistemas de posicionamento global, observação de recursos naturais, etc.). .

Porém, o elevador pode ser um projeto híbrido e, além da função de colocar cargas em órbita, permanecer como base para outras pesquisas e programas comerciais não relacionados ao transporte.

Conquistas

Desde 2005, a competição anual Space Elevator Games é realizada nos Estados Unidos, organizada pela Spaceward Foundation com o apoio da NASA. Existem duas categorias nestas competições: “melhor cabo” e “melhor robô (elevador)”.

Na competição de levantamento, o robô deve superar uma distância determinada, subindo um cabo vertical a uma velocidade não inferior à estabelecida pelas regras (na competição de 2007, os padrões eram os seguintes: comprimento do cabo - 100 m, velocidade mínima - 2 EM). O melhor resultado em 2007 foi percorrer uma distância de 100 m com velocidade média de 1,8 m/s.

O fundo total de prêmios para a competição Space Elevator Games em 2009 foi de US$ 4 milhões.

Na competição de força de corda, os participantes devem fornecer um anel de dois metros feito de material resistente e com peso não superior a 2 gramas, que uma instalação especial testa quanto a ruptura. Para vencer a competição, a resistência do cabo deve ser pelo menos 50% maior neste indicador do que a amostra já disponibilizada pela NASA. Até o momento, o melhor resultado pertence ao cabo que suportou uma carga de até 0,72 toneladas.

A competição não inclui o Liftport Group, que ganhou notoriedade por suas reivindicações de lançamento de um elevador espacial em 2018 (posteriormente adiado para 2031). A Liftport conduz seus próprios experimentos, por exemplo, em 2006, um elevador robótico subiu em uma corda forte esticada com a ajuda de balões. Em um quilômetro e meio, o elevador conseguiu percorrer apenas 460 metros. Em agosto-setembro de 2012, a empresa lançou um projeto para arrecadar fundos para novos experimentos com o elevador no site Kickstarter. Dependendo do valor arrecadado, está previsto levantar o robô 2 ou mais quilômetros.

Na competição Space Elevator Games, de 4 a 6 de novembro de 2009, uma competição organizada pela Spaceward Foundation e pela NASA aconteceu no sul da Califórnia, no Dryden Flight Research Center, dentro dos limites da famosa Base Aérea de Edwards. O comprimento de teste do cabo foi de 900 metros, o cabo foi içado por meio de um helicóptero. A liderança ficou com a LaserMotive, que apresentou um elevador com velocidade de 3,95 m/s, muito próximo da velocidade exigida. O elevador percorreu todo o comprimento do cabo em 3 minutos e 49 segundos; o elevador transportava uma carga útil de 0,4 kg; .

Projetos semelhantes

O elevador espacial não é o único projeto que utiliza amarras para lançar satélites em órbita. Um desses projetos é o Orbital Skyhook. Skyhook usa uma corda que não é muito longa em comparação com um elevador espacial, que está em órbita baixa da Terra e gira rapidamente em torno de sua parte central. Devido a isso, uma extremidade do cabo se move em relação à Terra a uma velocidade relativamente baixa e cargas de aeronaves hipersônicas podem ser suspensas nela. Ao mesmo tempo, o design do Skyhook funciona como um volante gigante - um acumulador de torque e energia cinética. A vantagem do projeto Skyhook é a sua viabilidade utilizando tecnologias existentes. A desvantagem é que o Skyhook usa a energia de seu movimento para lançar satélites, e essa energia precisará ser reabastecida de alguma forma.

Elevador espacial em diversas obras

No filme da URSS de 1972, Petka in Space, o personagem principal inventa um elevador espacial.
Uma das famosas obras de Arthur C. Clarke, The Fountains of Heaven, é baseada na ideia de um elevador espacial. Além disso, o elevador espacial aparece na parte final de sua famosa tetralogia, Uma Odisséia no Espaço (3001: A Última Odisséia).
No episódio 3x19 "Rise" de Star Trek: Voyager, um elevador espacial ajuda a tripulação a escapar de um planeta com uma atmosfera perigosa.
Civilização IV tem um elevador espacial. Lá está ele um dos posteriores “Grandes Milagres”.
O romance de ficção científica de Timothy Zahn, Spinneret (1985), menciona um planeta capaz de produzir superfibra. Uma das raças, interessada no planeta, queria obter essa fibra especificamente para a construção de um elevador espacial.
No romance de ficção científica de Frank Schätzing, Limit, um elevador espacial atua como um ponto central de intriga política em um futuro próximo.
Na dilogia de Sergei Lukyanenko, “As estrelas são brinquedos frios”, uma das civilizações extraterrestres, no processo de comércio interestelar, entregou à Terra fios resistentes que poderiam ser usados para construir um elevador espacial. Mas as civilizações extraterrestres insistiram exclusivamente em usá-los para o propósito pretendido - para ajudar durante o parto.
No romance de ficção científica “Destinado à Vitória” de J. Scalzi (eng. Scalzi, John. Guerra do Velho) sistemas de elevadores espaciais são usados ativamente na Terra, em numerosas colônias terrestres e em alguns planetas de outras raças inteligentes altamente desenvolvidas para comunicação com os cais de naves interestelares.
No romance de ficção científica “Tomorrow Will Be Eternity”, de Alexander Gromov, o enredo é construído em torno da existência de um elevador espacial. Existem dois dispositivos - uma fonte e um receptor, que, por meio de um “feixe de energia”, são capazes de colocar a “cabine” do elevador em órbita.
O romance de ficção científica de Alastair Reynolds, "Abyss City", fornece uma descrição detalhada da estrutura e funcionamento do elevador espacial e descreve o processo de sua destruição (como resultado de um ataque terrorista).
O romance de ficção científica de Terry Pratchett, Strata, apresenta a Linha, uma molécula artificial extremamente longa usada como elevador espacial.
Mencionado na música do grupo Zvuki Mu “Elevator to Heaven”.
Bem no início do jogo Sonic Colors, Sonic e Tails podem ser vistos pegando o elevador espacial para chegar ao Parque do Dr.
No livro “Somnambulist 2” de Alexander Zorich da série Ethnogenesis, o personagem principal Matvey Gumilyov (depois de plantar uma personalidade substituta - Maskim Verkhovtsev, o piloto pessoal do camarada Alpha, o chefe dos “Star Fighters”) viaja em um elevador orbital.
Na história “Snake”, do escritor de ficção científica Alexander Gromov, os personagens usam um elevador espacial “a caminho” da Lua até a Terra.
Na série de romances de ficção científica de George R. Martin, "Tuf's Travels", no planeta "S"atlem, um elevador orbital leva a um planetóide equipado como um espaçoporto.

Em mangá e anime

No terceiro episódio do anime Edo Cyber City, um elevador espacial foi utilizado para subir ao banco criogênico orbital.
Battle Angel apresenta um elevador espacial ciclópico, em uma extremidade do qual está a Sky City de Salem (para cidadãos) junto com uma cidade baixa (para não-cidadãos), e na outra extremidade está a cidade espacial de Yeru. Uma estrutura semelhante está localizada do outro lado da Terra.
No anime Mobile Suit Gundam 00, há três elevadores espaciais; neles também está acoplado um anel de painéis solares, que permite que o elevador espacial seja utilizado para gerar eletricidade.
No anime Z.O.E. Dolores apresenta um elevador espacial e também mostra o que pode acontecer em caso de ataque terrorista.
O elevador espacial é mencionado na série de anime Trinity Blood, em que a nave Arc serve como contrapeso.

Veja também

Elevador Espacial: 2010 (Inglês) russo

Notas

Literatura

Yuri Artsutanov “Para o espaço - em uma locomotiva elétrica”, jornal “Komsomolskaya Pravda” datado de 31 de julho de 1960.
Alexander Bolonkin “Lançamento e voo espacial sem foguete”, Elsevier, 2006, 488 págs.

Muitas pessoas conhecem a história bíblica sobre como as pessoas decidiram se tornar como Deus e decidiram erguer uma torre tão alta quanto o céu. O Senhor, irado, fez com que todas as pessoas falassem línguas diferentes, e a construção parou.

É difícil dizer se isso é verdade ou não, mas depois de milhares de anos, a humanidade voltou a pensar na possibilidade de construir uma supertorre. Afinal, se você conseguir construir uma estrutura com dezenas de milhares de quilômetros de altura, poderá reduzir em quase mil vezes o custo de entrega de carga ao espaço! O espaço deixará de uma vez por todas de ser algo distante e inatingível.

Querido espaço

O conceito de elevador espacial foi considerado pela primeira vez pelo grande cientista russo Konstantin Tsiolkovsky. Ele presumiu que se você construir uma torre com 40 mil quilômetros de altura, a força centrífuga do nosso planeta irá segurar toda a estrutura, evitando que ela caia.

À primeira vista, esta ideia cheira a um quilómetro e meio de manilovismo, mas vamos pensar logicamente. Hoje, a maior parte do peso dos foguetes é combustível, que é gasto para superar a gravidade da Terra. Claro, isso também afeta o preço de lançamento. O custo de entregar um quilograma de carga útil à órbita baixa da Terra é de cerca de US$ 20.000.

Por isso, quando os parentes dão geléia aos astronautas da ISS, pode ter certeza: essa é a iguaria mais cara do mundo. Mesmo a Rainha da Inglaterra não pode permitir isso!

O lançamento de um ônibus espacial custou à NASA entre US$ 500 e US$ 700 milhões. Devido a problemas na economia americana, a administração da NASA foi forçada a encerrar o programa de ônibus espaciais e terceirizar a função de entrega de carga à ISS para empresas privadas.

Além dos problemas económicos, existem também os políticos. Devido a divergências sobre a questão ucraniana, os países ocidentais introduziram uma série de sanções e restrições contra a Rússia. Infelizmente, também afetaram a cooperação em astronáutica. A NASA recebeu uma ordem do governo dos EUA para congelar todos os projetos conjuntos, com exceção da ISS. Em resposta, o vice-primeiro-ministro Dmitry Rogozin disse que a Rússia não está interessada em participar do projeto da ISS após 2020 e pretende mudar para outras metas e objetivos, como o estabelecimento de uma base científica permanente na Lua e um voo tripulado para Marte.

Muito provavelmente, a Rússia fará isso junto com a China, a Índia e, possivelmente, o Brasil. Deve-se notar: a Rússia já iria concluir o trabalho no projeto e as sanções ocidentais simplesmente aceleraram esse processo.

Apesar desses planos grandiosos, tudo poderá permanecer no papel, a menos que seja desenvolvida uma forma mais eficiente e barata de entregar carga para além da atmosfera terrestre. Um total de mais de 100 bilhões de dólares foram gastos na construção da mesma ISS! É até assustador imaginar quantos “verdes” serão necessários para criar uma estação na Lua.

Um elevador espacial pode ser a solução perfeita para o problema. Assim que o elevador estiver operacional, os custos de envio poderão cair para dois dólares por quilograma. Mas primeiro você terá que quebrar a cabeça sobre como construí-lo.

Margem de segurança

Em 1959, o engenheiro de Leningrado Yuri Nikolaevich Artsutanov desenvolveu a primeira versão funcional de um elevador espacial. Como é impossível construir um elevador de baixo para cima devido à gravidade do nosso planeta, ele propôs fazer o contrário - construir de cima para baixo. Para isso, um satélite especial teve que ser lançado em uma órbita geoestacionária (cerca de 36.000 quilômetros), onde deveria se posicionar acima de um determinado ponto do equador terrestre. Em seguida, comece a montar os cabos no satélite e abaixe-os gradativamente em direção à superfície do planeta. O próprio satélite também desempenhou o papel de contrapeso, mantendo constantemente os cabos esticados.

O público em geral pôde conhecer detalhadamente essa ideia quando, em 1960, o Komsomolskaya Pravda publicou uma entrevista com Artsutanov. A entrevista também foi publicada pela mídia ocidental, após a qual o mundo inteiro foi submetido à “febre do elevador”. Os escritores de ficção científica foram especialmente zelosos, pintando imagens otimistas do futuro, cujo atributo indispensável era o elevador espacial.

Todos os especialistas que estudam a possibilidade de criação de um elevador concordam que o principal obstáculo à implementação deste plano é a falta de material suficientemente resistente para os cabos. Pelos cálculos, este material hipotético deveria suportar uma tensão de 120 gigapascais, ou seja, mais de 100.000 quilogramas por metro quadrado!

A resistência do aço é de aproximadamente 2 gigapascais, para opções particularmente fortes é de no máximo 5 gigapascais, para fibra de quartzo é um pouco acima de 20. Isso é simplesmente monstruosamente baixo. Surge a eterna questão: o que fazer? Desenvolver nanotecnologia. O candidato mais promissor para o papel de cabo de elevador podem ser os nanotubos de carbono. Pelos cálculos, sua força deve ser muito superior ao mínimo de 120 gigapascais.

Até agora, a amostra mais forte foi capaz de suportar uma tensão de 52 gigapascais, mas na maioria dos outros casos eles romperam na faixa de 30 a 50 gigapascais. No decorrer de longas pesquisas e experimentos, especialistas da Universidade do Sul da Califórnia conseguiram alcançar um resultado inédito: seu tubo foi capaz de suportar uma tensão de 98,9 gigapascais!

Infelizmente, este foi um sucesso único e há outro problema significativo com os nanotubos de carbono. Nicolas Pugno, cientista da Universidade Politécnica de Turim, chegou a uma conclusão decepcionante. Acontece que mesmo devido ao deslocamento de um átomo na estrutura dos tubos de carbono, a resistência de uma determinada área pode diminuir drasticamente em 30%. E tudo isso apesar de a maior amostra de nanotubos obtida até agora ter apenas dois centímetros. E se levarmos em conta o fato de que o comprimento do cabo deve ser de quase 40 mil quilômetros, a tarefa parece simplesmente impossível.

Detritos e tempestades

Outro problema muito sério está relacionado aos detritos espaciais. Quando a humanidade se estabeleceu na órbita baixa da Terra, ela começou um de seus passatempos favoritos - encher o espaço circundante com os produtos de sua atividade vital. No início, de alguma forma, não estávamos particularmente preocupados com isso. “Afinal, o espaço é infinito! - raciocinamos. “Você joga fora o pedaço de papel e ele irá explorar a vastidão do Universo!”

Foi aqui que cometemos um erro. Todos os destroços e restos de aeronaves estão condenados a circundar a Terra para sempre, capturados por seu poderoso campo gravitacional. Não é preciso ser um engenheiro para descobrir o que aconteceria se um desses pedaços de lixo colidisse com um cabo. Portanto, milhares de pesquisadores de todo o mundo estão quebrando a cabeça com a questão da eliminação de um aterro próximo à Terra.

A situação da base do elevador na superfície do planeta também não é totalmente clara. Inicialmente, estava prevista a criação de uma base estacionária no equador para garantir a sincronização com um satélite geoestacionário. No entanto, os efeitos nocivos dos ventos de furacões e de outros desastres naturais não podem ser evitados.

Surgiu então a ideia de fixar a base a uma plataforma flutuante que pudesse manobrar e “evitar” tempestades. Mas neste caso, os operadores em órbita e na plataforma serão obrigados a realizar todos os movimentos com precisão cirúrgica e sincronização absoluta, caso contrário toda a estrutura irá para o inferno.

Mantenha seu queixo erguido!

Apesar de todas as dificuldades e obstáculos que se colocam no nosso espinhoso caminho até às estrelas, não devemos baixar o nariz e deixar este, sem dúvida, projecto único em segundo plano. Um elevador espacial não é um luxo, mas algo vital.

Sem isso, a colonização do espaço próximo tornar-se-á um empreendimento extremamente trabalhoso e dispendioso e poderá levar muitos anos. É claro que existem propostas para desenvolver tecnologias antigravitacionais, mas esta é uma perspectiva muito distante e o elevador será necessário nos próximos 20-30 anos.

Um elevador é necessário não apenas para levantar e baixar cargas, mas também como “mega-linga”. Com sua ajuda, é possível lançar naves espaciais ao espaço interplanetário sem gastar grandes volumes desse precioso combustível, que de outra forma poderia ser usado para acelerar a nave. De particular interesse é a ideia de usar um elevador para limpar a Terra de resíduos perigosos.

Digamos que o combustível nuclear irradiado de uma usina nuclear possa ser colocado em cápsulas seladas e depois enviado com fogo direto em direção ao Sol, para o qual queimar tal meleca é moleza.

Mas, curiosamente, a implementação de tal ideia não é, antes, uma questão de economia ou ciência, mas de política. Precisamos encarar a verdade: nenhum país no mundo pode lidar de forma independente com um projeto tão grandioso. Não há como prescindir da cooperação internacional.

Em primeiro lugar, é importante a participação dos Estados Unidos, da União Europeia, da China, do Japão, da Índia, do Brasil e, claro, da Rússia. Portanto, não importa como você olhe, você terá que sentar à mesa de negociações e fumar o cachimbo da paz. Portanto, pessoal, vamos morar juntos e tudo vai dar certo para nós!

Adilet URAIMOV

Embora a construção de um elevador espacial já esteja dentro das nossas capacidades de engenharia, as paixões em torno desta estrutura infelizmente diminuíram recentemente. A razão é que os cientistas ainda não conseguiram obter a tecnologia para produzir nanotubos de carbono com a resistência necessária em escala industrial.

A ideia de lançar carga em órbita sem foguetes foi proposta pelo mesmo fundador da cosmonáutica teórica - Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Inspirado pela Torre Eiffel que viu em Paris, ele descreveu sua visão de um elevador espacial na forma de uma torre de enorme altura. Seu topo estaria apenas em uma órbita geocêntrica.

A torre do elevador é baseada em materiais resistentes que evitam a compressão - mas as ideias modernas para elevadores espaciais ainda consideram uma versão com cabos que devem ter resistência à tração. Esta ideia foi proposta pela primeira vez em 1959 por outro cientista russo, Yuri Nikolaevich Artsutanov. O primeiro trabalho científico com cálculos detalhados sobre um elevador espacial em forma de cabo foi publicado em 1975, e em 1979 Arthur C. Clarke o popularizou em sua obra “As Fontes do Paraíso”.

Embora os nanotubos sejam atualmente reconhecidos como o material mais resistente e o único adequado para a construção de um elevador em forma de cabo que se estende a partir de um satélite geoestacionário, a resistência dos nanotubos obtidos em laboratório ainda não é suficiente para atingir a resistência calculada.

Teoricamente, a resistência dos nanotubos deveria ser superior a 120 GPa, mas na prática o maior alongamento de um nanotubo de parede única foi de 52 GPa e, em média, eles quebraram na faixa de 30-50 GPa. Um elevador espacial requer materiais com resistência de 65-120 GPa.

No final do ano passado, o maior festival americano de documentários, DocNYC, exibiu o filme Sky Line, que descreve as tentativas de engenheiros norte-americanos de construir um elevador espacial – incluindo participantes da competição NASA X-Prize.

Os personagens principais do filme são Bradley Edwards e Michael Lane. Edwards é um astrofísico que trabalha na ideia do elevador espacial desde 1998. Lane é empresário e fundador da LiftPort, uma empresa que promove o uso comercial de nanotubos de carbono.

No final dos anos 90 e início dos anos 2000, Edwards, tendo recebido bolsas da NASA, desenvolveu intensamente a ideia de um elevador espacial, calculando e avaliando todos os aspectos do projeto. Todos os seus cálculos mostram que essa ideia é viável - bastando que apareça uma fibra forte o suficiente para o cabo.

Edwards fez uma breve parceria com a LiftPort para buscar financiamento para o projeto do elevador, mas devido a divergências internas, o projeto nunca se concretizou. O LiftPort foi fechado em 2007, embora um ano antes tivesse demonstrado com sucesso um robô subindo um cabo vertical de um quilômetro de comprimento suspenso em balões como parte de uma prova de conceito para algumas de suas tecnologias.

Esse espaço privado, concentrado em foguetes reutilizáveis, poderia suplantar completamente o desenvolvimento de elevadores espaciais num futuro próximo. Segundo ele, o elevador espacial só é atrativo porque oferece formas mais baratas de colocar cargas em órbita, e foguetes reutilizáveis estão sendo desenvolvidos justamente para reduzir o custo dessa entrega.

Edwards atribui a estagnação da ideia à falta de apoio real ao projeto. “É assim que são os projetos que centenas de pessoas espalhadas pelo mundo desenvolvem como hobby. Nenhum progresso sério será feito até que haja apoio real e controle centralizado”.

A situação com o desenvolvimento da ideia de um elevador espacial no Japão é diferente. O país é famoso por seus desenvolvimentos na área de robótica, e o físico japonês Sumio Iijima é considerado um pioneiro na área de nanotubos. A ideia de um elevador espacial é quase nacional por aqui.

A empresa japonesa Obayashi promete entregar um elevador para espaço de trabalho até 2050. O presidente-executivo da empresa, Yoji Ishikawa, diz que eles estão trabalhando com empreiteiros privados e universidades locais para melhorar a tecnologia existente de nanotubos.

Ishikawa afirma que embora a empresa compreenda a complexidade do projeto, não vê nenhum obstáculo fundamental à sua implementação. Ele também acredita que a popularidade da ideia de um elevador espacial no Japão é causada pela necessidade de ter algum tipo de ideia nacional que una as pessoas tendo como pano de fundo a difícil situação econômica das últimas décadas.

Ishikawa está confiante de que, embora uma ideia desta escala provavelmente só possa ser concretizada através da cooperação internacional, o Japão poderá muito bem se tornar sua locomotiva devido à grande popularidade do elevador espacial no país.

Enquanto isso, a empresa canadense de espaço e defesa Thoth Technology recebeu a patente norte-americana nº 9.085.897 no verão passado por sua versão de elevador espacial. Mais precisamente, o conceito envolve a construção de uma torre que mantém a sua rigidez graças ao gás comprimido.

A torre deverá entregar cargas a uma altura de 20 km, de onde serão lançadas em órbita por meio de foguetes convencionais. Essa opção intermediária, segundo cálculos da empresa, economizará até 30% de combustível em comparação a um foguete.

De acordo com cálculos teóricos, parecem ser um material adequado. Se assumirmos a sua adequação para a fabricação de um cabo, então a criação de um elevador espacial é um problema de engenharia solucionável, embora exija o uso de desenvolvimentos avançados e. A NASA já está a financiar desenvolvimentos relacionados no Instituto Americano de Investigação Científica, incluindo o desenvolvimento de um elevador capaz de se mover de forma independente ao longo de um cabo. Presumivelmente, este método no futuro poderá ser muito mais barato do que usar veículos lançadores.

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Legendas

Projeto

A tecnologia para tecer essas fibras ainda está em seus primórdios.

De acordo com alguns cientistas, mesmo os nanotubos de carbono nunca serão fortes o suficiente para fabricar um cabo de elevador espacial.

Em junho de 2013, engenheiros da Universidade de Columbia, nos EUA, relataram um novo avanço: graças a uma nova tecnologia de produção de grafeno, é possível obter folhas com diagonal de várias dezenas de centímetros e resistência apenas 10% menor que a teórica.

Engrossando o cabo

O elevador espacial deve suportar pelo menos o seu próprio peso, que é considerável devido ao comprimento do cabo. O espessamento, por um lado, aumenta a resistência do cabo, por outro, aumenta o seu peso e, portanto, a resistência necessária. A carga sobre ele irá variar em diferentes locais: em alguns casos, uma seção do cabo deve suportar o peso dos segmentos localizados abaixo, em outros deve suportar a força centrífuga que mantém as partes superiores do cabo em órbita. Para satisfazer esta condição e conseguir a optimização do cabo em cada ponto, a sua espessura será variável.

A (r) = A 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] (\displaystyle A(r)=A_(0 )\ \exp \left[(\frac (\rho )(s))\left[(\begin(matriz)(\frac (1)(2))\end(matriz))\omega ^(2)( r_(0)^(2)-r^(2))+g_(0)r_(0)(1-(\frac (r_(0))(r)))\direita]\direita])

Aqui UMA (r) (\estilo de exibição A(r))- área da seção transversal do cabo em função da distância r (\estilo de exibição r) de Centro Terra.

A fórmula usa as seguintes constantes:

Assim, a relação entre as áreas da seção transversal do cabo na base e no GSO ( R= 42.164 km) é: A (r G E O) A 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4, 832 × 10 7 m 2 s 2 ] (\displaystyle (\frac (A(r_(\mathrm (GEO) )))(A_(0)) )=\exp \left[(\frac (\rho )(s))\vezes 4,832\vezes 10^(7)\,\mathrm (\frac (m^(2))(s^(2))) \certo])

Substituindo aqui a densidade e a resistência de vários materiais e diferentes diâmetros de cabos no nível do solo, obtemos uma tabela de diâmetros de cabos no nível GSO. Deve-se levar em consideração que o cálculo foi realizado sob a condição de que o elevador ficasse “sozinho”, sem carga - uma vez que o material do cabo já está sofrendo tensão pelo próprio peso (e essas cargas estão próximas do máximo permitido para este material).

O diâmetro do cabo no GSO, dependendo do seu diâmetro ao nível do solo,
para vários materiais (calculado usando a fórmula mais recente), m

Material	Densidade ρ (\ displaystyle \ rho ), kg÷m 3	Resistência à tracção s (\estilo de exibição s), pai	Diâmetro do cabo ao nível do solo
Material	Densidade ρ (\ displaystyle \ rho ), kg÷m 3	Resistência à tracção s (\estilo de exibição s), pai	1mm	1 cm	10 centímetros	1m
Aço St3 laminado a quente	7760	0,37 10 9	1,31 10 437	1,31 10 438	1,31 10 439	1,31 10 440
Aço de alta liga 30KhGSA	7780	1,4 10 9	4,14 10 113	4,14 10 114	4,14 10 115	4,14 10 116
Rede	1000	2,5 10 9	0,248 10 6	2,48 10 6	24,8 10 6	248 10 6
Fibra de carbono moderna	1900	4 10 9	9.269 10 6	92,69 10 6	926,9 10 6	9269 10 6
Nanotubos de carbono	1900	90 10 9	2,773·10 -3	2,773·10 -2	2,773·10 -1	2.773

Assim, não é realista construir um elevador com aços estruturais modernos. A única saída é procurar materiais com densidades mais baixas e/ou resistências muito elevadas.

Por exemplo, a tabela inclui teias de aranha (seda de aranha). Existem vários projetos exóticos para a produção de teias em “fazendas de aranhas”. Recentemente, houve relatos de que, com a ajuda da engenharia genética, foi possível introduzir um gene de aranha que codifica uma proteína de teia de aranha no corpo de uma cabra. Agora, o leite de uma cabra geneticamente modificada contém proteína de aranha. Ainda não se sabe se é possível obter a partir dessa proteína um material que se assemelhe a uma teia de aranha em suas propriedades. Mas, segundo a imprensa, tais desenvolvimentos estão em curso

Outra direção promissora é a fibra de carbono e os nanotubos de carbono. A fibra de carbono é usada com sucesso na indústria hoje. Os nanotubos são cerca de 20 vezes mais resistentes, mas a tecnologia para produção desse material ainda não saiu do laboratório. A tabela foi construída partindo do pressuposto de que a densidade de um cabo feito de nanotubos é igual à de fibra de carbono.

Listadas abaixo estão várias maneiras mais exóticas de construir um elevador espacial:

Contrapeso

Um contrapeso pode ser criado de duas maneiras - amarrando um objeto pesado (por exemplo, um asteróide, um assentamento espacial ou uma doca espacial) além da órbita geoestacionária, ou estendendo a própria corda por uma distância significativa além da órbita geoestacionária. A segunda opção é interessante porque é mais fácil lançar cargas para outros planetas a partir da ponta do cabo alongado, já que possui uma velocidade significativa em relação à Terra.

Momento Angular, Velocidade e Inclinação

A velocidade horizontal de cada seção do cabo aumenta com a altura em proporção à distância ao centro da Terra, atingindo a primeira velocidade cósmica na órbita geoestacionária. Portanto, ao levantar uma carga, ela precisa ganhar momento angular adicional (velocidade horizontal).

Ao mesmo tempo, a influência da força centrífuga força o cabo a retornar a uma posição vertical energeticamente favorável [ ], de modo que estará em um estado de equilíbrio estável. Se o centro de gravidade do elevador estiver sempre acima da órbita geoestacionária, independente da velocidade dos elevadores, ele não cairá.

No momento em que a carga atinge a órbita geoestacionária (GSO), seu momento angular é suficiente para lançar a carga em órbita. Se a carga não for liberada do cabo, então, parando verticalmente no nível GSO, ela estará em um estado de equilíbrio instável e, com um empurrão infinitesimal para baixo, deixará o GSO e começará a cair na Terra com vertical aceleração, enquanto desacelera na direção horizontal. A perda de energia cinética da componente horizontal durante a descida será transferida através do cabo para o momento angular de rotação da Terra, acelerando sua rotação. Ao ser empurrada para cima, a carga também sairá do GSO, mas no sentido oposto, ou seja, começará a subir ao longo do cabo com aceleração da Terra, atingindo a velocidade final na extremidade do cabo. Como a velocidade final depende do comprimento do cabo, o seu valor pode assim ser definido arbitrariamente. Ressalta-se que a aceleração e o aumento da energia cinética da carga durante o levantamento, ou seja, seu desenrolamento em espiral, ocorrerão devido à rotação da Terra, que diminuirá a velocidade. Esse processo é totalmente reversível, ou seja, se você colocar uma carga na ponta do cabo e começar a baixá-lo, comprimindo-o em espiral, o momento angular de rotação da Terra aumentará proporcionalmente.

Ao baixar a carga ocorrerá o processo inverso, inclinando o cabo para leste.

Lançar no espaço

Na ponta do cabo, a 144 mil km de altitude, a componente tangencial da velocidade será de 10,93 km/s, o que é mais que suficiente para sair do campo gravitacional terrestre e lançar naves até Saturno. Se o objeto deslizasse livremente ao longo do topo da corda, ele teria velocidade suficiente para escapar do sistema solar. Isso acontecerá devido à transição do momento angular total do cabo (e da Terra) para a velocidade do objeto lançado.

Para atingir velocidades ainda maiores, você pode alongar o cabo ou acelerar a carga usando eletromagnetismo.

Em outros planetas

Um elevador espacial pode ser construído em outros planetas. Além disso, quanto menor a gravidade do planeta e quanto mais rápido ele gira, mais fácil é a construção.

Também é possível estender um elevador espacial entre dois corpos celestes que orbitam um ao outro e se enfrentam constantemente (por exemplo, entre Plutão e Caronte ou entre os componentes do asteróide duplo (90) Antíope. No entanto, como suas órbitas não são um círculo exato, será necessário um dispositivo para alterar constantemente o comprimento de tal elevador. Nesse caso, o elevador pode ser usado não apenas para transportar carga para o espaço, mas também para “viagens interplanetárias”.

Construção

A construção é realizada a partir de uma estação geoestacionária. Uma extremidade desce à superfície da Terra, esticada pela força da gravidade. A outra, para balanceamento, fica no sentido oposto, sendo puxada pela força centrífuga. Isto significa que todos os materiais para construção devem ser entregues à órbita geoestacionária da forma tradicional. Ou seja, o custo de entrega de todo o elevador espacial à órbita geoestacionária é o preço mínimo do projeto.

Economia com o uso de um elevador espacial

Presumivelmente, o elevador espacial reduzirá bastante o custo de envio de carga ao espaço. Os elevadores espaciais são caros de construir, mas seus custos operacionais são baixos, por isso são mais bem utilizados durante longos períodos de tempo para volumes muito grandes de carga. Atualmente, o mercado de lançamento de cargas não é grande o suficiente para justificar a construção de um elevador, mas a forte redução do preço deverá levar a uma expansão do mercado.

Ainda não há resposta para a questão de saber se o elevador espacial devolverá o dinheiro investido nele ou se seria melhor investi-lo no desenvolvimento da tecnologia de foguetes.

Porém, o elevador pode ser um projeto híbrido e, além da função de colocar cargas em órbita, permanecer como base para outras pesquisas e programas comerciais não relacionados ao transporte.

Conquistas

Na competição de levantamento, o robô deve percorrer uma distância determinada, subindo um cabo vertical a uma velocidade não inferior à estabelecida pelas regras (na competição de 2007, os padrões eram os seguintes: comprimento do cabo - 100 m, velocidade mínima - 2 m/s, cuja velocidade deve ser alcançada é de 10 m/s). O melhor resultado em 2007 foi percorrer uma distância de 100 m com velocidade média de 1,8 m/s.

O fundo total de prêmios para a competição Space Elevator Games em 2009 foi de US$ 4 milhões.

A competição não inclui o Liftport Group, que ganhou notoriedade por suas reivindicações de lançamento de um elevador espacial em 2018 (posteriormente adiado para 2031). A Liftport conduz seus próprios experimentos, por exemplo, em 2006, um elevador robótico subiu em uma corda forte esticada com balões. Em um quilômetro e meio, o elevador conseguiu percorrer apenas 460 metros. Em agosto-setembro de 2012, a empresa lançou um projeto para arrecadar fundos para novos experimentos com o elevador no site Kickstarter. Dependendo do valor arrecadado, está previsto levantar o robô 2 ou mais quilômetros.

O Grupo LiftPort também anunciou a sua disponibilidade para construir um elevador espacial experimental na Lua, baseado nas tecnologias existentes. O presidente da empresa, Michael Lane, diz que pode levar oito anos para construir esse elevador. A atenção ao projeto forçou a empresa a estabelecer uma nova meta – preparar o projeto e arrecadar fundos adicionais para iniciar um estudo de viabilidade do chamado “elevador lunar”. Segundo Lane, a construção desse elevador levará um ano e custará US$ 3 milhões. Especialistas da NASA já chamaram a atenção para o projeto LiftGroup. Michael Lane colaborou com a Agência Espacial dos EUA em um projeto de elevador espacial.

Projetos semelhantes

O elevador espacial não é o único projeto que utiliza amarras para lançar satélites em órbita. Um desses projetos é Orbital Skyhook (gancho orbital). Skyhook usa uma corda que não é muito longa em comparação com um elevador espacial, que está em órbita baixa da Terra e gira rapidamente em torno de sua parte central. Devido a isso, uma extremidade do cabo se move em relação à Terra a uma velocidade relativamente baixa e cargas de aeronaves hipersônicas podem ser suspensas nela. Ao mesmo tempo, o design do Skyhook funciona como um volante gigante - um acumulador de torque e energia cinética. A vantagem do projeto Skyhook é a sua viabilidade utilizando tecnologias existentes. A desvantagem é que o Skyhook usa a energia de seu movimento para lançar satélites, e essa energia precisará ser reabastecida de alguma forma.

Projeto Rede Estratosfera de Arranha-céus. O projeto é uma rede de elevadores orbitais, unidos em hexágonos, cobrindo todo o planeta. Na passagem para as próximas etapas da construção, os suportes são retirados e a estrutura da rede de elevadores é utilizada para construir sobre ela um assentamento estratosférico. O projeto prevê diversas áreas de habitat.

Elevador espacial em diversas obras

O livro Friday, de Robert Heinlein, usa um elevador espacial chamado "pé de feijão"
No filme da URSS de 1972, Petka in Space, o personagem principal inventa um elevador espacial.
Uma das famosas obras de Arthur Clarke, As Fontes do Paraíso, baseia-se na ideia de um elevador espacial. Além disso, o elevador espacial aparece na parte final de sua famosa tetralogia, Uma Odisséia no Espaço (3001: A Última Odisséia).
No episódio 3.19 de Star Trek: Voyager, "Rise", um elevador espacial ajuda a tripulação a escapar de um planeta com uma atmosfera perigosa.
Civilization IV tem um elevador espacial. Lá está ele um dos posteriores “Grandes Milagres”.
O romance de ficção científica de Timothy Zahn, “Silkworm” (“Spinneret”, 1985), menciona um planeta capaz de produzir superfibra. Uma das raças, interessada no planeta, queria obter essa fibra especificamente para a construção de um elevador espacial.
No romance de ficção científica de Frank Schätzing, Limit, um elevador espacial atua como um ponto central de intriga política em um futuro próximo.
Na dilogia “Estrelas - Brinquedos Frios” de Sergei Lukyanenko, uma das civilizações extraterrestres, no processo de comércio interestelar, entregou à Terra fios superfortes que poderiam ser usados para construir um elevador espacial. Mas as civilizações extraterrestres insistiram exclusivamente em usá-los para o propósito pretendido - para ajudar durante o parto.
No romance de ficção científica de J. Scalzi “Doomed to Victory” (eng. Scalzi, John. Old Man's War), sistemas de elevadores espaciais são usados ativamente na Terra, numerosas colônias terrestres e alguns planetas de outras raças inteligentes altamente desenvolvidas para comunicação com os ancoradouros de naves interestelares.
No romance de ficção científica “Tomorrow Will Be Eternity”, de Alexander Gromov, o enredo é construído em torno da existência de um elevador espacial. Existem dois dispositivos - uma fonte e um receptor, que, por meio de um “feixe de energia”, são capazes de colocar a “cabine” do elevador em órbita.
O romance de ficção científica de Alastair Reynolds, "Abyss City", fornece uma descrição detalhada da estrutura e funcionamento do elevador espacial e descreve o processo de sua destruição (como resultado de um ataque terrorista).
O romance de ficção científica de Terry Pratchett, Strata, apresenta a Linha, uma molécula artificial extremamente longa usada como elevador espacial.
No romance de ficção científica de Graham McNeill, Mechanicum, os elevadores espaciais estão presentes em Marte e são chamados de Torres Tsiolkovsky
Mencionado na música do grupo Zvuki Mu “Elevator to Heaven”.
Bem no início do jogo Sonic Colors, Sonic e Tails podem ser vistos pegando o elevador espacial para chegar ao Parque do Dr.
No livro “Somnambulist 2” de Alexander Zorich da série Ethnogenesis, o personagem principal Matvey Gumilyov (depois de plantar uma personalidade substituta - Maxim Verkhovtsev, o piloto pessoal do camarada Alpha, o chefe dos “Star Fighters”) viaja em um elevador orbital.
Na história “A Serpente”, do escritor de ficção científica Alexander Gromov, os heróis usam um elevador espacial “no caminho” da Lua para a Terra.
Na série de romances de ficção científica

Hoje, as naves espaciais exploram a Lua, o Sol, planetas e asteróides, cometas e o espaço interplanetário. Mas os foguetes alimentados quimicamente ainda são um meio caro e de baixo consumo de energia para impulsionar cargas além da gravidade da Terra. A moderna tecnologia de foguetes praticamente atingiu o limite das capacidades estabelecidas pela natureza das reações químicas. A humanidade chegou a um beco sem saída tecnológico? De forma alguma, se você olhar para a antiga ideia de um elevador espacial.

Nas origens

A primeira pessoa a pensar seriamente em como superar a gravidade do planeta usando “pull-up” foi um dos desenvolvedores de veículos a jato, Felix Zander. Ao contrário do sonhador e inventor Barão Munchausen, Zander propôs uma opção com base científica para um elevador espacial para a Lua. Há um ponto no caminho entre a Lua e a Terra em que as forças gravitacionais desses corpos se equilibram. Está localizado a uma distância de 60.000 km da Lua. Mais perto da Lua, a gravidade lunar será mais forte que a da Terra, e mais longe será mais fraca. Portanto, se você conectar a Lua com um cabo a algum asteroide que resta, digamos, a uma distância de 70.000 km da Lua, somente o cabo impedirá que o asteroide caia na Terra. O cabo será constantemente esticado pela força da gravidade e ao longo dele será possível subir da superfície da Lua além dos limites da gravidade lunar. Do ponto de vista científico, esta é uma ideia completamente correta. Ele não recebeu imediatamente a atenção que merecia apenas porque na época de Zander simplesmente não havia materiais nos quais o cabo não se rompesse sob seu próprio peso.

“Em 1951, o professor Buckminster Fuller desenvolveu uma ponte circular flutuante em torno do equador da Terra. Tudo o que é necessário para tornar esta ideia realidade é um elevador espacial. E quando teremos isso? Não gostaria de adivinhar, então adaptarei uma resposta que Arthur Kantrowitz deu quando alguém lhe fez uma pergunta sobre seu sistema de lançamento de laser. O elevador espacial será construído 50 anos depois que as pessoas pararem de rir da ideia.” (“Elevador espacial: experimento mental ou chave para o Universo?”, discurso no XXX Congresso Internacional de Astronáutica, Munique, 20 de setembro de 1979.)

Primeiras ideias

Os primeiros sucessos da astronáutica despertaram novamente a imaginação dos entusiastas. Em 1960, um jovem engenheiro soviético, Yuri Artsutanov, chamou a atenção para uma característica interessante dos chamados satélites geoestacionários (GSS). Esses satélites estão em uma órbita circular exatamente no plano do equador terrestre e têm um período orbital igual à duração do dia terrestre. Portanto, um satélite geoestacionário paira constantemente sobre o mesmo ponto do equador. Artsutanov propôs conectar o GSS com um cabo a um ponto localizado abaixo dele no equador terrestre. O cabo ficará imóvel em relação à Terra e ao longo dele surge a ideia de lançar uma cabine de elevador ao espaço. Esta ideia brilhante capturou muitas mentes. O famoso escritor Arthur C. Clarke chegou a escrever um romance de ficção científica, As Fontes do Paraíso, em que toda a trama está ligada à construção de um elevador espacial.

Problemas de elevador

Hoje, a ideia de um elevador espacial no GSS já está sendo implementada nos EUA e no Japão, e até competições estão sendo organizadas entre os desenvolvedores dessa ideia. Os principais esforços dos projetistas visam encontrar materiais com os quais seja possível fazer um cabo de 40 mil km de comprimento, capaz de suportar não só o seu próprio peso, mas também o peso de outras partes estruturais. É ótimo que uma substância adequada para o cabo já tenha sido inventada. Estes são nanotubos de carbono. Sua resistência é várias vezes maior do que a necessária para um elevador espacial, mas ainda precisamos aprender como fazer uma rosca sem defeitos a partir de tubos com dezenas de milhares de quilômetros de comprimento. Não há dúvida de que tal problema técnico será resolvido mais cedo ou mais tarde.

Da Terra à órbita baixa da Terra, a carga é entregue por foguetes tradicionais de combustível químico. A partir daí, os rebocadores orbitais lançam a carga na “plataforma elevadora inferior”, que está firmemente ancorada por um cabo preso à Lua. Um elevador entrega carga à Lua. Devido à ausência da necessidade de frenagem (e dos próprios foguetes) no último estágio e durante a subida da Lua, são possíveis economias de custos significativas. Mas, diferentemente da descrita no artigo, essa configuração praticamente repete a ideia de Zander e não resolve o problema de retirar a carga útil da Terra, preservando a tecnologia dos foguetes para esta etapa.

A segunda e também séria tarefa no caminho para a construção de um elevador espacial é desenvolver um motor para o elevador e um sistema para seu fornecimento de energia. Afinal, a cabine deve subir 40 mil km sem reabastecer até o final da subida! Ninguém ainda descobriu como conseguir isso.

Equilíbrio instável

Mas a maior dificuldade, até mesmo intransponível, de um elevador para um satélite geoestacionário está associada às leis da mecânica celeste. O GSS está em sua órbita maravilhosa apenas devido ao equilíbrio da gravidade e da força centrífuga. Qualquer violação deste equilíbrio faz com que o satélite mude de órbita e saia do seu “ponto de apoio”. Mesmo pequenas heterogeneidades no campo gravitacional da Terra, as forças das marés do Sol e da Lua e a pressão da luz solar levam ao fato de que os satélites em órbita geoestacionária estão constantemente à deriva. Não há a menor dúvida de que, sob o peso do sistema elevador, o satélite não conseguirá permanecer em órbita geoestacionária e cairá. Existe, no entanto, a ilusão de que é possível estender a corda muito além da órbita geoestacionária e colocar um contrapeso maciço na sua extremidade. À primeira vista, a força centrífuga que atua sobre o contrapeso acoplado apertará o cabo de modo que a carga adicional da cabine que se move ao longo dele não será capaz de alterar a posição do contrapeso e o elevador permanecerá na posição de trabalho. Isso seria verdade se, em vez de um cabo flexível, fosse utilizada uma haste rígida e inflexível: então a energia da rotação da Terra seria transmitida através da haste para a cabine, e seu movimento não levaria ao aparecimento de uma força lateral isso não é compensado pela tensão do cabo. E esta força irá inevitavelmente perturbar a estabilidade dinâmica do elevador próximo da Terra, e ele entrará em colapso!

Parque Celestial

Felizmente para os terráqueos, a natureza tem uma solução maravilhosa reservada para nós - a Lua. A Lua não só é tão massiva que nenhum elevador pode movê-la, mas também está em uma órbita quase circular e ao mesmo tempo está sempre voltada para a Terra com um lado! A ideia simplesmente surge por si mesma - esticar um elevador entre a Terra e a Lua, mas fixar o cabo do elevador com apenas uma extremidade, na Lua. A segunda extremidade do cabo pode ser baixada quase até a própria Terra, e a força da gravidade a puxará como uma corda ao longo da linha que conecta os centros de massa da Terra e da Lua. A extremidade livre não deve atingir a superfície da Terra. Nosso planeta gira em torno de seu eixo, por isso a ponta do cabo terá uma velocidade de cerca de 400 m por segundo em relação à superfície terrestre, ou seja, se moverá na atmosfera a uma velocidade superior à velocidade do som. Nenhuma estrutura pode suportar tamanha resistência do ar. Mas se você abaixar a cabine do elevador a uma altura de 30-50 km, onde o ar é bastante rarefeito, sua resistência pode ser desprezada. A velocidade da cabine permanecerá em cerca de 0,4 km/s, e essa velocidade é facilmente alcançada pelos modernos estratoplanos de alta altitude. Voando até a cabine do elevador e atracando com ela (essa técnica de acoplagem tem sido desenvolvida há muito tempo tanto na construção de aeronaves para reabastecimento em vôo quanto em espaçonaves), você pode mover a carga da lateral do estratoplano para a cabine ou de volta . Depois disso, a cabine do elevador iniciará sua subida à Lua e o estratoplano retornará à Terra. A propósito, a carga entregue da Lua pode simplesmente ser largada da cabine de paraquedas e recolhida sã e salva no solo ou no oceano.

Evitando colisões

Um elevador conectando a Terra e a Lua deve resolver outro problema importante. No espaço próximo à Terra há um grande número de espaçonaves em funcionamento e vários milhares de satélites inativos, seus fragmentos e outros detritos espaciais. Uma colisão entre o elevador e qualquer um deles causaria a ruptura do cabo. Para evitar este problema, propõe-se tornar a parte “inferior” do cabo, com 60.000 km de comprimento, elevável e retirá-lo da zona de movimento dos satélites terrestres quando aí não for necessário. O monitoramento das posições dos corpos no espaço próximo à Terra é bastante capaz de prever os períodos em que o movimento de um carro de elevador nesta área será seguro.

Guincho para elevador espacial

O elevador espacial para a Lua tem um problema sério. As cabines dos elevadores convencionais se movem a uma velocidade não superior a alguns metros por segundo e, nessa velocidade, mesmo uma subida a uma altura de 100 km (até o limite inferior do espaço) deve levar mais de um dia. Mesmo que você se mova na velocidade máxima dos trens ferroviários de 200 km/h, a viagem até a Lua levará quase três meses. É improvável que um elevador capaz de fazer apenas dois vôos à Lua por ano seja procurado.

Se você cobrir o cabo com uma película supercondutora, será possível mover-se ao longo do cabo sobre uma almofada magnética sem contato com seu material. Neste caso, será possível acelerar até a metade e frear a cabine até a metade.

Um cálculo simples mostra que com um valor de aceleração de 1 g (equivalente à gravidade usual na Terra), toda a viagem até a Lua levará apenas 3,5 horas, ou seja, a cabine poderá fazer três vôos à Lua a cada dia. Os cientistas estão trabalhando ativamente na criação de supercondutores que operam em temperatura ambiente, e seu aparecimento pode ser esperado em um futuro próximo.

Para jogar fora o lixo

É interessante notar que no meio do percurso a velocidade da cabine chegará a 60 km/s. Se, após a aceleração, a carga útil for desenganchada da cabine, então, a essa velocidade, ela poderá ser direcionada para qualquer ponto do sistema solar, para qualquer um, até mesmo o planeta mais distante. Isso significa que o elevador para a Lua será capaz de fornecer vôos sem foguetes da Terra dentro do Sistema Solar.

E a possibilidade de lançar resíduos nocivos da Terra para o Sol por meio de um elevador será completamente exótica. Nossa estrela nativa é uma fornalha nuclear com tal potência que qualquer resíduo, mesmo radioativo, queimará sem deixar vestígios. Assim, um elevador completo para a Lua pode não só tornar-se a base para a expansão espacial da humanidade, mas também um meio de limpar o nosso planeta do desperdício do progresso técnico.