Jak działa kosmiczna winda

Nauka o kosmicznych windach

Giphy

Winda kosmiczna to proponowany system transportu łączący powierzchnię Ziemi z kosmosem. Winda pozwoliłaby pojazdom podróżować na orbitę lub przestrzeń kosmiczną bez użycia rakiety . Chociaż podróż windą nie byłaby szybsza niż podróż rakietą, byłaby znacznie tańsza i mogłaby być wykorzystywana w sposób ciągły do ​​transportu ładunku i prawdopodobnie pasażerów.

Konstantin Tsiołkowski po raz pierwszy opisał windę kosmiczną w 1895 roku. Tsiołkowski zaproponował zbudowanie wieży od powierzchni do orbity geostacjonarnej, zasadniczo tworząc niewiarygodnie wysoki budynek. Problem z jego pomysłem polegał na tym, że konstrukcja zostanie zmiażdżona przez wszystkich waga ponad tym. Nowoczesne koncepcje wind kosmicznych opierają się na innej zasadzie — napięciu. Winda zostałaby zbudowana przy użyciu kabla przymocowanego z jednej strony do powierzchni Ziemi, a z drugiej do masywnej przeciwwagi, powyżej orbity geostacjonarnej (35 786 km). Powaga pociągnąłby kabel w dół, podczas gdy siła odśrodkowa z orbitującej przeciwwagi ciągnąłby się w górę. Przeciwstawne siły zmniejszyłyby obciążenie windy w porównaniu z budowaniem wieży w kosmos.

Podczas gdy normalna winda używa ruchomych kabli do ciągnięcia platformy w górę i w dół, winda kosmiczna opierałaby się na urządzeniach zwanych gąsienicami, wspinaczami lub podnośnikami, które poruszają się po stacjonarnym kablu lub wstążce. Innymi słowy, winda poruszałaby się po kablu. Wielu wspinaczy musiałoby podróżować w obu kierunkach, aby zrównoważyć wibracje spowodowane siłą Coriolisa oddziałującą na ich ruch.

Części windy kosmicznej

Konfiguracja windy wyglądałaby mniej więcej tak: masywna stacja, przechwycona asteroida lub grupa wspinaczy byłaby umieszczona wyżej niż orbita geostacjonarna. Ponieważ naprężenie kabla byłoby największe w pozycji orbitalnej, kabel byłby tam najgrubszy, zwężając się ku powierzchni Ziemi. Najprawdopodobniej kabel zostałby rozłożony z kosmosu lub skonstruowany w wielu sekcjach, schodząc na Ziemię. Wspinacze poruszali się w górę iw dół po linie na rolkach, utrzymywanych w miejscu przez tarcie. Energia może być dostarczana przez istniejącą technologię, taką jak bezprzewodowy transfer energii, energia słoneczna i/lub zmagazynowana energia jądrowa. Punktem połączenia na powierzchni może być mobilna platforma na oceanie, zapewniająca bezpieczeństwo windy i elastyczność w omijaniu przeszkód.

Podróż windą kosmiczną nie byłaby szybka! Czas podróży z jednego końca na drugi wynosiłby od kilku dni do miesiąca. Aby zobrazować odległość, gdyby wspinacz poruszał się z prędkością 300 km/h (190 mph), osiągnięcie orbity geosynchronicznej zajęłoby pięć dni. Ponieważ wspinacze muszą współpracować z innymi, aby kabel był stabilny, prawdopodobnie postęp byłby znacznie wolniejszy.

Wyzwania do pokonania

Największą przeszkodą w budowie wind kosmicznych jest brak odpowiednio wysokiego materiału wytrzymałość na rozciąganie oraz elastyczność i wystarczająco niski gęstość do budowy kabla lub wstążki. Do tej pory najmocniejszymi materiałami na kabel byłyby nanowątki diamentowe (po raz pierwszy zsyntetyzowane w 2014 r.) lub nanorurki węglowe . Materiały te nie zostały jeszcze zsyntetyzowane w wystarczającym stosunku długości lub wytrzymałości na rozciąganie do gęstości. The kowalencyjne wiązania chemiczne łączenie atomów węgla w nanorurkach węglowych lub diamentowych może wytrzymać tylko tak duże naprężenia przed rozpięciem lub rozerwaniem. Naukowcy obliczyli naprężenie, jakie mogą wytrzymać wiązania, potwierdzając, że chociaż pewnego dnia możliwe będzie skonstruowanie wstęgi wystarczająco długiej, aby rozciągać się od Ziemi do orbity geostacjonarnej, nie będzie ona w stanie wytrzymać dodatkowego obciążenia ze strony środowiska, wibracji i wspinacze.

Wibracje i chybotanie to poważny problem. Kabel byłby podatny na nacisk ze strony wiatr słoneczny , harmoniczne (tj. jak naprawdę długa struna skrzypiec), uderzenia piorunów i chybotanie siły Coriolisa. Jednym z rozwiązań byłoby kontrolowanie ruchu gąsienic, aby zrekompensować niektóre efekty.

Innym problemem jest to, że przestrzeń między orbitą geostacjonarną a powierzchnią Ziemi jest zaśmiecona kosmicznym śmieciem i gruzem. Rozwiązania obejmują oczyszczenie przestrzeni w pobliżu Ziemi lub umożliwienie orbitalnej przeciwwagi w stanie omijać przeszkody.

Inne problemy obejmują korozję, uderzenia mikrometeorytów i skutki pasów radiacyjnych Van Allena (problem zarówno dla materiałów, jak i organizmów).

Skala wyzwań w połączeniu z rozwojem rakiet wielokrotnego użytku, takich jak te opracowane przez SpaceX, zmniejszyła zainteresowanie windami kosmicznymi, ale to nie znaczy, że pomysł na windy jest martwy.

Kosmiczne windy są nie tylko dla Ziemi

Odpowiedni materiał na kosmiczną windę na Ziemi nie został jeszcze opracowany, ale istniejące materiały są wystarczająco mocne, aby wesprzeć kosmiczną windę na Księżycu, innych księżycach, Marsie lub asteroidach.Mars maokoło jednej trzeciej grawitacji Ziemi, ale obraca się z mniej więcej taką samą prędkością, więc marsjańska winda kosmiczna byłaby znacznie krótsza niż ta zbudowana na Ziemi. Winda na Marsie musiałaby zająć się niską orbitąksiężyc Fobos, który regularnie przecina równik marsjański. Z drugiej strony komplikacją dla windy księżycowej jest to, że Księżyc nie obraca się wystarczająco szybko, aby zaoferować nieruchomy punkt orbity. Jednakże,punkty Lagrange'amoże być używany zamiast tego. Nawet jeśli winda księżycowa miałaby 50 000 km długości po bliższej stronie Księżyca, a nawet dłuższa po jego drugiej stronie, mniejsza grawitacja umożliwia budowę. Winda marsjańska mogłaby zapewnić ciągły transport poza studnię grawitacyjną planety, podczas gdy winda księżycowa mogłaby być wykorzystywana do przesyłania materiałów z Księżyca do miejsca łatwo osiągalnego przez Ziemię.

Kiedy powstanie kosmiczna winda?

Wiele firm zaproponowało plany dotyczące wind kosmicznych. Studia wykonalności wskazują, że winda nie zostanie zbudowana, dopóki (a) nie zostanie odkryty materiał, który może podtrzymać napięcie windy na Ziemi lub (b) nie będzie potrzeby windy na Księżycu lub Marsie. Chociaż jest prawdopodobne, że warunki zostaną spełnione w XXI wieku, dodanie przejażdżki windą kosmiczną do listy wiader może być przedwczesne.

rekomendowane lektury

• Landis, Geoffrey A. i Cafarelli, Craig (1999). Przedstawiony jako referat IAF-95-V.4.07, 46th International Astronautics Federation Congress, Oslo, Norwegia, 2-6 października 1995. „The Tsiolkovski Tower Reexamined”. Dziennik Brytyjskiego Towarzystwa Międzyplanetarnego . 52 : 175–180.
• Cohen, Stephen S.; Misra, Arun K. (2009). „Wpływ tranzytu wspinacza na dynamikę windy kosmicznej”. Akt astronautyczny . 64 (5-6): 538-553.
• Fitzgerald, M., Swan, P., Penny, R. Swan, C. Space Elevator Architectures and Roadmaps, Lulu.com Publishers 2015