Winda kosmiczna
Z Wikipedii
Winda kosmiczna jest jednym z pomysłów na ułatwienie i zmniejszenie kosztów lotów w kosmos. Polega na połączeniu satelity z Ziemią za pomocą wystarczająco długiej liny. W literaturze nazywana jest również satelitą na uwięzi.
Konstrukcja taka umożliwiałaby wjeżdżanie pojazdów w kosmos po tej linie, za cenę wielokrotnie niższą niż przy użyciu rakiet. Jej zrealizowanie jest jednak wielkim wyzwaniem inżynieryjnym. W szczególności wymaga liny, która byłaby niezwykle wytrzymała, lekka i miała długość co najmniej 36 tysięcy kilometrów. W obecnej chwili jej wykonanie leży poza możliwościami technicznymi ludzkości. Optymiści twierdzą jednak, że można oczekiwać pojawienia się odpowiednich technologii przed 2010 rokiem i zbudowania pierwszej działającej windy przed 2020.
Spis treści |
[edytuj] Konstrukcja
Istnieje wiele projektów konstrukcji windy kosmicznej. Znaczna większość z nich zawiera jako najistotniejsze elementy podstawę, linę, wspinacze i przeciwwagę.
[edytuj] Podstawa
Satelita musi znajdować się dalej od Ziemi niż orbita geostacjonarna, która znajduje się w odległości 35 818 km od powierzchni Ziemi, tak by siła odśrodkowa wystarczyła do utrzymania całości (satelita, lina, wspinający się pojazd oraz choćby niewielkie zakotwiczenie na Ziemi). Punkt zaczepienia musi znajdować się na równiku, by uniknąć stałego naciągania liny w kierunku równika. Tam też należy umieścić większość infrastruktury niezbędnej do obsługiwania windy. Projektanci podstawy zasadniczo rozważają dwa jej typy: mobilną i stacjonarną. Mobilne podstawy na ogół są projektowane jako wielkie pływające konstrukcje. Stacjonarne podstawy to zwykle budowle umieszczone na dużych wysokościach nad poziomem morza.
Przewagą konstrukcji pływających jest ich zdolność do unikania największych burz i huraganów. Ponadto dają większą swobodę w wyborze miejsca dla windy. Z drugiej strony konstrukcje naziemne mają łatwiejszy dostęp do materiałów i energii oraz wymagają nieco krótszej liny. Różnica długości jest co prawda minimalna (na ogół nie więcej niż kilka kilometrów), ale wpływa na wymaganą grubość liny, co istotnie zmniejsza jej całkowitą masę. W bardziej ambitnej wersji windy naziemna konstrukcja byłaby wystarczająco duża, żeby osłonić windę przed warunkami atmosferycznymi.
[edytuj] Lina
Lina łącząca satelitę z podstawą musi być wykonana z materiału o gigantycznej wytrzymałości na rozciąganie i możliwie małej gęstości. Aby zrównoważyć naprężenia, grubość liny powinna powoli rosnąć wraz z wysokością, i osiągać maksimum na wysokości orbity geostacjonarnej. Aby koszty całej windy były akceptowalne, grubość nie może wzrosnąć zbyt wiele razy. Oznacza to, że potrzebny jest tani materiał o współczynniku wytrzymałości na rozciąganie (wyrażonej w paskalach) przez gęstość (wyrażoną w kg/m³) rzędu 30-50 [MJ/kg], co oznaczałoby konieczność wzrostu średnicy 2-3 razy. Dla współczynnika wynoszącego 10 [MJ/kg] potrzebne byłoby już kilkunastokrotne zwiększenie średnicy.
Dla porównania: dla najlepszej stali współczynnik ten wynosi poniżej 1 MJ/kg, dla Kevlaru do 2 [MJ/kg], natomiast dla włókna wykonanego z czystego diamentu wyniósłby około 6-8 [MJ/kg].
Nanorurki węglowe są obecnie jednymi z najwytrzymalszych znanych materiałów i teoretycznie mogłyby spełnić stawiane tu wymagania. W obecnej chwili nie ma jednak jeszcze technologii wytwarzania ich w wystarczająco dużych ilościach i w żądanej postaci. Teoretyczne obliczenia wskazują na możliwość osiągnięcia powyżej 100 [MJ/kg], ale najwyższy do tej pory zmierzony wynik to 63Gpa, czyli kilkanaście [MJ/kg]. Wynik ten został uzyskany dla nanorurek wielowarstwowych (multi-walled nanotubes), które choć mają większą wytrzymałość niż jednowarstwowe (single-walled), to w przeliczeniu na gęstość są gorszym materiałem. Obecnie prowadzone są intensywne badania nad uzyskiwaniem dłuższych i czystszych nanorurek, oraz nad łączeniem ich w wytrzymałe włókna. W 2004 r. zaprezentowano technologie wytwarzania włókna dowolnej długości, jednak jego wytrzymałość była gorsza niż Kevlaru.
Istotnym czynnikiem są też koszty. Do zbudowania najmniejszej działającej windy potrzeba około 20 ton liny. W chwili obecnej (2004 rok), nanorurki kosztują około 100$/gram. Ich cena gwałtownie spada, ale trudno w tym momencie przewidywać na jakim poziomie się ustabilizuje.
[edytuj] Wspinacze
Z uwagi na potrzebę zmieniania grubości liny wraz z wysokością, winda kosmiczna nie może wciągać ładunku w standardowy sposób, przez wciąganie całej liny. Zamiast tego proponuje się samodzielne pojazdy wjeżdżające po linie. Ich sposób wspinania się może być różnoraki: od rolek obejmujących linę (jeśli będzie miała kształt taśmy), przez różne rodzaje haków, do poduszki magnetycznej.
Głównym problemem jest zasilanie pojazdu. Jeśli wspinacz musiałby zabierać ze sobą paliwo na całą drogę, zysk z użycia windy byłby niewielki (co najwyżej związany z możliwością użycia energii atomowej). Zamiast tego rozważa się zasilanie za pomocą wiązki laserowej lub mikrofalowej wysyłanej z powierzchni. Istnieje też możliwość przekazywania energii za pomocą oscylacji samej liny lub za pomocą napędu magnetycznego (mało prawdopodobne, z uwagi na dodatkowe obciążenie liny na całej jej długości). Część projektów zakłada też przekazywanie części energii wjeżdżającym wagonom przez zjeżdżające.
[edytuj] Przeciwwaga
Są dwie główne metody uzyskania środka ciężkości windy na orbicie geostacjonarnej: przyholowanie na orbitę dużego obiektu (np. asteroidy) i przymocowanie windy do niego, lub rozciągnięcie liny daleko poza tę orbitę. Druga możliwość wymaga znacznie więcej liny (144 000 km), ale będzie prawdopodobnie prostsza w realizacji. Dodatkowo daje możliwość użycia liny do wystrzeliwania pojazdów na odległe misje kosmiczne. Kontynuując wspinaczkę powyżej orbity geostacjonarnej, na przeciwległym końcu liny pojazdy opuszczałyby windę z prędkością pozwalającą na osiągnięcie orbity Saturna (a przy użyciu asysty grawitacyjnej nawet dalszych planet).
Warto zauważyć, że jedno rozwiązanie nie wyklucza drugiego. Do masy umieszczonej na orbicie można później dołączyć linę rozciągniętą w przeciwnym kierunku, która w takiej sytuacji mogłaby nawet być dłuższa i umożliwiać nadawanie pojazdom większych prędkości. Z drugiej strony winda może też służyć jako czyste i wydajne źródło energii, jeśli będzie się czerpać energię ze sprowadzania przy jej pomocy dużych mas z orbity (jeden 10-metrowy głaz dziennie dostarczałby mniej więcej gigawata mocy). Możliwe więc, że początkowo winda będzie się składać z samej liny, ale z czasem zostanie do niej dołączona przechwycona asteroida jako zapas masy.
[edytuj] Budowa windy
Rakiety kosmiczne są bardzo kosztownym sposobem wynoszenia ładunków w kosmos. Aby zminimalizować koszty budowy windy, zakłada się początkowe wyniesienie możliwie lekkiego "zaczątka" windy, który mógłby posłużyć do wyniesienia reszty jej masy, działając sam jak winda kosmiczna.
Minimalną masę startową szacuje się na 20 ton. Masę taką można obecnie wynieść na orbitę jednym kursem. Byłby to zwój cienkiej liny (kilkadziesiąt mikrometrów przekroju), zdolnej do utrzymania poza swoją masą dodatkowych kilkudziesięciu kilogramów. Z orbity geostacjonarnej należałoby rozpocząć rozwijanie liny wystrzeliwując jej koniec w takim kierunku by umieścić go na niższej orbicie. Gdy różne partie liny będą znajdowały się na różnych orbitach, siły pływowe spowodują dalsze jej rozwijanie. Po osiągnięciu górnych warstw atmosfery dolny koniec liny będzie silniej hamowany, aż w końcu zbliży powierzchni Ziemi. Wtedy należy przechwycić go w powietrzu i zamocować do przygotowanej podstawy.
Po tej linie miniaturowi wspinacze wnosiłyby kolejne porcje materiału, wzmacniając ją i umożliwiając wjazd coraz większym wspinaczom. Osiągnięcie pełnej przepustowości zajęłoby w ten sposób kilka miesięcy.
[edytuj] Możliwe problemy
Jak każda duża konstrukcja, winda kosmiczna będzie narażona na różnorakie trudności, przed którymi należy się wcześniej zabezpieczyć.
Pierwszym problemem są satelity. Każdy obiekt na orbicie Ziemi innej niż geostacjonarna, prędzej czy później znajdzie się na kursie kolizyjnym z windą. O ile większość działających satelitów ma możliwość uniknięcia zderzenia przez drobną zmianę kursu, wszelkie kosmiczne śmieci będą musiały być wcześniej usunięte w inny sposób. Przy uważnym monitorowaniu obszaru wokół windy, użycie miotły laserowej powinno rozwiązać ten problem.
Drugim i poważniejszym problemem są meteoroidy, nadlatujące z losowych kierunków i z większą prędkością niż kosmiczne śmieci. Należy się spodziewać że kosmiczna winda będzie raz na jakiś czas trafiana, niezależnie od wprowadzonych zabezpieczeń. Między innymi dlatego postuluje się zastąpienie jednej grubszej liny zestawem mniejszych, oddalonych od siebie i połączonych linami poprzecznymi. Po zerwaniu jednej lub dwóch z nich pozostałe mogłyby utrzymać ciężar windy do czasu naprawienia szkód.
Największym problemem są meteoroidy o małych rozmiarach (poniżej milimetra), występujące w dużych ilościach na pewnych wysokościach. Ich unikanie będzie niemożliwe i będą powodowały ciągłe uszkadzanie fragmentów liny. Aby przedłużyć trwałość liny i umożliwić nieprzerwane działanie windy proponuje się plecenie poszczególnych włókien w postaci wąskich sieci, która są mniej wrażliwe na przebijanie niż spójne taśmy.
W obrębie atmosfery dochodzą dodatkowe problemy związane z korozją i warunkami pogodowymi. Korozja może być szczególnie aktywna w termosferze, gdzie występuje tlen atomowy. Na tym obszarze prawdopodobnie potrzebne będzie dodanie odpowiedniego pokrycia na włókno, co powiększy proporcjonalnie masę windy. Na mniejszych wysokościach groźne mogą być burze i huragany. Mobilna podstawa mogłaby umożliwić unikanie najgroźniejszych z nich. W przypadku podstawy stacjonarnej pozostaje użycie nieprzewodzącej liny i umożliwienie jej swobodnego obracania się dla zmniejszenia naprężeń związanych z wiatrem. Kosztowniejsze projekty zakładają zamiast tego przymocowanie liny do szczytu bardzo wysokiej i wytrzymałej wieży, która przyjmowałaby na siebie niekorzystne warunki pogodowe.
[edytuj] W przypadku katastrofy
Jeśli pomimo wszelkich zabezpieczeń nastąpi zerwanie liny, możliwe scenariusze będą zależały od tego na jakiej stanie się to wysokości. W przypadku uszkodzenia przy samej podstawie, winda pod wpływem siły odśrodkowej przesunie się na nieco wyższą orbitę. Wynika to z faktu, że lina będzie utrzymywana w lekkim napięciu, aby każdy kolejny wspinacz nie powodował ściągania całej struktury w dół. W teorii luźny koniec powinno dać się na powrót przymocować do podstawy. Może to jednak być trudne w realizacji, i niektórzy sugerują w takiej sytuacji opuszczenie z orbity nowej liny.
Jeśli zerwanie nastąpi na większej wysokości, dolna część liny opadnie na Ziemię, podczas gdy górna powędruje na wyższą orbitę. Wbrew spotykanym w literaturze wizjom spadająca lina nie powinna wyrządzić wielkich szkód na powierzchni. Z uwagi na swoją małą gęstość, lina w znacznej większości ulegnie spaleniu w atmosferze. Do Ziemi dotrą najwyżej niewielkie jej fragmenty. Górna część windy, po ponownym umieszczeniu na właściwej orbicie może posłużyć do opuszczenia nowej liny.
Wszelkie pojazdy znajdujące się w chwili katastrofy na opadającej części windy również wejdą w atmosferę. Ponieważ i tak muszą one jednak być przygotowane na ewentualność odpadnięcia od liny, powinny być konstruowane z uwzględnieniem takiego scenariusza.
Pojazd, który w chwili odpadnięcia (lub zerwania liny) znajduje się poniżej około 23 000 km, wchodzi w atmosferę i w końcu spala się w niej lub spada na Ziemię. Powyżej tej krytycznej wysokości, jego orbita będzie w całości przebiegać ponad atmosferą, co pozwoli mu dokonać pełnego okrążenia wokół Ziemi. Po jego wykonaniu nie trafi już na windę (która w tym czasie przemieści się), ale może zostać przechwycony przez umieszczony w międzyczasie w odpowiednim miejscu pojazd kosmiczny.
Odpadając na wysokości orbity geostacjonarnej pojazd pozostaje nieruchomy względem windy, będąc razem z nią na tej samej orbicie. Odpadając wyżej, będzie wchodził na coraz bardziej wydłużone orbity eliptyczne z najniższym punktem w punkcie startu. Wreszcie powyżej mniej więcej 47 000 km jego prędkość będzie już większa od prędkości ucieczki z Ziemi i wyrwie się on z orbity, stając się satelitą Słońca. W takim przypadku uratowanie pojazdu i jego ewentualnej załogi byłoby przy obecnych środkach niewykonalne.
[edytuj] Pasy Van Allena
Winda kosmiczna przechodzi przez pasy radiacyjne, i wszelkie ładunki będą w nich spędzały znacznie więcej czasu niż szybko poruszające się rakiety. Nie stanowi to problemu dla większości ładunków, jednak ludzie i inne żywe istoty będą prawdopodobnie musiały podróżować w specjalnie osłoniętych wagonach. Sama orbita geostacjonarna znajduje się już powyżej pasów radiacyjnych.
[edytuj] Windy poza Ziemią
Windy kosmiczne mogą być oczywiście budowane również poza Ziemią, na orbitach stacjonarnych nad innymi planetami, księżycami i asteroidami.
Zbudowanie windy na Marsie mogłoby okazać się nawet prostsze niż na Ziemi. Mars ma masę dziewięciokrotnie mniejszą niż Ziemia, a obraca się mniej więcej z tą samą prędkością. Orbita stacjonarna jest tam więc na dwukrotnie mniejszej wysokości, a więc potencjalna winda byłaby odpowiednio krótsza. Ponadto niższe ciążenie wpływa na wymaganą wytrzymałość liny – wystarczyłaby mniej więcej czterokrotnie słabsza (8 [MJ/kg]).
Skonstruowanie windy na Księżycu napotyka na inne problemy. Co prawda Księżyc ma znacznie mniejszą masę, ale jest zwrócony zawsze tą samą stroną w kierunku Ziemi. Oznacza to że środek ciężkości potencjalnej windy musiałby znajdować się w punkcie gdzie siły odśrodkowe równoważą siły grawitacji Ziemi i Księżyca. Punktów takich jest tylko kilka (w porównaniu z nieskończoną liczbą punktów na orbicie geostacjonarnej Ziemi). Noszą nazwę punktów Lagrange’a. Windy mogłyby zostać umieszczone w punkcie L1 (po stronie Ziemi) lub L2 (po przeciwnej stronie, aby ułatwić podróże w daleki kosmos). Odległość tych punktów od Księżyca wynosi około 60 000 km, ale bez dodatkowej masy w tych punktach długość całej windy musiałaby wynosić odpowiednio 290 000 km (dla punktu L1) i 525 000 km (dla punktu L2). Na szczęście wymagania na wytrzymałość tych lin byłyby tu jeszcze mniejsze niż w przypadku Marsa.
Merkury i Wenus obracają się na tyle wolno, że umieszczanie nad nimi wind będzie prawdopodobnie nieopłacalne. Orbita stacjonarna Merkurego znajduje się na wysokości 243 000 km, a Wenus aż 1 476 000 km. Z kolei gazowe giganty mają zbyt dużą grawitację, by dało się tam umieścić windę. Realne natomiast wydaje się konstruowanie wind na niektórych ich księżycach.
Duże, szybko obracające się asteroidy mogłyby być również dobrym miejscem na umieszczanie wind. Pozwalałoby to na wygodne wyrzucanie dużych partii materiału z ich powierzchni w żądanym kierunku. Z kolei sprowadzanie materiału na ich powierzchnię mogłoby służyć jako źródło energii, szczególnie na dalekich orbitach, gdzie światło Słońca jest słabe.
[edytuj] Wykorzystanie windy jako napędu
Ładunek wjeżdżający windą zyskuje nie tylko wysokość, ale również moment pędu, zabierając go Ziemi. Wciągając się po linie, wspinacz ciągnie ją dodatkowo lekko w kierunku zachodnim (przeciwnie do jej ruchu orbitalnego). Naprężona lina ciągnie wspinacza na wschód, i przenosi tę siłę na podstawę, ciągnąc ją na zachód. Odwrotne siły działają przy zjeżdżaniu ładunku z orbity. W obu przypadkach siła odśrodkowa przeciwdziała odchyleniu windy od pionu.
Powyżej orbity geostacjonarnej ładunek jest wypychany w górę liny przez samą siłę odśrodkową. Jeśli pozwoli się mu swobodnie rozpędzać się do końca przeciwwagi, przekazany mu przez ten czas moment pędu przełoży się na prędkość pozwalającą opuścić pole grawitacyjne Ziemi i dolecieć aż do Saturna. Aby uzyskiwać jeszcze większe prędkości, można by zaprojektować dłuższą przeciwwagę. Wymagałoby to jednak dołożenia dodatkowej masy poniżej orbity geostacjonarnej i zwiększyłoby wymagania na wytrzymałość liny.
[edytuj] Kwestie polityczne
Aby zbudować pierwszą windę kosmiczną trzeba najpierw ustalić sposób finansowania jej budowy, zarządzania nią i struktury własności. Jest to kosztowne przedsięwzięcie (szacowane na 5 miliardów dolarów w najskromniejszym wariancie), które nie zwróci się szybciej niż w ciągu dziesięciu lat. W obecnej chwili jedynie rządy bogatych państw mogą pozwolić sobie na taki wydatek na przemysł kosmiczny.
Zakładając że będzie to przedsięwzięcie międzynarodowe, należy wcześniej rozważyć wiele problemów dyplomatycznych. Jakie państwa będą mogły jej używać i jak często? Kto będzie odpowiedzialny za chronienie jej przed terroryzmem lub wrogimi państwami? Winda pozwala na bardzo tanie umieszczanie satelitów, również o znaczeniu militarnym. Państwa jej używające mogą szybko uzyskać istotną przewagę militarną, opanowując przestrzeń okołoziemską na podobnej zasadzie jak opanowuje się przestrzeń powietrzną.
Stany Zjednoczone, będąc obecnie największą potęgą kosmiczną, mogą traktować windę kosmiczną jako zagrożenie dla ich dominacji. Obecna doktryna militarna USA zakłada utrzymanie przewagi powietrznej i kosmicznej, co w okresie wojny z terroryzmem może się sprowadzać do uniemożliwiania konkretnym państwom dostępu do windy lub prób zablokowania w ogóle jej budowy.
Pierwsza winda może zostać użyta do taniego zbudowania kolejnych, ale wymagałoby to od jej właścicieli zgody na rezygnację z monopolu. Bardzo prawdopodobne, że struktura własności kolejnych wind byłaby więc przeniesieniem struktury własności pierwszej z nich. Jednak w momencie gdy odpowiednia technologia będzie już dostępna, każde państwo mające dostęp do zwykłego przemysłu kosmicznego będzie mogło zbudować własną windę w zwykły sposób.
Winda kosmiczna byłaby cennym obiektem o dużym znaczeniu strategicznym, będąc jednocześnie łatwą do uszkodzenia. Dlatego stawałaby się jednym z pierwszych celów przy każdym konflikcie z jednym z jej właścicieli. Ze względów bezpieczeństwa nie można by więc po jej zbudowaniu całkowicie zrezygnować z rozwijania innych technologii dostępu do kosmosu.
Problemem może być również lokalizacja podstawy, szczególnie dla wariantu lądowego. Musiałoby znajdować się na terenie państwa przecinanego przez równik, co wymaga dodatkowych ustaleń m.in.:
- kwestii prawa własności lub użytkowania gruntu
- ewentualnej eksterytorialności
- przebywania sił zbrojnych chroniących windę
- ograniczeń w użytkowaniu przestrzeni powietrznej w okolicach podstawy
[edytuj] Bibliografia
- Arthur C. Clarke, 2001:Odyseja kosmiczna – Finał, Wydawnictwo Amber, Warszawa 1997, ISBN 83-7169-355-9
