O jednodušší cestě na oběžnou dráhu Země sní vědci již dlouho. Nyní se zdá, že technika pokročila natolik, že by se o vesmírném výtahu dalo vážně uvažovat. Kam dospěla věda v uskutečňování tohoto velkolepého projektu?
Exkluzivní pohled slovenského vědce, pracujícího v Japan Atomic Energy Agency v Japonsku.
Začalo to už ve starověku
Idea “schodů do vesmíru” je stará jako lidstvo samo. Dokládá to příběhy o Babylonské věži i další. Moderní koncept vesmírného výtahu (přesněji vesmírné věže) načrtl však až na konci 19. století ruský génius Konstantin Ciolkovskij, později ho rozvinuli další sovětští a američtí vědci.
Prvním byl Jurij Arcutanov v roce 1960, který ho však publikoval jen v nedělní příloze sovětského deníku Pravda, a tedy zůstal odbornou veřejností nepovšimnut. Do širšího povědomí koncept vesmírného výtahu uvedl až Američan Jerome Pearson, který nezávisle na předchozích autorech v roce 1975 publikoval moderní studii o výtahu, a následně A. C. Clarke ve svém slavném sci-fi románu “Rajské fontány”.
Vesmírný výtah již nyní přešel kritickými fázemi seriozních studií desítek renomovaných vědců. Jaký je však jeho princip a jak vypadají plány na jeho uskutečnění? Projekt je totiž v blízké době, díky pokroku v nanotechnologiích, realizovatelný a nepatří už jen do říše snů. Konečný projekt se může samozřejmě lišit, avšak základní rysy zůstanou s největší pravděpodobností velice podobné.
Jak to má celé fungovat?
Princip je vcelku jednoduchý. Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem Země, musí mít dostatečnou rychlost. Na povrchu Země se tato rychlost rovná tzv. první kosmické rychlosti (cca 7,9 km/s), při které bude odstředivá síla působící na takové těleso rovna gravitační síle, kterou na těleso působí Země. Čím výše jsme nad povrchem Země, tím více slábne její gravitační přitažlivost a potřebná oběžná rychlost je nižší. Je to podobné, i když ne stejné, jako když točíme provazem s kamenem na jeho konci. Provaz zůstává napnutý, přičemž čím bude delší, tím pomaleji s ním bude nutno otáčet.
V určité výšce pak nastane situace, kdy oběžná rychlost klesne natolik, že bude rovna rychlosti otáčení Země (zemského povrchu) pod družicí. Tato výška se nazývá geostacionární dráha a družice obíhající Zemi nad rovníkem po této dráze bude jakoby viset stále nad jedním místem na povrchu.
Proč lano nespadne?
Jak ale může něco “viset” vzhůru a nespadnout? Velice jednoduše. Představme si, že teď z takové družice spustíme na Zemi lano tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Část lana pod ní bude gravitací přitahována k Zemi (jelikož bude obíhat nižší rychlostí než je potřebná na vyvážení gravitace), zatímco část lana nad geostacionární dráhou bude mít díky převažující odstředivé síle snahu od Země „odlétnout“. Gravitační a odstředivá síla působící na celé lano tedy působí proti sobě a lano tak při vhodné délce dokáže „levitovat“ bez toho, že bychom museli použít dodatečný (např. raketový) pohon na to, aby lano na oběžné dráze zůstalo.
Samozřejmě, při vytahování nákladu po laně začne působit také dodatečná síla směrem k Zemi (hmotnosti nákladu a vozidla a na začátku i zrychlení). Pádu lana zabráníme tím, že lano ukotvíme na Zemi (na to má sloužit veliká pohyblivá platforma na způsob plovoucích ropných plošin) a těžiště lana (závislé na jeho délce nad geostacionární dráhou a vzdálenosti a hmotnosti protiváhy úplně na konci lana) posuneme o něco výš než je geostacionární dráha. Výsledkem bude, že celková odstředivá síla působící na lano bude o něco větší než gravitační přitažlivá síla, a lano tak bude mít slabou tendenci uniknout od Země. Bude stačit velice malý rozdíl těchto sil, řekněme několik desítek tun (závisí na projektované nosnosti výtahu). Bez problémů pak můžeme vytahovat náklad bez hrozby pádu lana, jelikož tahle přebytečná odstředivá síla ho bude neustále udržovat napjaté. Z vědeckého hlediska je tedy fyzikální princip výtahu plně vyřešen a není na něm nic nereálného či nejasného.
Kam až se výtahem dostaneme?
Od jisté výšky nad povrchem bude možné uvolněním z výtahu uvést objekty na nízkou eliptickou dráhu. Ve výšce 35 810 km zůstane těleso po odpoutání na kruhové geostacionární dráze. Z větší výšky bude možné vypouštět tělesa na vysokou eliptickou dráhu (navedení na konečnou dráhu pomůže slabý raketový pohon).
Ve výšce 46 770 km dosáhne oběžná rychlost na výtahu hodnoty únikové rychlosti od Země, a vypuštěním tělesa nad touto výškou bude tedy možné poslat cokoli do meziplanetárního prostoru. S dalším zvětšováním výšky bude rychlost neustále narůstat a bude tak možné posílat tělesa do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy.
S narůstající délkou výtahu rostou přirozeně i nároky na pevnost materiálu a náklady na jeho vybudování. Kompromisním řešením je výtah o délce cca 100 000 km. S takto dlouhým lanem se bude možné, bez použití urychlovací (pouze korekční) rakety, dostat k Venuši, Měsíci, Marsu a při využití gravitačního zrychlení míjejících planet také k Jupiterově soustavě, což bohatě stačí.
Jak s tím nahoru?
Nejpropracovanější a nejjednodušší varianta prvního vypuštění výtahu na oběžnou dráhu využívá současné technologie. Na vypuštění družice, nesoucí první lano spolu s raketovými motory a palivem potřebným na přesun na geostacionární dráhu, bude stačit sedm startů raketoplánů a jeden start nosiče Centaurus.
Z geostacionární dráhy se začne z družice odvíjet první lano s nízkou nosností, protože jenom tak můžeme zabezpečit, že celé lano bude možné na jeden start dopravit na oběžnou dráhu. Skládání hrubšího lana z několika částí až nahoře je riskantní, jelikož takové technologie nejsou na oběžné dráze odzkoušeny. Na konci bude umístěna malá sonda se slabým motorem, který dodá lanu prvotní impuls. Dále se už lano bude odvíjet díky gravitaci Země. V jeho průběhu se bude družice vzdalovat od Země tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze.
Po zachycení a ukotvení konce lana na plovoucí plošinu se vyšlou speciální „šplhače” (climbery– vozidla vynášející po laně náklad) vezoucí další vrstvy lana. Ty během svého výstupu lano postupně rozšíří na požadovanou nosnost 20 tun. Podobný princip se využívá např. při budování visutých mostů.
Každý z climberů bude následně umístěn na konci lana a bude sloužit jako protiváha spolu s původní družicí nesoucí první lano. Po dokončení celého procesu mohou začít jezdit samotné climbery s nákladem.
Z čeho bude lano?
Největším problémem, který projekt posouval do říše sci-fi, byla neexistence dostatečně pevného a lehkého materiálu, který by vydržel extrémní tah na lano výtahu. Všechno se však změnilo v roce 1991, kdy tým japonského profesora Sumijo Iijimy objevil tzv. uhlíkové nanotrubičky (carbon nanotubes). Jde o novou strukturu uhlíkových atomů (po tuze, diamantu a např. C60), ve které jsou, zjednodušeně řečeno, uhlíkové atomy stočeny v jednoatomové vrstvě do jakési mikroskopické rourky, stotisíckrát tenčí než lidský vlas. Tento materiál je extrémně pevný v tahu (60 x pevnější než ocel) a lehký (hustota jenom o něco větší než hustota vody). Tyto dvě vlastnosti mu umožňují vydržet i tah (a s dostatečnou rezervou) lana vesmírného výtahu.
Materiál už tedy máme, je však potřeba samozřejmě pokračovat ve výzkumu, aby ho bylo možné vyrobit v dostatečné kvalitě, pevnosti a délce několika desítek tisíc km. Vývoj nanotrubiček je však dnes “horké téma” a velice rychle pokračuje.
Neublíží výtahu blesk?
Výpočty maximální přípustné rychlosti větru, kterou ještě lano snese, ukazují, že by ho ohrozil až hurikán. Řešením je výběr vhodné lokality chudé na bouřky a prudké změny počasí. Podle dlouhodobých statistik se jako nejvhodnější jeví oblast západně od Galapážských ostrovů v Tichém oceánu.
Ta je vhodná i z dalších důvodů. Pohon climberů bude totiž zabezpečen laserovým přenosem energie, kdy součástí climberů bude disk, přijímající energii z vysílače na plošině. Tato technologie je již rozpracována a úspěšně otestována.
Další riziko představují blesky! I kdybychom totiž uhlíková vlákna pokryli nevodivým materiálem, během bouřky a deště se voda na laně stává vodivou a blesk ho může zničit. Proto bude výtah v oblasti, kde se blesky nevyskytují. Ojedinělým bouřkám se dá uniknout přesunem plošiny podle reálné meteorologické situace.
Hrozí i riziko kolize lana se satelity. Existuje však přesná databáze satelitů, takže není problém na týdny dopředu vypočítat hrozbu srážky. I z tohoto důvodu bude základna pohyblivá.
Smetí na oběžné dráze
V současnosti je na oběžné dráze množství odpadu (desítky tisíc objektů o velikosti nad 1 cm), který je hrozbou nejen pro vesmírný výtah. Naštěstí se vyskytují převážně na nízké oběžné dráze (cca od 200 do 1000 km). Řešení je několik: Monitorování trosek – Dnes jsou mapovány do velikosti 10 cm a připravuje se monitorování až do velikosti 1 cm. Podle NASA se výtah bude muset vyhýbat úlomkům větším než 1 cm přibližně jednou denně. To je akceptovatelná frekvence v rámci únosnosti. Takové trosky nejsou pro výtah nebezpečné, a to i díky druhému řešení.
Vhodný design lana – Šířka lana bude v kritické výšce zdvojena a průměr jednotlivých vláken lana a vzdálenosti mezi nimi budou takové, aby se minimalizovala škoda malými troskami. Zakomponování příčných vláken také umožní zvýšit odolnost. Velikou výhodou bude, že tvar lana bude spíše připomínat stuhu, pás široký v průměru 1 m a tenký pouze několik mikrometrů (parametry se budou měnit v závislosti na výšce od povrchu). Kromě toho nebude pás plochý, ale bude tvarován do oblouku. Výpočty ukazují, že takový design sníží nebezpečí poškození až o několik řádů. Životnost lana bude až 200 let.
Hrozí vůbec nějaké nebezpečí?
Pochopitelně existují i další problémy, s nimiž se vědci v posledních letech potýkají. Například koroze lana ve výškách několika stovek kilometrů se vyřeší nepatrnou vrstvou nekorodujícího kovu. Bylo rovněž simulováno kmitání a rotace lana vlivem Slunce, Měsíce, pohybujících se climberů atd. a jejich vliv na napětí v laně. Nepředstavují neřešitelné riziko! Ani zahřívaní lana není vážnou komplikaci. Simulace také prokázaly, že nedojde k vybíjení ionosféry (oblast atmosféry obsahující elektricky nabité částice).
Zní to možná překvapivě, ale ani teroristický útok nebo nehoda výtahu nejsou vážným rizikem, jelikož celé lano váží jen několik set tun a padající část lana (kilometr váží pouhých několik kg) lze přirovnat k padajícímu cáru kancelářského papíru.
Umístění výtahu daleko od pevniny také výrazně snižuje ohrožení padajícím nákladem. Experimentální výzkumy ukazují, že ani nanotrubičky rozptýlené nebo shořelé v atmosféře nejsou pro organizmus nebezpečné. Krom toho bude výtahů víc, takže nehoda jednoho z nich nebude ani ekonomickým problémem.
Kolik to bude stát?
Velikou výhodou tohoto projektu je, že nestaví na neexistujících technologiích. Všechno od kotvící plošiny, přes výrobu energie a její laserový přenos, elektrický pohon climberů, prvotní vynesení na oběžnou dráhu pomocí raketoplánů a existujících nosičů atd, jsou již známé technologie, případně technologie ve značně rozvinutém stádiu vývoje.
Samotná technická konstrukce vesmírného výtahu nepřekročí 10 miliard US dolarů. Odhad kompletních nákladů včetně vývoje, výstavby, samotného provozu po celou dobu životnosti se pohybuje kolem 40 miliard dolarů. Porovnejme to např. se 100 mld. dolarů, které bude stát mezinárodní vesmírná stanice ISS, nebo se 173 miliardami, které zaplatily USA za válku v Iráku…
Zázračné nanotrubičky
Odborníci se nyní soustřeďují na nejdůležitější součást výtahu, výzkum a vývoj uhlíkových nanotrubiček. V roce 2005 byly vyrobeny nanotrubičky o pevnosti 63 GPa (1 Pa se rovná síle tahu 1 newtonu na metr čtvereční). Výtah ale bude potřebovat lano o pevnosti 100 Gpa. Samozřejmě, mezi vzorkem o dané pevnosti a lanem dlouhým 100 000 km je ještě znatelný rozdíl, ale experti se shodují v tom, že je to jenom otázka několik let.
Navíc výtah nepotřebuje čisté nanotrubičky, postačí i tzv. kompozitní (smíšené) materiály, které dnes dosahují pevnost cca 3 GPa, ale které podle expertů v nedalekém budoucnu dosáhnou až 100 GPa pevnost v tahu (při 50-60% podílu nanotrubiček).
Ještě před několika lety nanotrubičky rostly velmi pomalu, byly krátké (mikrometry) a měly mnoho defektů. Dnes je již dokážeme „pěstovat“ o délce centimetrů a vyrábět z nich mnohametrové pásy slušné kvality, rychlostí 7 metrů za minutu a letos v únoru se začaly vyrábět už i komerčně. Odborníci tedy nevidí důvod, proč by se měl slibný vývoj v téhle oblasti zastavit. I když dnes ještě nedokážeme vytvořit materiál se všemi požadovanými vlastnostmi, je to už jen otázka času.
Převratné možnosti
Po vybudování prvních funkčních výtahů zaznamená kosmonautika obrovský skok vpřed. Jelikož doprava na oběžnou dráhu neuvěřitelně zlevní, bude vesmír přístupnější. Nastane rozmach a zlevnění telekomunikačního průmyslu využívajícího satelity. Ve stavu beztíže rostou kvalitnější a větší krystaly, což bude mít dopad na cenu a rozvoj počítačů i solárních článků. Budeme moci stavět orbitální města a sluneční elektrárny pro výrobu ekologické energie.
K tomu přispívá i fakt, že výtah umožní nejen vynášení nákladu, ale i jeho šetrné a bezpečné snesení na povrch. Po několika letech bude možné zvýšit kapacitu výtahů z 20 na 1000 tun, což umožní dopravovat na geostacionární dráhu také astronauty. Navíc bude mnohonásobně levnější cesta k Marsu, Měsíci a jiným planetám.
Existují již i projekty marťanského a měsíčního vesmírného výtahu, které jsou založeny na jiných principech než ten pozemský. Díky tomu by se oba daly vybudovat už i ze v současnosti existujících materiálů jako Kevlar, Spectra, nebo vlákno M5.
Dobrá, ale takových futuristických projektů tady už bylo…
Vesmírný výtah bude za několik let (po zdokonalení technologie výroby uhlíkových nanotrubiček) spojovat dvě nevyhnutelné podmínky pro reálné uskutečnění, pokrok lidstva a současně ekonomický zisk. To ho dělá opravdu výjimečným projektem. Výtah je též relativně jednoduchým zařízením, takže je nepravděpodobné, že by ho čekal osud raketoplánů nebo jaderných elektráren, které se kvůli své extrémní složitosti a komplikovanosti nesmírně předražily.
Více se dozvíte:
http://www.spaceelevator.com/docs/472Edwards.pdf, http://www.spaceelevator.com/docs/521Edwards.pdf
http://www.isr.us/Spaceelevatorconference/2004presentations.html
http://www.baytubes.com
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/309/5738/1215
http://www.press.bayer.com/BayNews/baynews.nsf/id/E91B3039ED99722BC125711B0045E3B7/$File/2006-0049E.pdf
Co je to Coriolisova síla? Coriolisova síla je síla, která bude na výtahu působit na každý vytahovaný nebo klesající náklad, protože s výškou se mění oběžná rychlost nákladu – čím výše se náklad nachází, tím vyšší oběžnou rychlost na výtahu má (jako kámen na provaze). Tuto rychlost při výstupu mu však musí lano dodat (při klesání odebrat), a tedy náklad bude na lano působit sílou na něj kolmou.
Coriolisova síla je však velice malá a způsobí pouze jistou malou a dopředu vypočitatelnou odchylku lana. Jakýmkoliv větším komplikacím (např. dlouhodobé navíjení lana na Zemi) zabrání odstředivá síla, způsobená umístěním těžiště výtahu mírně nad geostacionární drahou a jeho ukotvením.
Z energetického hlediska je vesmírný výtah zařízení, využívající rotační energii Země (ta je neporovnatelně větší než energie odebraná výtahem – vliv na zpomalení rotace Země bude tedy absolutně zanedbatelný a neporovnatelně menší než její přirozené zpomalování). Coriolisova síla je také například příčinou směru otáčení cyklón a anticyklón.
Porovnání cen některých projektů ve světě
Projekt Cena (mld. US dolarů) Projekt Cena (mld. US dolarů)
Návrat astronautů na Měsíc a cesta na Mars 500 Tunel pod La Manche 13
Válka v Iráku (do června 2005) 173 Tokyo Aqua Line (Japonsko) 11,3
Mezinárodní vesmírná stanice ISS 100 Vesmírný výtah 10 (40)
Protiraketový obranný systém USA (2002-2009) 62,9 Nový jumbo-jet Boeing 747 7,5
Skladiště radioaktivního odpadu v Yucca Mountain (USA) 60 Most Akashi (Japonsko) 4
Přehrada na řece Jang-ć-ťiang (Čína) 29 Raketoplán Endeavour 2,1
Přehrada Itaipu (Brazílie-Paraguay) 20 Jeden start raketoplánu (průměr za poslední roky) 1,1
Roční rozpočet NASA (2006) 16
Porovnání pevnosti v tahu a hustoty některých materiálů
Materiál Hustota (kg/m3) Pevnost v tahu (GPa)
Uhlíkové nanotrubičky (teoretický limit) 1300 300
Uhlíkové nanotrubičky (vícestěnné) – experimentálně změřeno (2005) 2266 63
Kevlar 49 1440 3,6
Spectra 2000 970 3,0
Ocel 7800 2,0
Pavoučí vlákno 1150 1,2
