Winda kosmiczna

Czas czytania w minutach: 6

Słyszeliście kiedyś o kosmicznej windzie? Jest to stosunkowo popularny motyw w literaturze science-fiction, ale nie tylko. W rzeczywistości również mówi się o potencjale budowy takiego cudu inżynierii. Ale po co to komu, jakie problemy ma rozwiązać i dlaczego jeszcze nie powstało? Pozwól, że wyjaśnię!

Jak nie zmarnować paliwa

Pamiętacie być może, jak kiedyś pisaliśmy o tyranii równania rakietowego? Dla przypomnienia: starty rakiet są bardzo nieefektywne energicznie, ponieważ większość energii jest zużywana na wyniesienie do góry olbrzymich ilości paliwa, które będą potrzebne na dalszym etapie lotu. Ponieważ paliwa jest tak dużo, to potrzeba potężnych silników, żeby rakietę ruszyć z miejsca, to z kolei sprawia, że potrzeba olbrzymich ilości paliwa, a na jego wyniesienie w górę zużywa się bardzo dużo paliwa… rozumiecie, gdzie pojawia się błędne koło, prawda?

Koniec końców dochodzimy do sytuacji, w której osiemdziesiąt, dziewięćdziesiąt a nawet więcej procent masy rakiety stanowi paliwo. Co gorsza, zdecydowana jego większość jest zużywana na wyjście z “grawitacyjnej studni” powierzchni Ziemi i dotarcie na orbitę – dalej to już z górki¹. Straszliwe marnotrawstwo, ale w przypadku napędzania silnikiem rakietowym – nie do uniknięcia. I tu właśnie, cała na biało, wchodzi winda kosmiczna. Jest to sposób na obejście problemu. Pojazdy ruszające w kosmos nie będą potrzebowały napędu rakietowego. Zamiast niego na orbitę okołoziemską dostaną się, pełznąć w górę windy, jak po łodydze fasoli.

Jak to by miało w praktyce działać? Przede wszystkim – lina. To będzie główna część całego układu. Bardzo, bardzo długa lina, która będzie solidnie zakotwiczona na powierzchni Ziemi, i sięgająca poza naszą orbitę geostacjonarną. Dlaczego poza? Żeby tam umieścić kolejny istotny element: przeciwwagę. A po co nam przeciwwaga? W przeciwieństwie do zwykłej windy, nie chodzi tu o ograniczenie wydatku energii na przesuwanie kabiny². Chodzi o coś innego – o napięcie liny. W zwykłej windzie sprawę załatwia grawitacja z jednej strony, mechanizm napędowy z drugiej. Dlatego lina nie spada. Ale w kosmosie? Potrzebujemy czegoś, co zrównoważy siłę grawitacji działającą na linę. I to coś – przeciwwaga – musi próbować odlecieć dalej w kosmos, żeby lina naprężała się, przytrzymując przeciwwagę i powstrzymując jej ucieczkę. No i na koniec – jakaś forma kabiny, czyli to, co faktycznie będzie się poruszać po linie. Brzmi prosto, prawda? Więc dlaczego winda kosmiczna jeszcze nie powstała?

Bo diabeł tkwi w szczegółach. Winda kosmiczna to niesamowite wyzwanie inżynieryjne. Przede wszystkim chodzi o odpowiednie materiały. Zauważcie, że winda kosmiczna nie będzie miała nic wspólnego z “klasycznym” szybem windy. Dlaczego? Bo nie tylko nie mamy żadnych materiałów, które pozwoliłyby zbudować tak długi³ szyb odpowiednio wytrzymały, żeby stał pionowo, ale na tyle lekki, żeby nie zapadł się pod własnym ciężarem: nie mamy nawet za bardzo pomysłu, jak taki materiał miałby wyglądać. Więc idea “Beanstalk” znanego fanom świata Androida nie ma szans w przewidywalnej, czy nawet umiarkowanie przewidywalnej przyszłości. Ale nawet opcja “samej liny” trafia na poważny problem masy i wytrzymałości materiału. Bo musi on być na tyle wytrzymały, żeby licząca dziesiątki tysięcy kilometrów lina nie spadła na Ziemię, a jednocześnie na tyle wytrzymały, żeby się nie rozerwać na skutek rozciągania przez Ziemię z jednej i przeciwwagę z drugiej strony.

Wstęga do nieba

Dlatego też mówi się teraz o linie, a właściwie bardziej wstędze, wykonanej z włókien węglowych lub grafenu. Te materiały oferują wysoką odporność, a jednocześnie niską masę w przeliczeniu na metr kwadratowy. Mimo to, cała lina – o szerokości dochodzącej do maksymalnie 16 centymetrów – ważyłaby 750 ton. Problem w tym, że choć potrafimy już produkować materiały o odpowiedniej wytrzymałości i masie, to na razie nie mamy umiejętności produkcji tak olbrzymich ich kawałków. Bo musielibyśmy tutaj mieć monokryształ grafenu, czy też pojedyncze nanorurki węglowe rozciągające się na całą długość windy kosmicznej.

Ale to nie koniec problemów stricte technicznych. Sama “kabina” również ich nastręcza. Musi to być urządzenie, które będzie w stanie poruszać się po linie – im szybciej, tym lepiej, w końcu przy szybkości rzędu 50 km/h podróż na orbitę geostacjonarną zajmie kilka dni. A do tego trzeba jakoś tę kabinę zasilić. Baterie konwencjonalne? Baterie słoneczne? Zewnętrzne zasilanie, na przykład kablem? A może jakaś kombinacja powyższych opcji? Każde z tych rozwiązań niesie ze sobą wady i zalety. Na przykład baterie słoneczne są stosunkowo proste, ale za to ich wydajność energetyczna nie jest zachwycająca, zwłaszcza w atmosferze. Z drugiej strony konwencjonalne baterie o wystarczającej pojemności zajmą dużo miejsca i będą swoje ważyć. No a pamiętajcie, że cała “infrastruktura” kabiny redukuje masę, którą możemy za jednym zamachem wynieść na orbitę – choć nie mamy tu do czynienia z problemem tyranii równania rakietowego, to nośność windy jest ograniczona masą przeciwwagi, a ta – wytrzymałością liny. Jeśli do tego dodać fakt, że przy kilkudniowej podróży na orbitę pasażerowie mogą spędzić dość sporo czasu w pasach Van Allena, o których kiedyś już pisaliśmy, konieczne może być dodanie solidnego ekranowania… A ekranowanie oznacza dodanie dookoła przedziału pasażerskiego warstwy ołowiu czy innego gęstego materiału. A więc solidną masę.

Winda w praktyce

Nawet jednak rozwiązanie tych problemów nie wystarczy, żeby winda mogła działać sensownie, długotrwale i bezpiecznie. Już samo przygotowanie do budowy oznacza konieczność odpowiedzi na fundamentalne pytanie “gdzie”? A możliwości nie ma zbyt wiele, ponieważ winda musi łączyć równik z orbitą geostacjonarną. Niestety, jeśli otworzycie Google Maps czy jakąkolwiek inna mapę, to okaże się, że na równiku nie ma tak wiele lądu… A co gorsza, kraje, które się tam znajdują, delikatnie rzecz ujmując nie słyną ze stabilności politycznej. A przecięcie wstęgi gdzieś przy Ziemi oznacza, między innymi, że cała reszta mechanizmu się od Ziemi oddali. Jak daleko? To zależy od konkretnej długości windy, wielkości i położenia przeciwwagi i szeregu innych parametrów.

Podobnie katastrofalne konsekwencje będzie miało przecięcie liny gdziekolwiek na jej długości. W zależności od tego, gdzie dokładnie ono nastąpi, jakaś część windy poleci w górę, a inna – spadnie w dół, układając się wzdłuż równika. Co gorsza, liny będą bardzo naprężone, więc pęknięcie jednej wstęgi może spowodować całą kaskadę dalszych uszkodzeń, doszczętnie niszcząc całą konstrukcję. Nie trzeba chyba nikomu tłumaczyć, jak łakomym kąskiem dla terrorystów byłaby taka winda? A całodobowa ochrona obiektu owszem, dość wąskiego, ale ciągnącego się przez całą atmosferę, do łatwych zadań się raczej nie zalicza. Ale nawet sama atmosfera może być zagrożeniem – w końcu około 21% atmosfery to tlen. Ten zaś może powoli reagować z materiałem, z którego ostatecznie wykonana będzie lina, wpływając na jego parametry, w tym – wytrzymałość⁴. A poza atmosferą zagrożenie się nie kończy, tylko zmienia charakter.

Czy uda się stworzyć windę kosmiczną w przyszłości?

Mechanika orbitalna działa tak, że wszystko, co lata po orbicie innej niż geosynchroniczna, i niższej niż długość windy, prędzej czy później znajdzie się w tym samym miejscu, które zajmuje winda. W przypadku satelitów czy stacji kosmicznych oznacza to konieczność wykonywania korekt kursu, co zużywa paliwo, skraca okres działania satelity i może wprowadzać tymczasowe zakłócenia w dostarczanej przez niego usłudze. Ale nie chodzi tu tylko o satelity, ale o całą masę kosmicznego śmiecia, który bardziej lub mniej świadomie umieściliśmy na losowych orbitach, a nad którym nie panujemy: stare, nieaktywne satelity i ich szczątki, resztki rakiet nośnych… To wszystko może uderzyć w windę i co najmniej zakłócić jej działanie. Więc dlaczego, biorąc pod uwagę te wszystkie problemy, pomysł nie umarł śmiercią naturalną?

$$$. A właściwie… $$$$$$$$$. Choć SpaceX zmieniło zasady gry, doprowadzając do znaczącego spadku cen transportu czegokolwiek na orbitę, to wciąż mówimy tu o kosztach rzędu kilku tysięcy dolarów za kilogram na niską orbitę Ziemi, kilkudziesięciu tysięcy – na orbitę geostacjonarną. A winda może transportować towar na orbitę geostacjonarną za (optymistycznie) nawet kilka dolarów za kilogram. Realistycznie mówimy tu raczej o poziomie “niskich kilkuset” dolarów, ale… To wciąż ze dwa rzędy wielkości mniej. Dlatego też spodziewam się, że prędzej czy później zobaczymy działającą windę… Lub inny, nie bazujący na rakietach środek transportu na orbitę. Bo winda bynajmniej nie jest jedyną rozważają opcją a niektóre idee są wręcz nieziemskie… ale o nich więcej przeczytacie u nas przy innej okazji.

Tymczasem jednak jeśli sami macie ciekawe pomysły na rozwiązania techniczne dla windy kosmicznej to możecie wystartować z nim w konkursie. Po jakichś dziesięciu latach względnej posuchy kilka miesięcy temu ruszył kolejny konkurs, World Space Elevator Competitions (WSPEC), poszukujący innowacyjnych rozwiązań dla kabiny windy. Konkursy mają się odbywać co roku, a kolejny ma dotyczyć transferu energii do zasilenia kabiny. Co swoją drogą ma szansę przynieść nam bardzo ciekawe możliwości do wykorzystania tu, na Ziemi, nawet gdyby winda kosmiczna nigdy nie powstała. I to również przypomina, dlaczego tak ważne jest fundowanie badań i rozwoju, a w szczególności projektów, gdzie za wysokim ryzykiem idzie wysoka nagroda. Bo nawet jeśli główny projekt się nie powiedzie, to często okazuje się, że po drodze odkryliśmy wiele nowych rzeczy, które możemy wykorzystać w innych dziedzinach życia.

Źródła

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!