Úvod
Idea “schodov do vesmíru” je stará hádam ako ?udstvo samo. Dokladajú to príbehy o Babylonskej veži ?i Jakubovom rebríku a ?alšie. Moderný koncept vesmírneho vý?ahu (presnejšie vesmírnej veže) na?rtol však až na konci devätnásteho storo?ia ruský génius Konstantin Ciolkovskij, neskôr ho rozvinuli ?alší sovietski a aj americkí vedci. Prvým bol Jurij Arcutanov v roku 1960, ktorý ho však publikoval len v nede?nej prílohe sovietskeho denníka Pravda a teda zostal odbornou verejnos?ou nepovšimnutý. Do širšieho povedomia odbornej aj laickej verejnosti koncept vesmírneho vý?ahu uviedol až ameri?an Jerome Pearson, ktorý nezávisle na predchádzajucich autoroch v roku 1975 publikoval modernú štúdiu o vý?ahu v ?asopise Acta Astronautica.
V tomto ?lánku by sme si povedali základné informácie o vesmírnom vý?ahu, aký je jeho princíp, a ako vyzerajú plány na jeho uskuto?nenie, ke?že projekt je v blízkej dobe v?aka pokroku v nanotechnológiách realizovate?ný a nepatrí už len do ríše sci-fi. Sústredili by sme sa najmä na navrhované spôsoby riešenia problémov spojených s jeho vybudovaním a prevádzkou. Vychádza? budeme najmä zo záverov doposia? najpodrobnejšej štúdie, ktorú na objednávku NASA vypracoval Institute for Scientific Research pod vedením Dr. Edwardsa. Kone?ný projekt sa môže samozrejme líši?, avšak základné ?rty zostanú s najvä?šou pravdepodobnos?ou ve?mi podobné.
Ešte predtým však zhr?me úplne stru?ne o ?om sa budeme rozpráva?:
Vesmírny vý?ah je zariadenie, ktoré pod?a sú?asného tempa rozvoja technológií bude už onedlho realizovate?ný, a poskytne nám revolu?né nieko?kodesiatok až stonásobné zlacnenie vynášania nákladu na obežnú dráhu okolo Zeme a nieko?ko stotisícnásobné zlacnenie prepravy nákladu k blízkym planétam. Bude znamena? naozajstný prelom v kozmickom veku a umožní skuto?ný prienik druhu Homo Sapiens Sapiens do vesmíru, s enormným zlacnením všetkých technologických výdobytkov založených na kozmickom priemysle a rozvojom ?alších v budúcnosti.
Fyzikálny princíp vý?ahu.
Princíp je vcelku jednoduchý. Aby sa teleso udržalo na obežnej dráhe okolo Zeme, musí ma? dostato?nú rýchlos?. Na povrchu Zeme sa táto rýchlos? rovná tzv. prvej kozmickej rýchlosti, rovnej cca 7,9 km/s, pri ktorej bude odstredivá sila pôsobiaca na takéto teleso rovná gravita?nej sile, ktorou na teleso pôsobí Zem. ?ím vyššie ste nad povrchom Zeme, tým viac slabne jej gravita?ná prí?ažlivos? a potrebná obežná rýchlos? je nižšia. V ur?itej výške nastane situácia, ke? obežná rýchlos? klesne nato?ko, že bude rovná rýchlosti otá?ania sa Zeme (zemského povrchu) pod družicou. Táto výška sa nazýva geostacionárna dráha a družica obiehajúca Zem nad rovníkom po tejto dráhe bude akoby stále nad jedným miestom na povrchu.
Obr.1: Vesmírny vý?ah v reálnych proporciách.
Teraz si predstavme, že z takejto družice spustíme na Zem lano tak, aby ?ažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. ?as? lana pod gestacionárnou dráhou bude gravita?ne pri?ahovaná k Zemi (ke?že bude obieha? nižšou rýchlos?ou ako je potrebná na vykompenzovanie gravitácie), kdežto ?as? lana nad geostacionárnou dráhou bude ma? v?aka prevažujúcej odstredivej sile snahu od Zeme uniknú?. Gravita?ná a odstredivá sila pôsobiaca na celé lano teda pôsobia proti sebe a lano tak pri vhodnej d?žke dokáže "levitova?" bez toho, žeby sme museli použi? dodato?ný (napr. raketový) pohon na to, aby zostalo na obežnej dráhe. Samozrejme, pri vy?ahovaní nákladu na lano za?ne pôsobi? dodato?ná sila smerom k Zemi (jednak v?aka váhe nákladu a vozidla, jednak na za?iatku aj v?aka jeho zrýchleniu). Pádu lana zabránime tým, že lano ukotvíme na Zemi (na to má slúži? ve?ká pohyblivá platforma na spôsob plávajúcich ropných veží), a ?ažisko lana (závislé najmä na d?žke lana nad geostacionárnou dráhou a vzdialenosti a hmotnosti protiváhy úplne na konci lana) posunieme o nie?o vyššie ako je geostacionárna dráha. Výsledkom bude, že celková odstredivá sila pôsobiaca na lano bude o nie?o vä?šia ako gravita?ná prí?ažlivá sila, a lano bude ma? slabú tendenciu uniknú? od Zeme. Rozdiel týchto síl bude sta?i? ve?mi malý – povedzme nieko?ko desiatok ton (závisí na projektovanej nosnosti vý?ahu). Bez problémov potom môžme vy?ahova? náklad bez hrozby pádu ?i namotania lana na Zem, pretože táto prebyto?ná odstredivá sila ho bude neustále udržiava? v stabilnej pozícii.
Týmto sa vyrieši problém aj s tzv. Coriolisovou silou, ktorá bude pôsobi? na pohybujúci sa náklad a teda aj na lano. Coriolisova sila pôsobí na vy?ahovaný ?i klesajúci náklad v?aka tomu, že s výškou sa mení obežná rýchlos? nákladu - ?ím vyššie sa náklad nachádza, tým vyššiu obežnú rýchlos? na vý?ahu má. Túto rýchlos? pri výstupe mu však musí lano doda? (pri klesaní odobra?), a teda náklad bude na lano pôsobi? silou kolmou na lano (z energetického poh?adu je vesmírny vý?ah zariadenie využívajúce rota?nú energiu Zeme). Coriolisova sila je však ve?mi malá, a spôsobí len istú malú a vopred vypo?ítate?nú odchýlku lana (nepresiahne hodnotu 1 oblúkového stup?a). Akýmko?vek vä?ším komplikáciám (napr. dlhodobé navíjanie lana na Zem) zabráni spomínaná odstredivá sila.
Z vedeckého h?adiska je fyzikálny princíp vý?ahu plne vyriešený a nie je na ?om ni? nereálneho ?i nejasného.
Dostupné ciele.
Ako už bolo spomenuté, ?ím vä?šiu výšku na vý?ahu dosiahnete, tým vä?šiu obežnú rýchlos? budete ma?. Od istej výšky nad povrchom bude možné uvo?nením z vý?ahu uvies? objekty na nízku eliptickú dráhu. Vo výške 35 810 km zostane teleso po odpútaní na kruhovej geostacionárnej dráhe. Z vä?šej výšky bude možné vypúš?a? telesá na vysokú eliptickú dráhu (navedenie na kone?nú dráhu želanej excentricity bude uskuto?nené dodato?ným slabým raketovým pohonom). Vo výške 46 770 km dosiahne obežná rýchlos? na vý?ahu hodnotu únikovej rýchlosti od Zeme a teda vypustením telesa nad touto výškou bude posla? objekty do medziplanetárneho priestoru. S ?alším zvä?šovaním výšky bude rýchlos? neustále narasta? a bude bude možné posiela? telesá do vzdialenejších oblastí Slne?nej sústavy. Prirodzene, s narastajúcou d?žkou vý?ahu rastú aj nároky na pevnos? materiálu a náklady na jeho vybudovanie. Kompromisným riešením je vý?ah o d?žke cca 91 tisíc kilometrov. S takto dlhým lanom sa bude da? bez použitia urých?ovacej rakety dosta? k Venuši, Mesiacu, Marsu a pri využití gravita?ného urýchlenia pri dostupných planétach aj k jupiterovej sústave, ?o bohato sta?í. Dlhšie lano by umožnilo cestova? aj k ?alším planétam, ale v sú?asnosti by to nebolo rentabilné a ani prive?mi potrebné. Na cestovanie k vzdialenejším planétam bude efektívnejšie vynies? na obežnú dráhu sondu ?i kozmickú lo? s vlastným raketovým pohonom.
Obr.2: Ciele v Slne?nej sústave dostupné s využitím vesmírneho vý?ahu. Vodorovná os ozna?uje d?žku lana vesmírneho vý?ahu, zatia??o zvislá os zodpovedá vzdialenosti od Slnka dosiahnute?nej požitím vý?ahu zodpovedajúcej d?žky.
Prvotné vypustenie na obežnú dráhu.
Existuje viacero variantov, z nich najprepracovanejšia a najjednoduchšia je varianta využívajúca sú?asné technológie a raketové nosi?e. Na vypustenie družice nesúcej prvotné lano spolu s raketovými motormi a palivom potrebným na presun na geostacionárnu dráhu bude sta?i? sedem štartov raketoplánov a jeden štart nosi?a Centaurus. Z geostacionárnej dráhy sa za?ne z družice odvíja? prvotné lano s nízkou nosnos?ou (pretože len tak môžme zabezpe?i?, že celé lano bude možné na jeden štart dopravi? na obežnú dráhu. Skladanie hrubšieho lana z viacerých ?astí až na orbite je riskantné, pretože takéto technológie nie sú na obežnej dráhe odskúšané a boli by ve?mi náro?né a nespo?ahlivé). Na konci bude umiestnená malá sonda so slabým motorom, ktorý dodá lanu prvotný impulz. ?alej sa lano bude odvíja? v?aka gravitácii Zeme. Po?as odvíjania sa bude družica synchronizovane vz?a?ova? od Zeme, tak aby ?ažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. Malá sonda na konci lana bude obsahova? aj vysiela?, v?aka ktorému bude lano po dosiahnutí povrchu Zeme ?ahko identifikovate?né. Po zachytení a ukotvení konca lana na plávajúcu plošinu sa vyšlú špeciálne climbery ("šplha?e" - vozidlá vynášajúce po lane náklad) v predpokladanom po?te 207, vezúce ?alšie vrstvy lana. Tie po?as svojho výstupu lano postupne rozšíria na požadovanú nosnos? 20 ton. Podobný princíp sa využíva napr. pri budovaní visutých mostov. Každý z climberov bude následne umiestnený na konci lana a bude slúži? ako protiváha spolu s pôvodnou družicou nesúcou prvotné lano. Po dokon?ení celého procesu budú môc? za?a? premáva? samotné climbery s nákladom. Ukotvenie lana bude zabezpe?ené plávajucou plošinou na oceáne (k výhodam tohto riešenia sa vrátime pri popise problémov a ich riešenia), podobnou ako su dnešné morské ropné plošiny.
Problémy a ich navrhované riešenie.
Napriek jednoduchosti princípu, ur?ite netreba zvláš? zdôraz?ova?, že vesmírny vý?ah je úplne nová a prevratná technológia, vyžadujúca mnoho podrobného výskumu a vývoja. Pri jeho konštrukcii a stavbe bude potrebné ?eli? mnohým výzvam a problémom. Vesmírny vý?ah však už prešiel prvými kritickými fázami serióznych štúdií, uskuto?nených, prípadne organizovaných renomovanými vedcami z Los Alamos National Laboratory, Marshall Space Flight Center, NASA Institute for Advanced Concepts, National Space Society, Institute for Scientific Research a podobne. Pozrime sa stru?ne na výsledky týchto analýz a navrhované spôsoby riešenia problémov.
0. Existencia dostato?ne pevného a ?ahkého materiálu v potrebnej d?žke.
Obr. 3: Štruktúra uhlíkových nanotrubi?iek vizualizovaná po?íta?om (v?avo) a poh?ad elektrónovým mikroskopom na už vytvorené nanotrubi?ky(vpravo).
Kredit: http://www.chem.ufl.edu, http://jatonline.co.uk/~nanotubes
Najvä?ším problémom, ktorý znemož?oval postavi? vý?ah po celý ten ?as a posúval ho do ríše sci-fi, bola neexistencia dostato?ne pevného a ?ahkého materiálu, ktorý by vydržal extrémny ?ah, ktorý na lano vý?ahu bude pôsobi?. Všetko sa však zmenilo výskumom japonského profesora Sumijo Iijima v roku 1991, ktorý objavil tzv. uhlíkové nanotrubi?ky (angl. carbon nanotubes). Ide o novú štruktúru uhlíkových atómov (po tuhe, diamante a napr. C60) príbuznú fulerénom, v ktorej sú, zjednodušene povedané, uhlíkové atómy sto?ené v jednoatómovej vrstve do akejsi mikroskopickej rúrky stotisíckrát tenšej ako ?udský vlas. Tento materiál je extrémne pevný v ?ahu (60 x pevnejší ako oce?) a ?ahký (hustota len o nie?o vä?šia ako hustota vody). Tieto dve vlastnosti mu umož?ujú vydrža? aj ?ah (a s dostato?nou rezervou) lana vesmírneho vý?ahu, ktorý je len jednou z nepreberného množstva aplikácií tohto prevratného nanotechnologického materiálu. Nie neodôvodnene sa hovorí o nástupe “doby uhlíkovej”, ktorá zmení náš každodenný život.
Materiál už teda máme, treba však samozrejme pokra?ova? vo výskume, aby bolo možné vyrobi? ho v dostato?nej d?žke nieko?ko desiatok tisíc kilometrov, ?o iste ešte prinesie nejedno prekvapenie a potrebu výskumu. Vývoj v tejto oblasti však ve?mi rýchlo napreduje.
1. Meteorologické vplyvy (vietor, blesky, dáž?...).
Obr. 4: Modifikovaný dizajn lana zabezpe?ujúci odolnos? vo?i meteorologickým vplyvom (najmä vetru). ?avá ?as? zobrazuje poh?ad spredu, pravá ?as? bo?ná profil lana. Zvislá os zodpovedá výške lana nad povrchom Zeme a vodorovná os šírke, resp. hrúbke lana.
V najnižšej výške nad povrchom je samozrejme problémom prítomnos? atmosféry. Výpo?tom sa dá zisti?, závisiac od použitého dizajnu lana (ktorý závisí od parametrov ako napr. potrebná pevnos? lana, odolnos? vo?i mechanickému poškodeniu vplyvom pohybujúceho sa nákladu a podobne), aká je maximálna prípustná rýchlos? vetra, ktorá ešte nespôsobí pretrhnutie lana. Výsledok je pod?a o?akávania pomerne optimistický - ohrozil by ho až hurikán. Riešením problému je vybratie vhodnej lokality na Zemi chudobnej na búrky a prudké zmeny po?asia. Pod?a dlhodobých meteorologických a klimatologických záznamov a vzh?adom na potrebu umiestnenia vesmírneho vý?ahu blízko rovníka najvhodnejšou lokalitou na jeho umiestnenie je oblas? západne od Galapágskych ostrovov v Tichom oceáne.
Táto oblas? je vhodná aj z úzko súvisiaceho dôvodu - obla?nosti. Pohon climberov bude totiž zabezpe?ený laserovým prenosom energie – sú?as?ou climberov bude aj malý disk, ktorý bude prijíma? energiu z vysiela?a na kotviacej plošine. Táto technológia je už v zna?nom štádiu rozpracovania a úspešne otestovaná. Blesky predstavujú ?alšie riziko - aj keby sme totiž uhlíkové vlákna pokryli nevodivým materiálom, po?as búrky a daž?a sa voda na lane stáva vodivou a blesk lano môže zni?i?, ke?že vodivos? takéhoto predmetu bude vä?šia ako vodivos? vzduchu. Preto vý?ah bude v oblasti, kde sa blesky nevyskytujú - teda západne od Galapág. Zriedkavým búrkam (ktoré sa samozrejme nedajú celkom vylú?i?) sa bude da? vyhnú? presunom plávajúcej kotviacej plošiny pod?a reálnej meteorologickej situácie (monitorovanej samozrejme satelitmi). Obr. 5: Vý?ah bude ukotvený na plávajúcej morskej plošine umož?ujúcej vyhnú? sa hurikánom a búrkam.
2. Oxidácia atmosférickým kyslíkom.
Nejedná sa o molekuly kyslíka v atmosfére, jedná sa o nebezpe?ný jednoatómový kyslík vo výške nieko?ko stoviek kilometrov - je to ve?mi agresívna látka. Experimenty ukazujú, že aj uhlíkové nanovlákna oxidujú. Riešenie - nanesieme na ne tenkú vrstvu kovu (z dlhodobých experimentov na obežnej dráhe sú preukázate?ne odolné napr. zlato a aj iné materiály). Váhu lana to ovplyvní len minimálne, ke?že sa jedná len o úsek nieko?ko sto kilometrov (?o je málo oproti celkovej d?žke cca 91 000 km) a je posta?ujúce, aby vrstva mala hrúbku len nieko?ko mikrometrov.
3. Satelity na obežnej dráhe.
Je prirodzené, že môže dôjs? ku kolízii lana so satelitmi po?as ich obehu. Existuje presná databáza satelitov, takže nie je problém na týždne dopredu vypo?íta? hrozbu zrážky. Lano bude mobilné - práve z toho dôvodu bude základ?a pohyblivá (plávajúca plošina), a manévre sa budú robi? tak, aby sa predišlo akýmo?vek zrážkam. Frekvencia manévrov bude v rozumných medziach, ke?že satelitov je limitované množstvo.
4. Odpad a trosky na obežnej dráhe. Mikrometeority.
V sú?asnosti je na obežnej dráhe množstvo odpadu, ktorý je serióznou hrozbou nielen pre vesmírny vý?ah. Úlomky stup?ov rakiet, trosky zo zaniknutých sond, staré nepoužívané satelity at?... Mnoho desiatok tisíc objektov o ve?kosti nad 1 cm. Naš?astie, vyskytujú sa len na nízkej obežnej dráhe (cca od 200 do 1000 km). Riešení je viacero:
monitorovanie trosiek.
Dnes sú trosky zmapované do ve?kosti 10 cm. Kvôli medzinárodnej vesmírnej stanici ISS sa za 100 miliónov dolárov pripravuje monitorovanie až do ve?kosti 1 cm. Pod?a teoretických výpo?tov (NASA používa simula?né programy kalibrované napr. aj pozorovaniami ISS a raketoplánov) vyplýva, že vý?ah sa bude musie? vyhýba? úlomkom vä?ším ako 1 cm približne jedenkrát za de?. To je akceptovate?ná frekvencia v rámci únosnosti. Trosky menšie ako 1 cm spolu s mikrometeoritmi nepredstavujú vážny problém, pretože aj ke? ich po?et narastá a ich kinetická energia je stále zna?ná, nie sú pre vý?ah nebezpe?né, a to v?aka druhému riešeniu:
vhodný makroskopický aj mikroskopický dizajn lana.
V prvom rade šírka lana bude v kritickej výške zdvojená. Rovnako priemer jednotlivych vlákien lana a vzdialenosti medzi nimi budú také, aby sa minimalizovala škoda spôsobená mikrometeoritom/malými troskami. Zakomponovanie prie?nych vlákien takisto umožní zvýši? odolnos? vo?i poškodeniu. Ve?kou výhodou bude dizajn lana realizovaný nie v podobe lana v bežnom slova zmysle, ale pôjde skôr o stuhu - pás široký v priemere jeden meter a tenký len nieko?ko mikrometrov (tieto parametre sa budú meni? v závislosti od výšky nad povrchom). Okrem toho, pás nebude plochý, ale bude tvarovaný do oblúka. Výpo?ty ukazujú, že takýto dizajn zníži nebezpe?nos? a ve?kost poškodenia až o nieko?ko rádov. Životnos? lana bude pri vhodnom dizajne až 200 rokov, ?o je plne posta?ujúce.
Obr. 6: Prierez navrhnutým lanom (v?avo); závislos? šírky lana od výšky nad zemou (vstrede); a tzv. Hoytether (vpravo) - prie?ny dizajn lana zvä?šujúci jeho odolnos? vo?i poškodeniu mikrometeoritmi a troskami na obežnej dráhe, navrhnutý Robertom Hoytom.
5. Oscilácie lana.
Gravita?ným a slapovým pôrobením Mesiaca a Slnka ako aj vplyvom stúpania a klesania pohybujúceho sa nákladu bude dochádza? k osciláciám. Riešením je vhodná frekvencia a rýchlos? pohybujúcich sa climberov so zosynchronizovanou d?žkou lana. Výpo?ty ukazujú, že napr. lano o d?žke cca 70 000 km by malo ve?ké problémy v?aka rezonan?nej frekvencii s obehom Mesiaca/rotáciou okolo Zeme. Navrhované lano má však d?žku 91 000 km - je to výhodné nielen z h?adiska oscilácii, ale aj z h?adiska spomínaných dostupných cie?ov v Slne?nej sústave.
6. Zahrievanie lana.
Lano sa bude prirodzene zahrieva? jednak pôsobením slne?ného žiarenia, jednak vystupujúcimi climbermi, a jednak aj osciláciami a pnutiami v lane. Výpo?ty ukazujú, že lano uvažovaného dizajnu bez problémov vyžiari všetko žiarenie prirodzeným tepelným vyžarovaním do vo?ného priestoru. Treba si však uvedomi?, že ak pôjdeme s climberom vyššie ako je geostacionárna dráha (napr. pri vypúš?aní sond na Mesiac a k iným planétam), energiu nebudeme musie? na šplhanie dodáva?, ale energiu budeme dostáva?! Rovnako ako aj pri znášaní nákladu z obežnej dráhy na Zem - climber bude musie? brzdi? a teda energia sa bude uvo??ova?. Tento prebytok energie môžme zúžitkova? napr. konverziou na energiu elektrickú. Prebytok zvyšného tepla sa bude rieši? vyžarovaním, vedením, alebo prípadne aj absorbciou do ?asti nákladu (napr. vodná zásoba, ke?že voda má ve?kú tepelnú kapacitu, i ke? toto riešenie by predstavovalo zníženie efektívneho nákladu). Je zaujímavé, že vý?ah z fyzikálneho poh?adu bude pracova? ve?mi efektívne a energeticky úsporne. Aj v prípade nevyužívania brzdnej energie bude na prevádzku sta?i? zdroj s výkonom cca 20 MW. Netreba vyvíja? žiadnu novú technológiu, podobné zdroje majú už aj dnešné ropné plošiny.
7. Ionosféra a jej vybíjanie.
Ionosféra je oblas? atmosféry vo výške cca od 20 do 2000 km nad povrchom, ktorá obsahuje ionizované ?astice nesúce elektrický náboj (o nezanedbate?nom napätí približne 300 V/m). Ke?že lano bude ma? istú vodivos?, môže teoreticky tento náboj vybíja?. Hustota ionosféry je však nízka, a analýza ukazuje, že vybíjanie bude vzh?adom na vlastnosti lana (napr. nízka vodivos?, malý prierez) a ionosféry ve?mi malé, maximálne v okolí nieko?ko metrov od lana. Nehrozí teda žiaden problém s prílišným zahrievaním lana v?aka tomuto efektu ani vybitie ionosféry z dlhodobého h?adiska. Samozrejme, pri konštrukcii climberov (najmä pre ?udí) sa bude musie? po?íta? s existenciou ionosféry.
8. Teroristický útok, nehoda vý?ahu.
Motiváciou pre teroristov nebudú škody na životoch. Celé lano totiž váži len nieko?ko sto ton, pri?om zaúto?i? môžu reálne len na jeho spodnú ?as? - aj v prípade útoku družicou (v plánoch sú samozrejme aj akcie typu "Pakistanská družica, ktorá dva roky plnila mierové vedecké ú?ely zrazu zmenila kurz priamo na lano...") dôjde k prerušeniu lana maximálne do výšky 1000 km, ?o je len nie?o vyše stotiny celej jeho d?žky, takže na Zem v najhoršom prípade spadne nieko?ko ton lana. Ak by však aj došlo k prerušeniu lana vo vä?šej výške, ke?že lano je ve?mi tenké a ?ahké, takmer všetko zhorí v atmosfére, ciže celkový deštruk?ný efekt je na úrovni padajúceho hárku kancelárskeho papiera. Zdravotné ú?inky zhorených uhlíkových nanotrubi?iek (napr. pri vdýchnutí) by nemali by? škodlivé, ale výskum v tomto smere pokra?uje. Motivácia teroristov môže by? teda len ekonomická - spôsobi? škody tým, že sa zni?í ekonomicky výhodný prostriedok na dopravu na obežnú dráhu. Ibaže - ak sa postaví prvý vý?ah (za cca 40 mld. $ v sú?asných cenách), tak druhý a ?alšie vý?ahy budú podstatne lacnejšie - pretože už nebude potrebný zložitý proces prvotného vynášania na obežnú dráhu pomocou klasických rakiet, monitorovací systém trosiek vybudovaný pre prvý vý?ah bude slúži? aj pre všetky ?alšie vý?ahy sú?asne at?. Bude možné vybudova? nieko?ko desiatok vý?ahov v rýchlom slede, takže aj keby niektorý(é) z nich boli zni?ené teroristickým útokom, znovunatiahnutie lana nebude ve?mi nákladné vzh?adom na existenciu ostatných vý?ahov. Teroristi tak strácajú dôležitý prvok motivácie. Okrem toho, pohyblivá plošina sa bude nachádza? nieko?kostokilometrov od akýchko?vek leteckých liniek, takže jediná reálna možnos? je útok balistickou strelou alebo družicou, nie lietadlom. Všetko bude kontrolova? samozrejme americká (?i iná) armáda. Navyše, ?alšie postavené vý?ahy budú slúži? už pre komer?né firmy a pre iné štáty. Takže nebude to majetok národov ?eliacich terorizmu, ale aj iných krajín, vo?i ktorým teroristi nebudú ma? motiváciu úto?i?. Minimálne deštruk?né následky sa prirodzene vz?ahujú aj na prípad nehody vý?ahu.
9. Neexistujúce technológie - utópia?
Ve?kou výhodou tohto projektu oproti mnohým iným je, že nestavia na neexistujúcich technológiách. Všetko od kotviacej plošiny (typu ropná plošina a existujúci projekt Sea Launch), cez výrobu energie a jej laserový prenos, elektrický pohon climberov, prvotné vynesenie na obežnú dráhu pomocu raketoplánov a existujúcich nosi?ov at?, sú existujúce technológie, prípadne technológie v zna?ne rozvinutom štádiu vývoja. Samozrejme, ke?že vý?ah bude jedine?ný, ve?ké množstvo výskumu sa bude musie? ešte len uskutocni?, avšak dôležitý je fakt, že principiálny problém neexistuje. Existujú najmä dve záležitosti, ktoré si vyžadujú nieko?ko rokov výskumu (?o je vcelku krátka doba, ak zoberieme do úvahy revolu?nos? výsledku):
- nevyrobili sme ešte dostato?ne dlhé lano z nanotrubi?iek. Toto je vzh?adom na vývoj v tejto oblasti s najvä?šou pravdepodobnos?ou len otázka spomínaných nieko?kých rokov (napr. Japonsko je zatia? schopné produkova? 120 ton uhlíkových nanotrubi?iek obmedzenej d?žky za rok). Doterajšie experimenty s nieko?kometrovými pásmi z nanotrubi?iek dokazujú, že lano sa bude da? vyrobi? a aj jeho pevnos? bude dostato?ná na udržanie obrovského ?ahu, ktorý bude na lano pôsobi?.
- existuje len minimálna ochrana ?loveka pred kozmickým žiarením po?as výstupu na geostacionárnu dráhu. To je pravda - ke?že rýchlos? výstupu na vý?ahu je cca 200 km/hod, na geostacionárnu dráhu to môže trva? až viac ako týžde?. Na nízkej obežnej dráhe (pod cca 1000 km) to nie je ve?ký problém, kozmonauti tam trávia týždne aj roky už dnes. Problém nastane ke? chceme ís? vyššie - na geostacionárnu dráhu a ?alej (k Marsu at?) treba prekro?i? ionosféru a tzv. val Allenove radia?né pásy okolo Zeme, ktoré chránia Zem pred nebezpe?ným kozmickým žiarením. Tienenie kovovými lištami je ve?mi náro?né na hmotnos?, a teda bude možné takto ?udí vozi? na geostacionárnu orbitu, až ke? bude postavený vý?ah s vä?šou kapacitou (prvotný bude ma? kapacitu cca 20 ton) – v priebehu nieko?kých rokov sa vý?ah dá upravi? na nosnos? až 1000 ton nákladu. Aj tak však táto metóda nebude ve?mi efektívna, a preto sa musí vyvinú? elektromagnetické tienenie. To je však ešte len v plienkach, na rozdiel od ostatných dôležitých sú?astí projektu.
Ovšem vynášanie nákladu a ?udí sú dve rozdielne veci. Doprava kozmonautov na obežnú dráhu môže v prvotných fázach zosta? stále v rukách ?isto raketových pohonov, kým sa nevyvinie vhodné eletromagentické tienenie. V každom prípade, vesmírny vý?ah nie je žiadnou konkurenciou pre raketové pohony, naopak, je ich spojencom. V?aka kozmickému vý?ahu budeme môct skonštruova? priamo na obežnej dráhe ve?ké kozmické lode, stanice a sondy, o hmotnosti stoviek a tisícov ton. Budeme môc? postavi? orbitálne mestá ?i slne?né elektrárne produkujúce lacnú elektrickú energiu, všetko projekty náro?né na množstvo dopraveného materiálu, a teda uskuto?nite?né až v dobe, ke? sa doprava materiálu na obežnú dráhu stane naozaj ekonomickou. Telekomunika?ný priemysel získa mocný nástroj na zefektívnenie vynášania a údržby svojich satelitov (v dnešnej dobe ak nastane na telekomunika?nom satelite porucha, je ?astokrát lacnejšie celý satelit zni?i? a vypusti? drahý nový, pretože oprava poškodeného satelitu by bola drahšia ako výroba a vypustenie nového! Samozrejme, v kone?nom dôsledku všetko platia zákazníci). Elektronický priemysel bude môc? lacno vyrába? priamo na obežnej dráhe ve?ké (napr. kremíkové) kryštály, ktoré v podmienkach beztiaže pod?a experimentov rastú do podstatne vä?ších rozmerov a majú vyššiu kvalitu a menej defektov, ?o by malo za následok ?alšie zlacnenie výroby procesorov a podobne. Priamo na obežnej dráhe budeme môc? konštruova? silné raketové (a iné) motory na samotné cestovanie vesmírom, nielen na vynášanie na obežnú dráhu so všetkými problémami, ktoré sú s tým spojené. A všetko ve?mi lacno. K tomu prispeva aj fakt, že vý?ah umož?uje nielen vynášanie nákladu, ale aj jeho šetrné a bezpe?né znesenie na povrch. Všetky tieto fakty predstavujú priamy dopad vý?ahu nielen na rozvoj vedy a poznania, ale aj ekonomiky a priemyslu.
Kompletné odhadované náklady na prvý vý?ah (vrátane vývoja, vynesenia na obežnú dráhu, prevádzky a všetkého s tým súvisiaceho) sú cca 40 miliárd dolárov. Doba stavby cca 10 rokov. Porovnajte to napr. so 60 mld. dolárov, ktoré bude stá? medzinárodná vesmírna stanica ISS (alebo so 173 miliardami dolárov, ktoré minuli USA do júna 2005 na vojnu v Iraku). Druhý vý?ah sa bude da? postavi? lacnejšie, cca 13 mld. $, už len za nieko?ko rokov, tretí vý?ah ešte lacnejšie a rýchlejšie tak ako sa bude zvyšova? kapacita predchádzajúcich vý?ahov.
Prevratné možnosti a rozvoj.
Po vybudovaní prvého funk?ného vý?ahu kozmonautika zaznamená obrovský skok dopredu - ke?že doprava na obežnú dráhu neuverite?ne zlacnie, bude vesmír prístupný aj chudobnejším krajinám, súkromným firmám a jednotlivcom. Navyše, v?aka vý?ahu bude mnohonásobne lacnejšie dosta? sa k Marsu, ke?že prakticky za rovnakú cenu ako vynesenie na obežnú dráhu môže náklad získa? rýchlos? potrebnú aj na cestu k Marsu. Existujú už aj projekty vesmírneho vý?ahu na Marse, ktorý má viaceré špecifiká v porovnaní so Zemou - menšia gravitácia, menší polomer, dva krúžiace mesia?iky Fobos a Deimos. Výsledok - vý?ah bude menej náro?ný ako na Zemi, bude kratší (pritom s rovnakou kapacitou ako pozemský), a nebude sa musie? pasova? s pozemskými problémami v?aka tenšej atmosfére a žiadnemu odpadu na obežnej dráhe. Ukotvenie by mohlo by? situované nie na rovníku, ale napr. na najvä?šej neaktívnej sopke v Slne?nej sústave Mons Olympus, ?ím sa vyhneme mesiacom Phobos a Deimos a navyše vrchol sopky sa nachádza vo výške cca 24 km nad okolím, teda výrazne nad najhustejšími vrstvami atmosféry.
Rovnako aj bližší cie? - Mesiac - poskytne možnosti vlastného vý?ahu. V?aka pomalej rotácii Mesiaca cca raz za 29 dní však nebude využíva? stacionárnu dráhu okolo Mesiaca, ale napr. Lagrangeho bod 1 - miesto, kde sa gravita?ná prí?ažlivos? Zeme a Mesiaca návzajom vyrovnáva, vo výške 56 000 km nad povrchom Mesiaca. Lunárny vý?ah by bol dlhší ako zemský, ale v?aka nižšej gravitácii by nepotreboval by? až nato?ko pevný vo?i ?ahu a dal by sa vybudovat dokonca už aj zo v sú?asnosti existujúcich komer?ných materiálov ako Kevlar, Spectra ?i vlákno M5.
Viete si predstavi?, aký pokrok bude znamena?, ke? na Mesiac a Mars budeme môct dopravi? a rovnako aj privies? materiál za mizivý zlomok sú?asnej ceny? Až vtedy nastane za?iatok naozajstnej kolonizácie Mesiaca a Marsu, naozajstný masívny prienik ?loveka do vesmíru, ktorý zmení náš každodenný život.
 Obr. 7: ?asový harmonogram realizovate?ný v (ideálnom) prípade dostatku finan?ných zdrojov uvo?nených na projekt. Spodná os predstavuje uplynuté roky.
1. Dizajnovanie climberov a prvotnej družice.
2. Konštruovanie prvotnej družice.
3. Vypustenie prvotnej družice na geostacionárnu dráhu.
4. Konštruovanie climberov.
5. Výroba materiálu lana.
6. Budovanie lana pomocou climberov.
7. Dizajnovanie laserového napájania.
8. Budovanie pozemnej energetickej základne/elektrárne pre laserové napájanie.
9. Dizajnovanie systému mapovania trosiek na obežnej dráhe.
10. Budovanie zariadení pre mapovanie trosiek.
11. Dizajnovanie kotviacej plošiny.
12. Budovanie kotviacej plošiny.
1-12. Budovanie prvého vý?ahu.
13. Druhý vý?ah.
14. Tretí až desiaty vý?ah.
15. Vý?ah s nosnos?ou tisíc ton.
16. Za?iatok prevádzky vý?ahov pre komer?né ú?ely.
17. Za?iatok budovania geostacionárnej stanice.
18. Dizajnovanie vý?ahu na Marse.
19. Výroba lana pre vý?ah na Marse.
20. Prevoz lana k Marsu.
21. Zašiatok budovania ?alších lán pre vý?ahy na Marse.
22. Za?iatok budovania mar?anskej orbitálnej stanice.
23. Budovanie ?alších pozemských vý?ahov a geostacionárnych staníc.
24. ?ažba materiálov z asteroidov.
25. Kolonizácia Marsu.
26. Bezpilotný prieskum Slne?nej sústavy.
27. Budovanie vý?ahov pri ?alších planétach.
28. Pilotovaný prieskum Slne?nej sústavy.
Na záver by sme pripomenuli, že tento ?lánok vzh?adom na obmedzený rozsah slúži len ako úvod do problematiky vesmírneho vý?ahu. Nemohli sme tu pokry? celú jej šírku do detailov. Omnoho podrobnejšiu štúdiu a aj odpovede na vynárajuce sa otázky nájdete v originálnej štúdii uvedenej na konci ?lánku ako aj v príspevkoch z poslednej konferencie týkajucej sa vý?ahu.
Rovnako dôležité je uvedomi? si, že tento projekt nie je len zbožným prianím alebo technicky onedlho uskuto?nite?nou ale ekonomicky nerealizovate?nou fantáziou nieko?kých nadšencov. Mali sme tu už mnoho futuristických projektov, ktoré by pri dostatku financií boli uskuto?nite?né. Všetky tieto pekné futuristické projekty minulosti aj sú?asnosti však majú jeden závažný nedostatok - chýba im ekonomická rentabilita. Budovanie futuristických miest, orbitálnych slne?ných elektrární alebo mesa?ných základní je síce nepochybne ve?mi lákavé pre vedcov ?i politikov (ako manifestácia technologickej prevahy krajiny), avšak nie už pre investorov a ekonomiku všeobecne, ke?že návratnos? prostriedkov bola ak nie nereálna, tak prinajmenšom diskutabilná. Vesmírny vý?ah však za nieko?ko rokov (po zdokonalení technológie výroby uhlíkových nanotrubi?iek) bude spojova? práve tieto dve nevyhnutné podmienky pre jeho realizáciu - pokrok ?udstva a ekonomický zisk. Bude priamo a ú?inne komer?ne využite?ný. Tým sa stáva naozaj výnimo?ným projektom, ktorý je potrebné dostato?ne prezentova? aj ve?kým investorom a firmám. Prvé známky záujmu zo strany súkromných firiem sa už objavujú, napr. v podobe zoskupenia firiem pod názvom LiftPort Group, ktoré sa snaží prispie? k výskumu a vybudovaniu vý?ahu vlastnou rukou.
Ak ste sa do?ítali až sem a podarilo sa nám vo vás vzbudi? aspo? štipku záujmu o tento projekt, tak ?lánok splnil svoj ú?el. Jednou z hlavných momentálnych nedostatkov projektu vesmírneho vý?ahu je totiž skuto?nos?, že len málo ?udí má zatia? o ?om spo?ahlivejšie informácie, presnejšie len málo ?udí vie o jeho realizovate?nosti a o tom, že už nepatrí len do ríše sci-fi tak ako tomu bolo pred rokom 1991. Dúfam, že tento ?lánok prispel k propagácii tohto výnimo?ného projektu, ktorý - ak sa zrealizuje - posunie ?udstvo o ve?ký krok bližšie k hviezdam.
Per aspera ad astra! (Cez prekážky k hviezdam!)
Juraj Kotulic Bunta
[Japan Atomic Energy Agency]
juraj_kotulic AT yahoo.com
Zdroje s podrobnými informáciami aj pre širšiu verejnos? (anglicky):
1. Institute for Scientific Research, The Space Elevator Final Report to NASA Institute for Advanced Concepts.
2. The Space Elevator 3rd Annual Conference, June 28-30, 2004, Washington, D.C.
3. Wikipedia
4. Physical Principles
Naj?astejšie kladené otázky: 1. Nie sú o?akávania vkladané do nanotrubi?iek prehnané? Nie je to len pekná vidina? Nie sú. Skeptikov samozrejme nepresved?í ni?, až pokia? neuvidia hotový funk?ný výsledok, ale aj ke? vedci vždy musia zosta? ?iasto?ne aj skeptikmi, racionálne ohodnotenie vývoja v poslednej dobe ako aj teoretických možností nanotrubi?iek dáva pádne argumenty na to, aby sme boli ve?mi optimistickí. Nanotrubi?ky sú materiál so silným komer?ným uplatnením nielen v?aka ich vlastnostiam v ?ahu. Napr. IBM vyrobilo prvé tranzistory, ktoré s?ubujú zvýšenie výkonov procesorov o nieko?ko rádov. Boli vyrobené prvé záznamové médiá z nanotrubi?iek, umožniac vyrobi? po?íta?ové pamäte s omnoho vä?šou kapacitou ako majú dnes. Uplatnenie nájdu aj v športovom ná?iní (tenisové rakety, golfové lopti?ky...), automobilovom a leteckom priemysle (?ahký a pevný materiál), dajú sa použi? ako extrémne citlivé chemické senzory, at?. V?aka tomu majú komer?né firmy o nanotrubi?ky seriózny záujem a investujú do vývoja – a to je motor pokroku.
Výsledkom je, že zatial?o ešte pred nieko?kými rokmi sme mali nanotrubi?ky o d?žke len nieko?ko mikrometrov, ktoré rástli extrémne pomaly a mali ve?a defektov, tak dnes už máme nanotrubi?ky s pevnos?ou 63 GPa (gigapascalov, vý?ah vyžaduje 100 GPa), dokážeme z nich vyrába? pásy už rýchlos?ou 7 metrov za minútu, a zlacneli nato?ko, že dokonca vo februári tohto roku sa za?ali komer?ne predáva?. Vývoj teda extrémne rýchlo napreduje, a aj ke? dnes ešte nemáme materiál, ktorý by sú?asne sp??al potrebné požiadavky (pevnos?, rýchlos? výroby a kvalita), v každom z týchto smerov vývoj prudko napreduje, a experti nevidia dôvod, pre?o by sa zrazu mal vývoj zastavi? ešte ?aleko od teoretických možností nanotrubi?iek. Optimizmus je teda racionálne založený na pokroku v poslednom období a teoretických prepo?toch.
Viac info napr. aj na:
a) Bayer Material Science AG
b) Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets (Science, Vol. 309., pp. 1215, 2005)
c) Bayer company press release
2. Nezni?ia lano oscilácie, pnutie a rázové vlny? Nie, oscilácie a rázové vlny boli simulované. Samozrejme ide o vážny problém, a pri nedbanlivom ?i neuváženom postupe sa lano môže pretrhnú?, avšak osciláciám sa dá predís? vhodným navrhnutím lana, frekvenciou a hmotnos?ou premávajúcich climberov, pohybom kotviacej plošiny (ktorej pohyb vytvára ale zárove? môže aj pohlcova? oscilácie) a podobne. Vyžadovaná pevnos? lana 100 GPa už zah??a aj výsledky simulácií takýchto rázových v?n, vrátane bezpe?nostnej rezervy. 3. Nespôsobí používanie vý?ahu nebezpe?né spomalenie rotácie Zeme? Nie. Energia odobraná Zemi vý?ahom je o mnoho rádov menšia ako jej rota?ná energia. Vplyv na spomalenie je teda absolútne zanedbate?ný, omnoho menší než je prirodzené spoma?ovanie rotácie Zeme vplyvom slapových síl Slnka ?i Mesiaca. 4. Nie je cena projektu podhodnotená? Nedôjde k tomu, že podobne ako raketoplány s?ubujúce kedysi lacnú dopravu na obežnú dráhu ?i jadrové elektrárne s?ubujúce lacnú energiu, sa projekt predraží a stane sa neekonomickým? V cene je zahrnuté už aj priemerné predraženie ve?kých projektov v nedávnej minulosti, takže je nepravdepodobné, žeby cena príliš narástla. V každom prípade, ekonomický potenciál vý?ahu v podobe pádu cien dopravy do kozmu je ve?mi výrazný. Okrem toho, samotný vý?ah nie je technicky komplikované zariadenie (na rozdiel od raketoplánov aj jadr. elektrární skladajúcich sa z miliónov navzájom prepojených komponentov), neskladá sa z ohromného množstva sú?astí, a teda jeho funk?nos? je relatívne ?ahko predvídate?ná dostato?ným množstvom kvalitných simulácií a experimentov. Objavenie sa dodato?ných komplikácií je teda zna?ne minimalizované. 5. Vý?ahom sa ale predsa nedostaneme všade. Na?o nám teda bude? Samozrejme, vý?ah nebude cestovným lístkom úplne všade. Avšak jeho najvä?ší prínos je to, že ?udstvu pomôže ekonomicky prekona? prvú a najvä?šiu bariéru – dopravu na obežnú dráhu. Akéko?vek ?alšie aktivity ?loveka vo vesmíre (?i už s alebo bez pomoci vý?ahu) výrazne zlacnejú, ke?že dnes všetko vrátane paliva musíme najskôr dopravi? na obežnú dráhu. Vý?ah je len za?iatok rozvoja osíd?ovania vesmíru, nie jeho kone?ná fáza.
Diskusia a komentare k clanku.
Vytvoril: Kotulic Bunta [13. január 2006 10:22:02] / Upravené: [13. apr 2006 04:51:34] / Počet zobrazení: [10479] |
