Úvod
Idea “schodov do vesmíru” je stará hádam ako ¾udstvo samo. Dokladajú to príbehy o Babylonskej veži èi Jakubovom rebríku a ïalšie. Moderný koncept vesmírneho výahu (presnejšie vesmírnej veže) naèrtol však až na konci devätnásteho storoèia ruský génius Konstantin Ciolkovskij, neskôr ho rozvinuli ïalší sovietski a aj americkí vedci. Prvým bol Jurij Arcutanov v roku 1960, ktorý ho však publikoval len v nede¾nej prílohe sovietskeho denníka Pravda a teda zostal odbornou verejnosou nepovšimnutý. Do širšieho povedomia odbornej aj laickej verejnosti koncept vesmírneho výahu uviedol až amerièan Jerome Pearson, ktorý nezávisle na predchádzajucich autoroch v roku 1975 publikoval modernú štúdiu o výahu v èasopise Acta Astronautica.
V tomto èlánku by sme si povedali základné informácie o vesmírnom výahu, aký je jeho princíp, a ako vyzerajú plány na jeho uskutoènenie, keïže projekt je v blízkej dobe vïaka pokroku v nanotechnológiách realizovate¾ný 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 doposia¾ najpodrobnejšej štúdie, ktorú na objednávku NASA vypracoval Institute for Scientific Research pod vedením Dr. Edwardsa. Koneèný projekt sa môže samozrejme líši, avšak základné èrty zostanú s najväèšou pravdepodobnosou ve¾mi podobné.
Ešte predtým však zhròme úplne struène o èom sa budeme rozpráva:
Vesmírny výah je zariadenie, ktoré pod¾a súèasného tempa rozvoja technológií bude už onedlho realizovate¾ný, a poskytne nám revoluèné nieko¾kodesiatok až stonásobné zlacnenie vynášania nákladu na obežnú dráhu okolo Zeme a nieko¾ko stotisícnásobné zlacnenie prepravy nákladu k blízkym planétam. Bude znamena naozajstný prelom v kozmickom veku a umožní skutoèný prienik druhu Homo Sapiens Sapiens do vesmíru, s enormným zlacnením všetkých technologických výdobytkov založených na kozmickom priemysle a rozvojom ïalších v budúcnosti.
Fyzikálny princíp výahu.
Princíp je vcelku jednoduchý. Aby sa teleso udržalo na obežnej dráhe okolo Zeme, musí ma dostatoènú 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 gravitaènej sile, ktorou na teleso pôsobí Zem. Èím vyššie ste nad povrchom Zeme, tým viac slabne jej gravitaèná príažlivos a potrebná obežná rýchlos je nižšia. V urèitej výške nastane situácia, keï obežná rýchlos klesne nato¾ko, že bude rovná rýchlosti otáèania 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 výah v reálnych proporciách.
Teraz si predstavme, že z takejto družice spustíme na Zem lano tak, aby ažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. Èas lana pod gestacionárnou dráhou bude gravitaène priahovaná k Zemi (keïže bude obieha nižšou rýchlosou ako je potrebná na vykompenzovanie gravitácie), kdežto èas lana nad geostacionárnou dráhou bude ma vïaka prevažujúcej odstredivej sile snahu od Zeme uniknú. Gravitaèná a odstredivá sila pôsobiaca na celé lano teda pôsobia proti sebe a lano tak pri vhodnej dåžke dokáže "levitova" bez toho, žeby sme museli použi dodatoèný (napr. raketový) pohon na to, aby zostalo na obežnej dráhe. Samozrejme, pri vyahovaní nákladu na lano zaène pôsobi dodatoèná sila smerom k Zemi (jednak vïaka váhe nákladu a vozidla, jednak na zaèiatku aj vïaka jeho zrýchleniu). Pádu lana zabránime tým, že lano ukotvíme na Zemi (na to má slúži ve¾ká pohyblivá platforma na spôsob plávajúcich ropných veží), a ažisko lana (závislé najmä na dåžke lana nad geostacionárnou dráhou a vzdialenosti a hmotnosti protiváhy úplne na konci lana) posunieme o nieèo vyššie ako je geostacionárna dráha. Výsledkom bude, že celková odstredivá sila pôsobiaca na lano bude o nieèo väèšia ako gravitaèná príažlivá sila, a lano bude ma slabú tendenciu uniknú od Zeme. Rozdiel týchto síl bude staèi ve¾mi malý – povedzme nieko¾ko desiatok ton (závisí na projektovanej nosnosti výahu). Bez problémov potom môžme vyahova náklad bez hrozby pádu èi namotania lana na Zem, pretože táto prebytoèná 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 vyahovaný èi klesajúci náklad vïaka tomu, že s výškou sa mení obežná rýchlos nákladu - èím vyššie sa náklad nachádza, tým vyššiu obežnú rýchlos na výahu 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 poh¾adu je vesmírny výah zariadenie využívajúce rotaènú energiu Zeme). Coriolisova sila je však ve¾mi malá, a spôsobí len istú malú a vopred vypoèítate¾nú odchýlku lana (nepresiahne hodnotu 1 oblúkového stupòa). Akýmko¾vek väèším komplikáciám (napr. dlhodobé navíjanie lana na Zem) zabráni spomínaná odstredivá sila.
Z vedeckého h¾adiska je fyzikálny princíp výahu plne vyriešený a nie je na òom niè nereálneho èi nejasného.
Dostupné ciele.
Ako už bolo spomenuté, èím väèšiu výšku na výahu dosiahnete, tým väèšiu obežnú rýchlos budete ma. Od istej výšky nad povrchom bude možné uvo¾nením z výahu uvies objekty na nízku eliptickú dráhu. Vo výške 35 810 km zostane teleso po odpútaní na kruhovej geostacionárnej dráhe. Z väèšej výšky bude možné vypúša telesá na vysokú eliptickú dráhu (navedenie na koneènú dráhu želanej excentricity bude uskutoènené dodatoèným slabým raketovým pohonom). Vo výške 46 770 km dosiahne obežná rýchlos na výahu hodnotu únikovej rýchlosti od Zeme a teda vypustením telesa nad touto výškou bude posla objekty do medziplanetárneho priestoru. S ïalším zväèšovaním výšky bude rýchlos neustále narasta a bude bude možné posiela telesá do vzdialenejších oblastí Slneènej sústavy. Prirodzene, s narastajúcou dåžkou výahu rastú aj nároky na pevnos materiálu a náklady na jeho vybudovanie. Kompromisným riešením je výah o dåžke cca 91 tisíc kilometrov. S takto dlhým lanom sa bude da bez použitia urých¾ovacej rakety dosta k Venuši, Mesiacu, Marsu a pri využití gravitaèného urýchlenia pri dostupných planétach aj k jupiterovej sústave, èo bohato staèí. Dlhšie lano by umožnilo cestova aj k ïalším planétam, ale v súèasnosti by to nebolo rentabilné a ani prive¾mi potrebné. Na cestovanie k vzdialenejším planétam bude efektívnejšie vynies na obežnú dráhu sondu èi kozmickú loï s vlastným raketovým pohonom.
Obr.2: Ciele v Slneènej sústave dostupné s využitím vesmírneho výahu. Vodorovná os oznaèuje dåžku lana vesmírneho výahu, zatia¾èo zvislá os zodpovedá vzdialenosti od Slnka dosiahnute¾nej požitím výahu zodpovedajúcej dåžky.
Prvotné vypustenie na obežnú dráhu.
Existuje viacero variantov, z nich najprepracovanejšia a najjednoduchšia je varianta využívajúca súèasné technológie a raketové nosièe. Na vypustenie družice nesúcej prvotné lano spolu s raketovými motormi a palivom potrebným na presun na geostacionárnu dráhu bude staèi sedem štartov raketoplánov a jeden štart nosièa Centaurus. Z geostacionárnej dráhy sa zaène z družice odvíja prvotné lano s nízkou nosnosou (pretože len tak môžme zabezpeèi, že celé lano bude možné na jeden štart dopravi na obežnú dráhu. Skladanie hrubšieho lana z viacerých èastí až na orbite je riskantné, pretože takéto technológie nie sú na obežnej dráhe odskúšané a boli by ve¾mi nároèné a nespo¾ahlivé). Na konci bude umiestnená malá sonda so slabým motorom, ktorý dodá lanu prvotný impulz. Ïalej sa lano bude odvíja vïaka gravitácii Zeme. Poèas odvíjania sa bude družica synchronizovane vzïa¾ova od Zeme, tak aby ažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. Malá sonda na konci lana bude obsahova aj vysielaè, vïaka ktorému bude lano po dosiahnutí povrchu Zeme ¾ahko identifikovate¾né. Po zachytení a ukotvení konca lana na plávajúcu plošinu sa vyšlú špeciálne climbery ("šplhaèe" - vozidlá vynášajúce po lane náklad) v predpokladanom poète 207, vezúce ïalšie vrstvy lana. Tie poèas 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 dokonèení celého procesu budú môc zaèa premáva samotné climbery s nákladom. Ukotvenie lana bude zabezpeèené 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, urèite netreba zvláš zdôrazòova, že vesmírny výah je úplne nová a prevratná technológia, vyžadujúca mnoho podrobného výskumu a vývoja. Pri jeho konštrukcii a stavbe bude potrebné èeli mnohým výzvam a problémom. Vesmírny výah však už prešiel prvými kritickými fázami serióznych štúdií, uskutoènených, 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 struène na výsledky týchto analýz a navrhované spôsoby riešenia problémov.
0. Existencia dostatoène pevného a ¾ahkého materiálu v potrebnej dåžke.
Obr. 3: Štruktúra uhlíkových nanotrubièiek vizualizovaná poèítaèom (v¾avo) a poh¾ad elektrónovým mikroskopom na už vytvorené nanotrubièky(vpravo).
Kredit: http://www.chem.ufl.edu, http://jatonline.co.uk/~nanotubes
Najväèším problémom, ktorý znemožòoval postavi výah po celý ten èas a posúval ho do ríše sci-fi, bola neexistencia dostatoène pevného a ¾ahkého materiálu, ktorý by vydržal extrémny ah, ktorý na lano výahu bude pôsobi. Všetko sa však zmenilo výskumom japonského profesora Sumijo Iijima v roku 1991, ktorý objavil tzv. uhlíkové nanotrubièky (angl. carbon nanotubes). Ide o novú štruktúru uhlíkových atómov (po tuhe, diamante a napr. C60) príbuznú fulerénom, v ktorej sú, zjednodušene povedané, uhlíkové atómy stoèené v jednoatómovej vrstve do akejsi mikroskopickej rúrky stotisíckrát tenšej ako ¾udský vlas. Tento materiál je extrémne pevný v ahu (60 x pevnejší ako oce¾) a ¾ahký (hustota len o nieèo väèšia ako hustota vody). Tieto dve vlastnosti mu umožòujú vydrža aj ah (a s dostatoènou rezervou) lana vesmírneho výahu, 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 pokraèova vo výskume, aby bolo možné vyrobi ho v dostatoènej dåžke nieko¾ko desiatok tisíc kilometrov, èo iste ešte prinesie nejedno prekvapenie a potrebu výskumu. Vývoj v tejto oblasti však ve¾mi rýchlo napreduje.
1. Meteorologické vplyvy (vietor, blesky, dážï...).
Obr. 4: Modifikovaný dizajn lana zabezpeèujúci odolnos voèi meteorologickým vplyvom (najmä vetru). ¼avá èas zobrazuje poh¾ad spredu, pravá èas boèná 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. Výpoètom sa dá zisti, závisiac od použitého dizajnu lana (ktorý závisí od parametrov ako napr. potrebná pevnos lana, odolnos voèi mechanickému poškodeniu vplyvom pohybujúceho sa nákladu a podobne), aká je maximálna prípustná rýchlos vetra, ktorá ešte nespôsobí pretrhnutie lana. Výsledok je pod¾a oèakávania pomerne optimistický - ohrozil by ho až hurikán. Riešením problému je vybratie vhodnej lokality na Zemi chudobnej na búrky a prudké zmeny poèasia. Pod¾a dlhodobých meteorologických a klimatologických záznamov a vzh¾adom na potrebu umiestnenia vesmírneho výahu 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 - oblaènosti. Pohon climberov bude totiž zabezpeèený laserovým prenosom energie – súèasou climberov bude aj malý disk, ktorý bude prijíma energiu z vysielaèa na kotviacej plošine. Táto technológia je už v znaènom štádiu rozpracovania a úspešne otestovaná. Blesky predstavujú ïalšie riziko - aj keby sme totiž uhlíkové vlákna pokryli nevodivým materiálom, poèas búrky a dažïa sa voda na lane stáva vodivou a blesk lano môže znièi, keïže vodivos takéhoto predmetu bude väèšia ako vodivos vzduchu. Preto výah bude v oblasti, kde sa blesky nevyskytujú - teda západne od Galapág. Zriedkavým búrkam (ktoré sa samozrejme nedajú celkom vylúèi) sa bude da vyhnú presunom plávajúcej kotviacej plošiny pod¾a reálnej meteorologickej situácie (monitorovanej samozrejme satelitmi). Obr. 5: Výah bude ukotvený na plávajúcej morskej plošine umožòujúcej vyhnú sa hurikánom a búrkam.
2. Oxidácia atmosférickým kyslíkom.
Nejedná sa o molekuly kyslíka v atmosfére, jedná sa o nebezpeèný jednoatómový kyslík vo výške nieko¾ko stoviek kilometrov - je to ve¾mi agresívna látka. Experimenty ukazujú, že aj uhlíkové nanovlákna oxidujú. Riešenie - nanesieme na ne tenkú vrstvu kovu (z dlhodobých experimentov na obežnej dráhe sú preukázate¾ne odolné napr. zlato a aj iné materiály). Váhu lana to ovplyvní len minimálne, keïže sa jedná len o úsek nieko¾ko sto kilometrov (èo je málo oproti celkovej dåžke cca 91 000 km) a je postaèujúce, aby vrstva mala hrúbku len nieko¾ko mikrometrov.
3. Satelity na obežnej dráhe.
Je prirodzené, že môže dôjs ku kolízii lana so satelitmi poèas ich obehu. Existuje presná databáza satelitov, takže nie je problém na týždne dopredu vypoèíta hrozbu zrážky. Lano bude mobilné - práve z toho dôvodu bude základòa pohyblivá (plávajúca plošina), a manévre sa budú robi tak, aby sa predišlo akýmo¾vek zrážkam. Frekvencia manévrov bude v rozumných medziach, keïže satelitov je limitované množstvo.
4. Odpad a trosky na obežnej dráhe. Mikrometeority.
V súèasnosti je na obežnej dráhe množstvo odpadu, ktorý je serióznou hrozbou nielen pre vesmírny výah. Úlomky stupòov rakiet, trosky zo zaniknutých sond, staré nepoužívané satelity atï... Mnoho desiatok tisíc objektov o ve¾kosti nad 1 cm. Našastie, vyskytujú sa len na nízkej obežnej dráhe (cca od 200 do 1000 km). Riešení je viacero:
monitorovanie trosiek.
Dnes sú trosky zmapované do ve¾kosti 10 cm. Kvôli medzinárodnej vesmírnej stanici ISS sa za 100 miliónov dolárov pripravuje monitorovanie až do ve¾kosti 1 cm. Pod¾a teoretických výpoètov (NASA používa simulaèné programy kalibrované napr. aj pozorovaniami ISS a raketoplánov) vyplýva, že výah sa bude musie vyhýba úlomkom väèším ako 1 cm približne jedenkrát za deò. To je akceptovate¾ná frekvencia v rámci únosnosti. Trosky menšie ako 1 cm spolu s mikrometeoritmi nepredstavujú vážny problém, pretože aj keï ich poèet narastá a ich kinetická energia je stále znaèná, nie sú pre výah nebezpeèné, a to vïaka 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 prieènych vlákien takisto umožní zvýši odolnos voèi poškodeniu. Ve¾kou 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 nieko¾ko mikrometrov (tieto parametre sa budú meni v závislosti od výšky nad povrchom). Okrem toho, pás nebude plochý, ale bude tvarovaný do oblúka. Výpoèty ukazujú, že takýto dizajn zníži nebezpeènos a ve¾kost poškodenia až o nieko¾ko rádov. Životnos lana bude pri vhodnom dizajne až 200 rokov, èo je plne postaèujúce.
Obr. 6: Prierez navrhnutým lanom (v¾avo); závislos šírky lana od výšky nad zemou (vstrede); a tzv. Hoytether (vpravo) - prieèny dizajn lana zväèšujúci jeho odolnos voèi poškodeniu mikrometeoritmi a troskami na obežnej dráhe, navrhnutý Robertom Hoytom.
5. Oscilácie lana.
Gravitaèným 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 dåžkou lana. Výpoèty ukazujú, že napr. lano o dåžke cca 70 000 km by malo ve¾ké problémy vïaka rezonanènej frekvencii s obehom Mesiaca/rotáciou okolo Zeme. Navrhované lano má však dåžku 91 000 km - je to výhodné nielen z h¾adiska oscilácii, ale aj z h¾adiska spomínaných dostupných cie¾ov v Slneènej sústave.
6. Zahrievanie lana.
Lano sa bude prirodzene zahrieva jednak pôsobením slneèného žiarenia, jednak vystupujúcimi climbermi, a jednak aj osciláciami a pnutiami v lane. Výpoèty ukazujú, že lano uvažovaného dizajnu bez problémov vyžiari všetko žiarenie prirodzeným tepelným vyžarovaním do vo¾ného priestoru. Treba si však uvedomi, že ak pôjdeme s climberom vyššie ako je geostacionárna dráha (napr. pri vypúšaní 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 uvo¾òova. Tento prebytok energie môžme zúžitkova napr. konverziou na energiu elektrickú. Prebytok zvyšného tepla sa bude rieši vyžarovaním, vedením, alebo prípadne aj absorbciou do èasti nákladu (napr. vodná zásoba, keïže voda má ve¾kú tepelnú kapacitu, i keï toto riešenie by predstavovalo zníženie efektívneho nákladu). Je zaujímavé, že výah z fyzikálneho poh¾adu bude pracova ve¾mi efektívne a energeticky úsporne. Aj v prípade nevyužívania brzdnej energie bude na prevádzku staèi 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 èastice nesúce elektrický náboj (o nezanedbate¾nom napätí približne 300 V/m). Keïže lano bude ma istú vodivos, môže teoreticky tento náboj vybíja. Hustota ionosféry je však nízka, a analýza ukazuje, že vybíjanie bude vzh¾adom na vlastnosti lana (napr. nízka vodivos, malý prierez) a ionosféry ve¾mi malé, maximálne v okolí nieko¾ko metrov od lana. Nehrozí teda žiaden problém s prílišným zahrievaním lana vïaka tomuto efektu ani vybitie ionosféry z dlhodobého h¾adiska. Samozrejme, pri konštrukcii climberov (najmä pre ¾udí) sa bude musie poèíta s existenciou ionosféry.
8. Teroristický útok, nehoda výahu.
Motiváciou pre teroristov nebudú škody na životoch. Celé lano totiž váži len nieko¾ko sto ton, prièom zaútoèi môžu reálne len na jeho spodnú èas - aj v prípade útoku družicou (v plánoch sú samozrejme aj akcie typu "Pakistanská družica, ktorá dva roky plnila mierové vedecké úèely zrazu zmenila kurz priamo na lano...") dôjde k prerušeniu lana maximálne do výšky 1000 km, èo je len nieèo vyše stotiny celej jeho dåžky, takže na Zem v najhoršom prípade spadne nieko¾ko ton lana. Ak by však aj došlo k prerušeniu lana vo väèšej výške, keïže lano je ve¾mi tenké a ¾ahké, takmer všetko zhorí v atmosfére, ciže celkový deštrukèný efekt je na úrovni padajúceho hárku kancelárskeho papiera. Zdravotné úèinky zhorených uhlíkových nanotrubièiek (napr. pri vdýchnutí) by nemali by škodlivé, ale výskum v tomto smere pokraèuje. Motivácia teroristov môže by teda len ekonomická - spôsobi škody tým, že sa znièí ekonomicky výhodný prostriedok na dopravu na obežnú dráhu. Ibaže - ak sa postaví prvý výah (za cca 40 mld. $ v súèasných cenách), tak druhý a ïalšie výahy budú podstatne lacnejšie - pretože už nebude potrebný zložitý proces prvotného vynášania na obežnú dráhu pomocou klasických rakiet, monitorovací systém trosiek vybudovaný pre prvý výah bude slúži aj pre všetky ïalšie výahy súèasne atï. Bude možné vybudova nieko¾ko desiatok výahov v rýchlom slede, takže aj keby niektorý(é) z nich boli znièené teroristickým útokom, znovunatiahnutie lana nebude ve¾mi nákladné vzh¾adom na existenciu ostatných výahov. Teroristi tak strácajú dôležitý prvok motivácie. Okrem toho, pohyblivá plošina sa bude nachádza nieko¾kostokilometrov od akýchko¾vek leteckých liniek, takže jediná reálna možnos je útok balistickou strelou alebo družicou, nie lietadlom. Všetko bude kontrolova samozrejme americká (èi iná) armáda. Navyše, ïalšie postavené výahy budú slúži už pre komerèné firmy a pre iné štáty. Takže nebude to majetok národov èeliacich terorizmu, ale aj iných krajín, voèi ktorým teroristi nebudú ma motiváciu útoèi. Minimálne deštrukèné následky sa prirodzene vzahujú aj na prípad nehody výahu.
9. Neexistujúce technológie - utópia?
Ve¾kou 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 nosièov atï, sú existujúce technológie, prípadne technológie v znaène rozvinutom štádiu vývoja. Samozrejme, keïže výah bude jedineèný, ve¾ké množstvo výskumu sa bude musie ešte len uskutocni, avšak dôležitý je fakt, že principiálny problém neexistuje. Existujú najmä dve záležitosti, ktoré si vyžadujú nieko¾ko rokov výskumu (èo je vcelku krátka doba, ak zoberieme do úvahy revoluènos výsledku):
- nevyrobili sme ešte dostatoène dlhé lano z nanotrubièiek. Toto je vzh¾adom na vývoj v tejto oblasti s najväèšou pravdepodobnosou len otázka spomínaných nieko¾kých rokov (napr. Japonsko je zatia¾ schopné produkova 120 ton uhlíkových nanotrubièiek obmedzenej dåžky za rok). Doterajšie experimenty s nieko¾kometrovými pásmi z nanotrubièiek dokazujú, že lano sa bude da vyrobi a aj jeho pevnos bude dostatoèná na udržanie obrovského ahu, ktorý bude na lano pôsobi.
- existuje len minimálna ochrana èloveka pred kozmickým žiarením poèas výstupu na geostacionárnu dráhu. To je pravda - keïže rýchlos výstupu na výahu je cca 200 km/hod, na geostacionárnu dráhu to môže trva až viac ako týždeò. Na nízkej obežnej dráhe (pod cca 1000 km) to nie je ve¾ký problém, kozmonauti tam trávia týždne aj roky už dnes. Problém nastane keï chceme ís vyššie - na geostacionárnu dráhu a ïalej (k Marsu atï) treba prekroèi ionosféru a tzv. val Allenove radiaèné pásy okolo Zeme, ktoré chránia Zem pred nebezpeèným kozmickým žiarením. Tienenie kovovými lištami je ve¾mi nároèné na hmotnos, a teda bude možné takto ¾udí vozi na geostacionárnu orbitu, až keï bude postavený výah s väèšou kapacitou (prvotný bude ma kapacitu cca 20 ton) – v priebehu nieko¾kých rokov sa výah dá upravi na nosnos až 1000 ton nákladu. Aj tak však táto metóda nebude ve¾mi efektívna, a preto sa musí vyvinú elektromagnetické tienenie. To je však ešte len v plienkach, na rozdiel od ostatných dôležitých súèastí projektu.
Ovšem vynášanie nákladu a ¾udí sú dve rozdielne veci. Doprava kozmonautov na obežnú dráhu môže v prvotných fázach zosta stále v rukách èisto raketových pohonov, kým sa nevyvinie vhodné eletromagentické tienenie. V každom prípade, vesmírny výah nie je žiadnou konkurenciou pre raketové pohony, naopak, je ich spojencom. Vïaka kozmickému výahu budeme môct skonštruova priamo na obežnej dráhe ve¾ké kozmické lode, stanice a sondy, o hmotnosti stoviek a tisícov ton. Budeme môc postavi orbitálne mestá èi slneèné elektrárne produkujúce lacnú elektrickú energiu, všetko projekty nároèné na množstvo dopraveného materiálu, a teda uskutoènite¾né až v dobe, keï sa doprava materiálu na obežnú dráhu stane naozaj ekonomickou. Telekomunikaèný priemysel získa mocný nástroj na zefektívnenie vynášania a údržby svojich satelitov (v dnešnej dobe ak nastane na telekomunikaènom satelite porucha, je èastokrát lacnejšie celý satelit znièi a vypusti drahý nový, pretože oprava poškodeného satelitu by bola drahšia ako výroba a vypustenie nového! Samozrejme, v koneènom dôsledku všetko platia zákazníci). Elektronický priemysel bude môc lacno vyrába priamo na obežnej dráhe ve¾ké (napr. kremíkové) kryštály, ktoré v podmienkach beztiaže pod¾a experimentov rastú do podstatne väèších rozmerov a majú vyššiu kvalitu a menej defektov, èo by malo za následok ïalšie 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 ve¾mi lacno. K tomu prispeva aj fakt, že výah umožòuje nielen vynášanie nákladu, ale aj jeho šetrné a bezpeèné znesenie na povrch. Všetky tieto fakty predstavujú priamy dopad výahu nielen na rozvoj vedy a poznania, ale aj ekonomiky a priemyslu.
Kompletné odhadované náklady na prvý výah (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 výah sa bude da postavi lacnejšie, cca 13 mld. $, už len za nieko¾ko rokov, tretí výah ešte lacnejšie a rýchlejšie tak ako sa bude zvyšova kapacita predchádzajúcich výahov.
Prevratné možnosti a rozvoj.
Po vybudovaní prvého funkèného výahu kozmonautika zaznamená obrovský skok dopredu - keïže doprava na obežnú dráhu neuverite¾ne zlacnie, bude vesmír prístupný aj chudobnejším krajinám, súkromným firmám a jednotlivcom. Navyše, vïaka výahu bude mnohonásobne lacnejšie dosta sa k Marsu, keïže prakticky za rovnakú cenu ako vynesenie na obežnú dráhu môže náklad získa rýchlos potrebnú aj na cestu k Marsu. Existujú už aj projekty vesmírneho výahu na Marse, ktorý má viaceré špecifiká v porovnaní so Zemou - menšia gravitácia, menší polomer, dva krúžiace mesiaèiky Fobos a Deimos. Výsledok - výah bude menej nároèný ako na Zemi, bude kratší (pritom s rovnakou kapacitou ako pozemský), a nebude sa musie pasova s pozemskými problémami vïaka tenšej atmosfére a žiadnemu odpadu na obežnej dráhe. Ukotvenie by mohlo by situované nie na rovníku, ale napr. na najväèšej neaktívnej sopke v Slneènej sústave Mons Olympus, èím 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 cie¾ - Mesiac - poskytne možnosti vlastného výahu. Vïaka pomalej rotácii Mesiaca cca raz za 29 dní však nebude využíva stacionárnu dráhu okolo Mesiaca, ale napr. Lagrangeho bod 1 - miesto, kde sa gravitaèná príažlivos Zeme a Mesiaca návzajom vyrovnáva, vo výške 56 000 km nad povrchom Mesiaca. Lunárny výah by bol dlhší ako zemský, ale vïaka nižšej gravitácii by nepotreboval by až nato¾ko pevný voèi ahu a dal by sa vybudovat dokonca už aj zo v súèasnosti existujúcich komerèných materiálov ako Kevlar, Spectra èi vlákno M5.
Viete si predstavi, aký pokrok bude znamena, keï na Mesiac a Mars budeme môct dopravi a rovnako aj privies materiál za mizivý zlomok súèasnej ceny? Až vtedy nastane zaèiatok naozajstnej kolonizácie Mesiaca a Marsu, naozajstný masívny prienik èloveka do vesmíru, ktorý zmení náš každodenný život.
 Obr. 7: Èasový harmonogram realizovate¾ný v (ideálnom) prípade dostatku finanèných zdrojov uvo¾nených 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 výahu.
13. Druhý výah.
14. Tretí až desiaty výah.
15. Výah s nosnosou tisíc ton.
16. Zaèiatok prevádzky výahov pre komerèné úèely.
17. Zaèiatok budovania geostacionárnej stanice.
18. Dizajnovanie výahu na Marse.
19. Výroba lana pre výah na Marse.
20. Prevoz lana k Marsu.
21. Zašiatok budovania ïalších lán pre výahy na Marse.
22. Zaèiatok budovania maranskej orbitálnej stanice.
23. Budovanie ïalších pozemských výahov a geostacionárnych staníc.
24. ažba materiálov z asteroidov.
25. Kolonizácia Marsu.
26. Bezpilotný prieskum Slneènej sústavy.
27. Budovanie výahov pri ïalších planétach.
28. Pilotovaný prieskum Slneènej sústavy.
Na záver by sme pripomenuli, že tento èlánok vzh¾adom na obmedzený rozsah slúži len ako úvod do problematiky vesmírneho výahu. 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 èlánku ako aj v príspevkoch z poslednej konferencie týkajucej sa výahu.
Rovnako dôležité je uvedomi si, že tento projekt nie je len zbožným prianím alebo technicky onedlho uskutoènite¾nou ale ekonomicky nerealizovate¾nou fantáziou nieko¾kých nadšencov. Mali sme tu už mnoho futuristických projektov, ktoré by pri dostatku financií boli uskutoènite¾né. Všetky tieto pekné futuristické projekty minulosti aj súèasnosti však majú jeden závažný nedostatok - chýba im ekonomická rentabilita. Budovanie futuristických miest, orbitálnych slneèných elektrární alebo mesaèných základní je síce nepochybne ve¾mi lákavé pre vedcov èi politikov (ako manifestácia technologickej prevahy krajiny), avšak nie už pre investorov a ekonomiku všeobecne, keïže návratnos prostriedkov bola ak nie nereálna, tak prinajmenšom diskutabilná. Vesmírny výah však za nieko¾ko rokov (po zdokonalení technológie výroby uhlíkových nanotrubièiek) bude spojova práve tieto dve nevyhnutné podmienky pre jeho realizáciu - pokrok ¾udstva a ekonomický zisk. Bude priamo a úèinne komerène využite¾ný. Tým sa stáva naozaj výnimoèným projektom, ktorý je potrebné dostatoène prezentova aj ve¾kým 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 výahu vlastnou rukou.
Ak ste sa doèítali až sem a podarilo sa nám vo vás vzbudi aspoò štipku záujmu o tento projekt, tak èlánok splnil svoj úèel. Jednou z hlavných momentálnych nedostatkov projektu vesmírneho výahu je totiž skutoènos, že len málo ¾udí má zatia¾ o òom spo¾ahlivejšie informácie, presnejšie len málo ¾udí vie o jeho realizovate¾nosti a o tom, že už nepatrí len do ríše sci-fi tak ako tomu bolo pred rokom 1991. Dúfam, že tento èlánok prispel k propagácii tohto výnimoèného projektu, ktorý - ak sa zrealizuje - posunie ¾udstvo o ve¾ký 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
Najèastejšie kladené otázky: 1. Nie sú oèakávania vkladané do nanotrubièiek prehnané? Nie je to len pekná vidina? Nie sú. Skeptikov samozrejme nepresvedèí niè, až pokia¾ neuvidia hotový funkèný výsledok, ale aj keï vedci vždy musia zosta èiastoène aj skeptikmi, racionálne ohodnotenie vývoja v poslednej dobe ako aj teoretických možností nanotrubièiek dáva pádne argumenty na to, aby sme boli ve¾mi optimistickí. Nanotrubièky sú materiál so silným komerèným uplatnením nielen vïaka ich vlastnostiam v ahu. Napr. IBM vyrobilo prvé tranzistory, ktoré s¾ubujú zvýšenie výkonov procesorov o nieko¾ko rádov. Boli vyrobené prvé záznamové médiá z nanotrubièiek, umožniac vyrobi poèítaèové pamäte s omnoho väèšou kapacitou ako majú dnes. Uplatnenie nájdu aj v športovom náèiní (tenisové rakety, golfové loptièky...), automobilovom a leteckom priemysle (¾ahký a pevný materiál), dajú sa použi ako extrémne citlivé chemické senzory, atï. Vïaka tomu majú komerèné firmy o nanotrubièky seriózny záujem a investujú do vývoja – a to je motor pokroku.
Výsledkom je, že zatialèo ešte pred nieko¾kými rokmi sme mali nanotrubièky o dåžke len nieko¾ko mikrometrov, ktoré rástli extrémne pomaly a mali ve¾a defektov, tak dnes už máme nanotrubièky s pevnosou 63 GPa (gigapascalov, výah vyžaduje 100 GPa), dokážeme z nich vyrába pásy už rýchlosou 7 metrov za minútu, a zlacneli nato¾ko, že dokonca vo februári tohto roku sa zaèali komerène predáva. Vývoj teda extrémne rýchlo napreduje, a aj keï dnes ešte nemáme materiál, ktorý by súèasne spåòal potrebné požiadavky (pevnos, rýchlos výroby a kvalita), v každom z týchto smerov vývoj prudko napreduje, a experti nevidia dôvod, preèo by sa zrazu mal vývoj zastavi ešte ïaleko od teoretických možností nanotrubièiek. Optimizmus je teda racionálne založený na pokroku v poslednom období a teoretických prepoètoch.
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. Neznièia lano oscilácie, pnutie a rázové vlny? Nie, oscilácie a rázové vlny boli simulované. Samozrejme ide o vážny problém, a pri nedbanlivom èi neuváženom postupe sa lano môže pretrhnú, avšak osciláciám sa dá predís vhodným navrhnutím lana, frekvenciou a hmotnosou premávajúcich climberov, pohybom kotviacej plošiny (ktorej pohyb vytvára ale zároveò môže aj pohlcova oscilácie) a podobne. Vyžadovaná pevnos lana 100 GPa už zahàòa aj výsledky simulácií takýchto rázových vån, vrátane bezpeènostnej rezervy. 3. Nespôsobí používanie výahu nebezpeèné spomalenie rotácie Zeme? Nie. Energia odobraná Zemi výahom je o mnoho rádov menšia ako jej rotaèná energia. Vplyv na spomalenie je teda absolútne zanedbate¾ný, omnoho menší než je prirodzené spoma¾ovanie rotácie Zeme vplyvom slapových síl Slnka èi Mesiaca. 4. Nie je cena projektu podhodnotená? Nedôjde k tomu, že podobne ako raketoplány s¾ubujúce kedysi lacnú dopravu na obežnú dráhu èi jadrové elektrárne s¾ubujúce lacnú energiu, sa projekt predraží a stane sa neekonomickým? V cene je zahrnuté už aj priemerné predraženie ve¾kých projektov v nedávnej minulosti, takže je nepravdepodobné, žeby cena príliš narástla. V každom prípade, ekonomický potenciál výahu v podobe pádu cien dopravy do kozmu je ve¾mi výrazný. Okrem toho, samotný výah nie je technicky komplikované zariadenie (na rozdiel od raketoplánov aj jadr. elektrární skladajúcich sa z miliónov navzájom prepojených komponentov), neskladá sa z ohromného množstva súèastí, a teda jeho funkènos je relatívne ¾ahko predvídate¾ná dostatoèným množstvom kvalitných simulácií a experimentov. Objavenie sa dodatoèných komplikácií je teda znaène minimalizované. 5. Výahom sa ale predsa nedostaneme všade. Naèo nám teda bude? Samozrejme, výah nebude cestovným lístkom úplne všade. Avšak jeho najväèší prínos je to, že ¾udstvu pomôže ekonomicky prekona prvú a najväèšiu bariéru – dopravu na obežnú dráhu. Akéko¾vek ïalšie aktivity èloveka vo vesmíre (èi už s alebo bez pomoci výahu) výrazne zlacnejú, keïže dnes všetko vrátane paliva musíme najskôr dopravi na obežnú dráhu. Výah je len zaèiatok rozvoja osíd¾ovania vesmíru, nie jeho koneèná fáza.
Diskusia a komentare k clanku.
Vytvoril: Kotulic Bunta [13. január 2006 10:22:02] / Upraven: [13. apr 2006 04:51:34] / Poet zobrazen: [10206] |
