Jak działałaby winda kosmiczna

Winda kosmiczna to proponowany system transportu łączący powierzchnię Ziemi z przestrzenią kosmiczną. Winda pozwoliłaby pojazdom podróżować na orbitę lub kosmos bez użycia rakiety. Podróż windą nie byłaby szybsza niż podróż rakietą, ale byłaby o wiele tańsza i mogłaby być wykorzystywana w sposób ciągły do ​​transportu ładunku i ewentualnie pasażerów.

Konstantin Tsiolkovsky po raz pierwszy opisał windę kosmiczną w 1895 roku. Tsiolkovksy zaproponował budowę wieży od powierzchni aż do orbity geostacjonarnej, tworząc zasadniczo niesamowicie wysoki budynek. Problem z jego pomysłem polegał na tym, że struktura zostanie zmiażdżona przez wszystkich waga ponad tym. Nowoczesne koncepcje wind kosmicznych opierają się na innej zasadzie - napięciu. Winda zostałaby zbudowana za pomocą kabla przymocowanego na jednym końcu do powierzchni Ziemi i do masywnej przeciwwagi na drugim końcu, powyżej orbity geostacjonarnej (35 786 km). Powaga pociągnąłby w dół kabel, podczas gdy siła odśrodkowa z orbitującej przeciwwagi pociągnąłby w górę. Siły przeciwne zmniejszyłyby obciążenie windy w porównaniu z budowaniem wieży w kosmos.

Podczas gdy normalna winda używa ruchomych kabli do ciągnięcia platformy w górę i w dół, winda kosmiczna tak polegać na urządzeniach zwanych gąsienicami, wspinaczami lub podnośnikami, które poruszają się po stacjonarnym kablu lub faborek. Innymi słowy, winda poruszałaby się po kablu. Wielu wspinaczy musiałoby podróżować w obu kierunkach, aby zrównoważyć wibracje od siły Coriolisa działającej na ich ruch.

Układ windy byłby mniej więcej taki: masywna stacja, złapana asteroida lub grupa wspinaczy byłaby ustawiona wyżej niż orbita geostacjonarna. Ponieważ napięcie na kablu byłoby maksymalne w pozycji orbitalnej, kabel byłby tam najgrubszy, zwężając się w kierunku powierzchni Ziemi. Najprawdopodobniej kabel zostanie albo rozłożony z kosmosu, albo skonstruowany w wielu odcinkach i zejdzie na Ziemię. Wspinacze poruszały się po rolkach w górę i w dół, utrzymywane w miejscu przez tarcie. Energia może być dostarczana za pomocą istniejących technologii, takich jak bezprzewodowy transfer energii, energia słoneczna i / lub zmagazynowana energia jądrowa. Punktem połączenia na powierzchni może być ruchoma platforma na oceanie, oferująca bezpieczeństwo windy i elastyczność w zakresie omijania przeszkód.

Podróż windą kosmiczną nie byłaby szybka! Czas podróży od jednego końca do drugiego wynosiłby od kilku dni do miesiąca. Aby spojrzeć na odległość z perspektywy, gdyby wspinacz poruszał się z prędkością 300 km / h (190 mph), dotarcie na orbitę geosynchroniczną zajęłoby pięć dni. Ponieważ wspinacze muszą współpracować z innymi przy kablu, aby był stabilny, prawdopodobnie postęp byłby znacznie wolniejszy.

Największą przeszkodą w konstrukcji windy kosmicznej jest brak wystarczająco wysokiego materiału wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność i wystarczająco nisko gęstość zbudować kabel lub taśmę. Jak dotąd najmocniejszymi materiałami na kabel byłyby diamentowe nanorurki (po raz pierwszy zsyntetyzowane w 2014 r.) Lub nanorurki węglowe. Materiały te muszą być jeszcze zsyntetyzowane do uzyskania wystarczającej długości lub stosunku wytrzymałości na rozciąganie do gęstości. The kowalencyjne wiązania chemiczne łączenie atomów węgla w nanorurkach węglowych lub diamentowych może wytrzymać tyle stresu przed rozpakowaniem lub rozerwaniem. Naukowcy obliczyli naprężenie, które mogą wytrzymać wiązania, potwierdzając, że choć może być możliwe zbudowanie wstęgi wystarczająco długo, aby rozciągają się z Ziemi na orbitę geostacjonarną, nie byłyby w stanie wytrzymać dodatkowego stresu ze strony środowiska, wibracji i wspinaczy.

Drgania i drgania są poważnym czynnikiem. Kabel byłby podatny na nacisk wiatr słoneczny, harmoniczne (tj. naprawdę długi strunę skrzypcową), uderzenia pioruna i kołysanie się od siły Coriolisa. Jednym z rozwiązań byłoby kontrolowanie ruchu gąsienic w celu zrekompensowania niektórych efektów.

Innym problemem jest to, że przestrzeń między orbitą geostacjonarną a powierzchnią Ziemi jest zaśmiecona kosmicznymi śmieciami i śmieciami. Rozwiązania obejmują czyszczenie przestrzeni w pobliżu Ziemi lub umożliwienie orbitalnej przeciwwagi unikania przeszkód.

Inne problemy obejmują korozję, uderzenia mikrometeorytu i skutki pasów radiacyjnych Van Allena (problem zarówno dla materiałów, jak i organizmów).

Skala wyzwań połączona z rozwojem rakiet wielokrotnego użytku, takich jak te opracowane przez SpaceX, zmniejszyły zainteresowanie windami kosmicznymi, ale to nie znaczy, że pomysł windy jest nie żyje.

Odpowiedni materiał na naziemną windę kosmiczną nie został jeszcze opracowany, ale istniejące materiały są wystarczająco mocne, aby utrzymać windę kosmiczną na Księżycu, innych księżycach, Marsie lub asteroidach. Mars ma około jednej trzeciej grawitacji Ziemi, ale obraca się mniej więcej w tym samym tempie, więc marsjańska winda kosmiczna byłaby znacznie krótsza niż winda zbudowana na Ziemi. Winda na Marsie musiałaby zmierzyć się z niską orbitą księżyc Fobos, który regularnie przecina równik marsjański. Z drugiej strony komplikacja dla księżycowej windy polega na tym, że Księżyc nie obraca się wystarczająco szybko, aby zaoferować stacjonarny punkt orbity. Jednak, punkty Lagrangian można zamiast tego użyć. Chociaż księżycowa winda miałaby 50 000 km długości po bliższej stronie Księżyca, a nawet dłuższa po drugiej stronie, niższa grawitacja umożliwia budowę. Winda marsjańska może zapewniać ciągły transport poza studnią grawitacyjną planety, a winda księżycowa może być używana do wysyłania materiałów z Księżyca w miejsce łatwo osiągalne przez Ziemię.

Wiele firm zaproponowało plany wind kosmicznych. Studia wykonalności wskazują, że winda nie zostanie zbudowana, dopóki (a) nie zostanie odkryty materiał, który utrzyma napięcie dla windy ziemskiej lub (b) będzie potrzebna winda na Księżycu lub Marsie. Chociaż jest prawdopodobne, że warunki zostaną spełnione w XXI wieku, dodanie jazdy windą kosmiczną do listy wiader może być przedwczesne.

• Landis, Geoffrey A. I Cafarelli, Craig (1999). Prezentowane jako artykuł IAF-95-V.4.07, 46. Kongres Międzynarodowej Federacji Astronautycznej, Oslo, Norwegia, 2–6 października 1995 r. „Ponownie zbadana wieża Ciołkowskiego”. Journal of British Interplanetary Society. 52: 175–180.
• Cohen, Stephen S.; Misra, Arun K. (2009). „Wpływ tranzytu wspinacza na dynamikę windy kosmicznej”. Acta Astronautica. 64 (5–6): 538–553.
• Fitzgerald, M., Swan, P., Penny, R. Swan, C. Architektury i mapy drogowe przestrzeni kosmicznej, wydawcy Lulu.com 2015