Ανελκυστήρας για το διάστημα

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

Έναν επαναστατικό τρόπο για να μεταβαίνουμε από τη Γη στο διάστημα έχουν αρχίσει να σχεδιάζουν στη NASA. Πρόκειται για ένα διαστημικό ανελκυστήρα, που περιλαμβάνει ένα σύρμα φτιαγμένο από νανοσωλήνες άνθρακα με τη μία του άκρη να συνδέεται σταθερά με μια θαλάσσια πλατφόρμα στον Ειρηνικό ωκεανό, στο ύψος του ισημερινού και το άλλο του άκρο να βρίσκεται στο διάστημα πάνω από τη σύγχρονη γεωστατική τροχιά (σε ύψος 35.800 km).

Όσο απίστευτο όμως κι αν ακούγεται, η NASA επιχειρεί την υλοποίησή του διαστημικού ανελκυστήρα με την κατασκευή ενός γιγαντιαίου διαστημικού πύργου. Ισχυρίζονται δε πως μπορούν να κατασκευάσουν μια διάταξη όπου ένα μακρύ ηλεκτροδυναμικό σύρμα θα συνδέει δύο αντικείμενα σε τροχιά και θα επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο με σκοπό την κίνηση ενός διαστημικού σκάφους χωρίς καύσιμα.

Με τις κατάλληλες ρυθμίσεις, οι δυνάμεις που παράγονται από το ηλεκτροδυναμικό σύρμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να τραβήξουν ή να ωθήσουν ένα διαστημικό σκάφος και, ακόμη, να ενεργήσουν σαν φρένο ή σαν επιταχυντής. Είναι δυνατόν, επίσης, να μην υπάρχουν κατ' ανάγκην δύο σώματα για να επιτευχθεί αυτή η ιδέα, αλλά μόνο ένα σε τροχιά γύρω από τη Γη και ένα σύρμα.

Και σε αυτή την περίπτωση η ιδέα έρχεται από το παρελθόν. Διατυπώθηκε αρχικά από τον Ρώσο επιστήμονα Tσιολκόβσκι πριν από 110 χρόνια (1895), ο οποίος είχε σκεφθεί τη σύνδεση της Γης με ένα γεωστατικό σταθμό σε ύψος 35.800 χιλιομέτρων με τη βοήθεια ενός συρμάτινου ανελκυστήρα.

Ο διαστημικός ανελκυστήρας σχεδιάζεται για να μεταφέρει δορυφόρους, διαστημόπλοια, και τμήματα διαστημικών σταθμών (όπως είναι ο ISS) στο διάστημα, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς ανελκυστήρες που θα στερεώνονται στο ειδικό ανθεκτικό σύρμα, εξυπηρετώντας εμπορικούς σκοπούς, επιστημονικές έρευνες και την εξερεύνηση του διαστήματος.

Το Ίδρυμα της NASA για τις Προηγμένες Ιδέες (NAIC) χορήγησε κεφάλαια ύψους 570.000 δολαρίων στο Bradley Edwards, διευθυντή έρευνας στο Ινστιτούτο Επιστημονικής Έρευνας ISR, για να ερευνήσει τη δυνατότητα κατασκευής του διαστημικού ανελκυστήρα.

Κι ενώ, κάποτε, ήταν στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας, ο διαστημικός ανελκυστήρας αποτελεί σήμερα αντικείμενο επιστημονικής έρευνας από την εταιρεία ISR. Η ανακάλυψη των νανοσωλήνων από άνθρακα (που είναι 100 φορές ισχυρότερο από το χάλυβα και ζυγίζει λιγότερο), καθώς και η σημερινή τεχνολογία είναι αρκετή, σύμφωνα με τους εμπνευστές του σχεδίου,  για την κατασκευή ενός διαστημικού ανελκυστήρα τα επόμενα χρόνια.

Το ISR έχει διαπιστώσει ότι σε 15 χρόνια θα μπορούσε να λειτουργήσει ένας τέτοιος διαστημικός ανελκυστήρας, με ένα ωφέλιμο φορτίο 5 τόνων, καθημερινά για να βάζει δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη Γη, το φεγγάρι, τον Άρη, την Αφροδίτη ή σε αστεροειδείς.

Ο πρώτος διαστημικός ανελκυστήρας θα μείωνε τις δαπάνες για την τοποθέτηση σε τροχιά ενός αντικειμένου σε 100 δολάρια ανά λίβρα (450 gr), ενώ το σημερινό κόστος φτάνει 10.000-40.000 δολάρια ανά λίβρα, ανάλογα με τον προορισμό και την επιλογή του συστήματος εκτόξευσης των πυραύλων.

Αν φτιάχναμε κι άλλους μεγαλύτερους ανελκυστήρες, κάνοντας χρήση του πρώτου, τότε θα μπορούσαμε να πετύχουμε μια μεγάλης κλίμακας επανδρωμένη πτήση καθώς και εμπορικές δραστηριότητες στο διάστημα με πολύ μεγαλύτερη οικονομία στο κόστος του ανελκυστήρα.

Η κατασκευή του ανελκυστήρα

Πάνω στο σύρμα ενεργούν δύο αντίρροπες δυνάμεις, της βαρύτητας στο χαμηλότερο τμήμα και η προς τα έξω κεντρομόλος δύναμη στο άλλο άκρο, κρατούν τεντωμένο το σύρμα και στάσιμο πάνω από μια ορισμένη θέση στη Γη. Αυτό το σύρμα, μόλις κατασκευαστεί, μπορεί να φτάσει με μηχανικά μέσα σε τροχιά γύρω από τη γη. Εάν ένας "ορειβάτης" φτάσει στο άλλο άκρο του σύρματος, τότε θα είχε ικανοποιητική ενέργεια για να ξεφύγει από τη γήινη βαρύτητα και να ταξιδέψει στο φεγγάρι, τον Άρη, την Αφροδίτη και τους αστεροειδείς.

Αρχικά, θ' αναπτυχθεί ένα μικρό σύρμα από νανοσωλήνες άνθρακα (πλάτους 10 έως 20 εκατοστών και πάχους μερικά μικρά) ικανό να μεταφέρει ωφέλιμο φορτίο 990 κιλών, σε μια γεωσύγχρονη τροχιά.  Χρησιμοποιώντας γι' αυτό το λόγο τέσσερις πυραύλους. Ειδικοί στις αναβάσεις (230) θα σταλούν πάνω στο αρχικό σύρμα (ένας κάθε 3 έως 4 ημέρες) προσθέτοντας μικρά σύρματα κατά μήκος του πρώτου για να αυξήσουν τη δύναμή του. Μετά από 2 περίπου χρόνια θα έχει φτιαχτεί ένα μακρύ σύρμα ικανό να αντέχει φορτίο 20.000 κιλών.

Η ισχύς για την κατασκευή και τη μεταφορά του φορτίου (100kW έως 2,4 MW) θα ακτινοβολείται με τη βοήθεια δύο λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (μήκους κύματος 840 nm) και με τη βοήθεια μιας πλατφόρμας (στο πάνω άκρο του σύρματος) διαμέτρου 13 μέτρων, που περιλαμβάνει φωτοκύτταρα από GaAs. Αυτά τα φωτοκύτταρα έχουν αποδοτικότητα 80% σε αυτό το μήκος κύματος. Έτσι, πέφτοντας οι ακτίνες του λέιζερ πάνω στα φωτοκύτταρα θα μετατρέπεται η ενέργεια τους σε ηλεκτρική.

Η ηλεκτρική ενέργεια θα χρησιμοποιείται από συμβατικές ηλεκτρικές μηχανές, συνεχούς ρεύματος και ένα σύνολο κυλίνδρων για να τραβούν τους αναβάτες προς τα πάνω με μια ταχύτητα 200 km/h. Το δε μήκος του αρχικού 'συρματόσχοινου' θα είναι μήκους 100.000 km.

Μια πλατφόρμα στον ωκεανό, ανάλογη με αυτές που χρησιμοποιούνται σήμερα για βάσεις εκτόξευσης πυραύλων, θα χρησιμοποιηθεί σαν άγκυρα επί της Γης και θα τοποθετηθεί στον Ειρηνικό ωκεανό στην περιοχή του Ισημερινού.

Ο μεγάλος κίνδυνος για την καταστροφή του σύρματος προέρχεται από τις συγκρούσεις με μετεωρίτες καθώς και την διάβρωση από το οξυγόνο. Και οι δύο κίνδυνοι μπορούν να μετριαστούν μέσω ορισμένων μεθόδων (σύρμα καμπύλο, μεταλλικό επίστρωμα) και συζητούνται λεπτομερώς στην αναφορά της φάσης Ι του σχεδίου. Οι τροποποιήσεις σε αυτό το στάδιο αναμένονται να βελτιώσουν αρκετά την ανάπτυξη και να μειώσουν τα κόστη του κινδύνου και της κατασκευής.

Το σύρμα από νανοσωλήνες άνθρακα είναι το μόνο υλικό του διαστημικού ανελκυστήρα που δεν είναι σήμερα εμπορικά διαθέσιμο και είναι το σημαντικότερο εμπόδιο στην κατασκευή του διαστημικού ανελκυστήρα. Το υλικό αυτό μπορεί να είναι έτοιμο στα επόμενα ένα έως πέντε χρόνια. Το καθαρό του μήκος, 100.000 km, είναι ιδιαίτερα μεγάλο, αλλά είναι συγκρίσιμο με αυτά που έχουν κατασκευαστεί για την τηλεπικοινωνιακή σύνδεση μέσω των ωκεανών.

Το σύρμα του προτεινόμενου ανελκυστήρα θα έχει αντοχή 20.000 kg, με διατομή 2 mm² διαμέτρου 1 μέτρου. Άρα το πάχος θα είναι μόνο μερικά μικρά. Θα αποτελείται από μεμονωμένες ίνες διαμέτρου 10 μικρών, κοντά η μία στην άλλη. Οι ίνες θα διασυνδεθούν με τέτοιο τρόπο ώστε το σύρμα να μην καταστραφεί από μικρές συγκρούσεις με μετεωρίτες και από την άλλη να μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα στους ειδικούς κυλίνδρους για την άνοδο.

Με μια καλή χρηματοδότηση οι απαραίτητες τεχνολογίες θα μπορούσαν να είναι έτοιμες σε πέντε χρόνια.  Μόλις αρχίσει η κατασκευή, η πλήρης κατασκευή θα διαρκέσει έξι χρόνια και τότε θα προωθηθεί το αρχικό διαστημικό σκάφος.

Ακολούθως, θα απαιτηθούν άλλα τρία χρόνια για να ενισχυθεί το σύρμα ώστε να φτάσει σε μια ικανότητα, αντοχή, 20.000 κιλών. Ο λειτουργικός διαστημικός ανελκυστήρας θα μπορεί να προωθεί ωφέλιμο φορτίο 5 τόνων καθημερινά σε 15 χρόνια. Το κόστος του πρώτου διαστημικού ανελκυστήρα θα μπορούσε να ανέλθει σε 7 έως 10 δισεκατομμύρια δολάρια, συμπεριλαμβανομένων και των αρχικών δαπανών. Όμως ο δεύτερος ανελκυστήρας θα κόστιζε ένα μικρό μέρος του πρώτου. Τα έξοδα θα μπορούσαν να αποσβεστούν μέσα σε 10 χρόνια λειτουργίας των πρώτων διαστημικών ανελκυστήρων.

Αναφορά:
http://www.eurekasci.com/SPACE_ELEVATOR/Space_Elevator_Homepage.html
Phase I Study Final Report,
Τα τελευταία νέα του διαστημικού ανελκυστήρα