Budowla sięgająca niebios? Nikt nigdy jej nie wzniósł, do dziś istnieje tylko w ludzkiej wyobraźni. Jej wizja była jednak tak potężna i sugestywna, że uwieczniono ją jeszcze w czasach biblijnych - w opowieści o wieży Babel. Okazała się też na tyle nowatorska, że musiały upłynąć długie wieki, nim odważyliśmy się myśleć o niej w kategoriach realnego przedsięwzięcia technicznego.


"Chodźcie, zbudujemy sobie miasto i wieżę, której wierzchołek będzie sięgał nieba (...)". A Pan zstąpił z nieba, by zobaczyć to miasto i wieżę, które budowali ludzie, i rzekł: "Są oni jednym ludem i wszyscy mają jedną mowę, i to jest przyczyną, że zaczęli budować. A zatem w przyszłości nic nie będzie dla nich niemożliwe, cokolwiek zamierzą uczynić."
Księga Rodzaju, Rozdział 11

W 1889 roku Paryż wzbogacił się o nowy, z daleka widoczny nabytek: 300-metrową wieżę, wzniesioną przez Gustawa Eiffela. Konstrukcja zainspirowała rosyjskiego pioniera astronautyki, Konstantego Ciołkowskiego. W 1895 roku opisał on budowlę, która łączyłaby powierzchnię Ziemi z obiektem na orbicie, "zamkiem w przestworzach". Pod względem technicznym pomysł nadal był czystą fantazją i nic dziwnego, że szybko odbył podróż do lamusa. Wydostał się stamtąd dopiero w 1960 roku, gdy rosyjski inżynier Jurij Artsutanow zaproponował coś bardziej realistycznego - satelitę połączonego z Ziemią za pomocą liny. Szybko okazało się, że i ta wersja jest nie do zrealizowania. Żaden materiał nie był na tyle wytrzymały, by zrobiona z niego lina, długości dziesiątków tysięcy kilometrów, zdołała utrzymać... własny ciężar.

Piętnaście lat po Artsutanowie do projektu powrócił Jerome Pearson, również inżynier, tym razem amerykański. Prawdopodobnie wówczas idea przyciągnęła uwagę słynnego pisarza fantastyczno-naukowego Arthura C. Clarke'a. W 1979 roku opublikował on powieść "Fontanny Raju", w której opisał proces konstruowania windy kosmicznej. A raczej wind, bo u Clarke'a mamy ich aż sześć. Ich większa liczba była konieczna, posłużyły bowiem do zbudowania niezwykłej stacji kosmicznej: sztucznego pierścienia wokół Ziemi.

W czym leży tak wielka przewaga windy kosmicznej nad rakietami, że Clarke mógł się odważyć na przedstawienie ekstrawaganckiej wizji stacji orbitalnej opasującej całą planetę? Odpowiedź brzmi: w fizyce. Aby wprowadzić pojazd na orbitę, rakieta musi go rozpędzić do dużej prędkości. W tym celu oprócz samego ładunku - statku załogowego lub satelity - trzeba umieścić w niej odpowiednią ilość paliwa. Lecz im więcej paliwa bierzemy, tym cięższa rakieta i tym więcej paliwa potrzeba przy starcie, aby cały kompleks wynieść w kosmos. Właśnie to sprzężenie powoduje, że współczesne rakiety są niemal w całości wielkimi, niezgrabnymi opakowaniami na paliwo. Tymczasem główny zysk z windy kosmicznej polega na tym, że moduł transportowy, który by się po niej przesuwał, nie musiałby dźwigać swojego paliwa. Energię można byłoby mu dostarczać za pomocą laserów lub urządzeń mikrofalowych, zainstalowanych w pobliżu punktu zakotwiczenia liny. Dodatkowo można byłoby jeszcze zaoszczędzić ok. 8% energii potrzebnej do transportu, bowiem przemieszczający się moduł, w zależności od kierunku ruchu, odbierałby lub przekazywałby część energii kinetycznej od/do liny.

Na węglu w kosmos

Metody przesyłania energii na odległość za pomocą mikrofal i laserów nie są jeszcze dopracowane, ale mają podstawową zaletę: już istnieją. Znacznie gorzej jest z podstawowym elementem windy kosmicznej. Wciąż nie mamy materiału na linę. Gdybyśmy chcieli użyć najlepszych dzisiejszych gatunków stali, lina w najgrubszym miejscu musiałaby mieć... setki kilometrów średnicy. Do budowy windy potrzebujemy czegoś zupełnie innego, wyjątkowego, o małej gęstości i ogromnej wytrzymałości, przynajmniej 60 razy większej od wytrzymałości stali. Na szczęście w 1991 roku odkryto atomowe "nici" - bardzo długie i cienkie rurki, powstałe poprzez ciasne zwinięcie płaszczyzn z atomów węgla. Nanorurki węglowe okazały się znacznie bardziej wytrzymałe niż stal czy kewlar, a przy tym wciąż są lekkie. Jeszcze nie spełniają naszych wymagań, lecz jesteśmy pewni, że w przyszłości ich wytrzymałość będzie można zwiększyć. Po raz pierwszy w dziejach do naszych rąk trafił materiał, który budowę windy kosmicznej uczynił realną.

Lina windy nie powinna się przesuwać względem platformy startowej na powierzchni Ziemi. Wyliczenia wskazują, że w takiej sytuacji lina musiałaby mieć długość aż 144 tys. km. Można ją skrócić, lecz w tym celu trzeba na końcu zastosować przeciwwagę - obiekt, który byłby na tyle masywny, aby przesunąć środek masy windy kosmicznej na orbitę geostacjonarną. Orbita taka jest szczególnym (bo leżącym w płaszczyźnie równika) przypadkiem orbity geosynchronicznej. Każdy znajdujący się na niej obiekt dokonuje jednego okrążenia Ziemi dokładnie w czasie jej pełnego obrotu.

Orbity geosynchroniczne znajdują się w odległości ok. 42 tys. km od środka Ziemi i bardzo podobnej długości musiałaby też być lina windy (minus promień naszej planety). Gdybyśmy jednak chcieli wykorzystać windę do wysyłania satelitów na orbity wokółziemskie (a chcemy!), musiałaby sięgać na odległość przynajmniej 53 200 km od środka Ziemi; wówczas obiekt na jej końcu miałby dostatecznie wysoką energię kinetyczną, aby nie spaść na Ziemię. Bardziej ambitne plany, takie jak wysyłanie sond do innych planet (zwłaszcza w kierunku Jowisza, którego można byłoby wykorzystać jako grawitacyjną katapultę), wymagają dotarcia z liną na odległość aż 107 000 km.


Lina windy kosmicznej wcale nie musiałaby być silnie naprężona. Po prostu zwisałaby z kosmosu, dokładnie tak samo, jak lekko naciągnięty kawałek sznurka czy nitki. Na końcach kosmicznej windy naprężenia byłyby więc niemal równe zeru. Gdzie byłyby największe? W tym fragmencie liny, który krążyłby po orbicie geostacjonarnej. Płynie stąd ważny wniosek: lina wcale nie musi mieć wszędzie jednakowej szerokości. Gdybyśmy dysponowali odpowiednim materiałem, moglibyśmy zrobić ją na przykład w postaci wstęgi grubości jednego mikrometra i szerokości pięciu centymetrów na obu końcach. W okolicach orbity geostacjonarnej szerokość ta byłaby tylko nieco ponad dwa razy większa.

Pomysł nie bez wad

Idea windy kosmicznej jest urzekająco prosta, jednak w praktyce trzeba będzie rozwiązać wiele problemów technicznych. Nie wystarczy mieć superwytrzymałe nanorurki węglowe, trzeba jeszcze opracować metody wytwarzania dostatecznie długich, gładkich, jednorodnych i pozbawionych wad lin. W czasie eksploatacji będą one narażone na wiele niebezpieczństw, na przykład na uszkodzenia przez meteoroidy. Ryzyko groźnej kolizji można zmniejszyć, nadając linie postać cienkiej wstęgi, a najlepiej - budując ją z kilku osobnych taśm. Także prawdopodobieństwo zderzenia nieruchomej liny ze sztucznym obiektem w przestrzeni kosmicznej (satelitą, stacją kosmiczną, śmieciami na orbicie) jest dziś całkiem spore. Szacujemy je mniej więcej na jedną kolizję na rok. Aby zapobiegać takim, stosunkowo łatwym do przewidzenia zderzeniom, powinniśmy móc przesuwać punkt zaczepienia liny na Ziemi. Efekt ten można osiągnąć w dość prosty sposób, kotwicząc windę do pływającej platformy. Z kolei wielu kłopotów związanych z pogodą będzie można uniknąć, rozważnie dobierając lokalizację platformy. Ocean Spokojny, dwa tysiące kilometrów na zachód od wysp Galapagos, wydaje się tu jednym z lepszych kandydatów. Niemal cały rok wiatry nie przekraczają tu prędkości 10 m/s, a fale - 3 m.

Problemów do rozwiązania będzie jednak więcej. Co z uderzeniami błyskawic? Wrażliwością na wiatr? Erozją, spowodowaną oddziaływaniem materiału liny z tlenem atomowym i kroplami kwasu siarkowego w górnych warstwach atmosfery? Należy wymyślić również zabezpieczenia, które uniemożliwią linie wpadanie w niebezpieczne oscylacje. Nie jest to sprawa łatwa, bo już sam ruch modułu podróżnego może być ich źródłem. Jest więc prawdopodobne, że aby uniknąć drgań liny, podróż na orbitę geostacjonarną musiałaby być albo bardzo wolna - nawet do miesiąca! - albo wymagałaby idealnej synchronizacji ruchów wielu "wagoników".

Przesyłanie energii do modułu transportowego także wymaga odpowiednich rozwiązań. Gęstość energii we wiązce laserowej czy mikrofalowej nie może być zbyt duża, gdyż ta działałaby jak gigantyczny miecz świetlny, o czym mógłby się przekonać niejeden ptak czy samolot. Na szczęście tu rozwiązaniem jest po prostu powiększenie średnicy wiązki do kilkunastu-kilkudziesięciu metrów. Ale brane są pod uwagę także inne metody zasilania. Ostatnio Age-Raymond Riise z Europejskiej Agencji Kosmicznej zaproponował nawet, aby energię przesyłać mechanicznie, za pomocą... wibracji liny.

Czy warto podejmować te wszystkie wyzwania? Odpowiedź tkwi w pieniądzach. Skonstruowanie windy kosmicznej kosztowałaby najprawdopodobniej około dziesięciu miliardów dolarów. To ogromna kwota. Szacuje się jednak, że winda pozwoliłaby zredukować koszty wynoszenia satelitów i ludzi w przestrzeń kosmiczną nawet o 99%. Przed ludzkością otworzyłaby się nowa era podboju kosmosu - tworzenia konstrukcji orbitalnych nieporównywalnie większych i bardziej złożonych od wszystkich dotychczasowych. Być może tak wielkich, że moglibyśmy w nich zamieszkać.

Budowa wieży Babel nigdy nie została ukończona, Bóg zazdrośnie pomieszał nam języki. Ale tysiąclecia później ludzie różnych ras i kultur nauczyli się wreszcie mówić jednym językiem - językiem nauki.

źródło : onet.pl
[portalwiedzy.onet.pl/4868,25297,1527977,2,czasopisma.html]

Zmieniony przez - Methos w dniu 2009-01-23 08:42:48