Kosmiczna winda. Czy to się może udać?

Misje kosmiczne realizowane za pomocą tych czy innych rakiet to codzienność. I choć mogą być najlepszym sposobem na wysłanie ludzi na orbitę, już dawno temu zaproponowano też inne, niekoniecznie rakietowe metody, w tym słynną windę kosmiczną. Ta koncepcja przypisywana jest rosyjskiemu wynalazcy polskiego pochodzenia Konstantemu Ciołkowskiemu i datowana na koniec XIX wieku.

To Ciołkowski opracował teorię ruchu rakiet wielostopniowych i wyprowadził wzór opisujący zależność prędkości rakiety od jej masy i prędkości gazów wylotowych. Wierzył, że właśnie kolonizacja kosmosu doprowadzi nasz gatunek do perfekcji i ogólnej świetności. Jego orbitalna winda także miała mieć w tym udział. Konstrukcja taka rozciągałaby się od samej Ziemi przez poszczególne warstwy atmosfery, a następnie kończyłaby się w danym punkcie orbity geostacjonarnej.

Do tego momentu wszystko brzmi przekonująco. Faktycznie istnieje coś takiego jak orbita geostacjonarna. Co więcej, niemal wszyscy w jakimś sensie z niej korzystamy – na przykład oglądając telewizję satelitarną lub sprawdzając niektóre mapy i prognozy pogody. Wiele danych pogodowych, także dla Europy, pozyskujemy dziś z satelitów na stałe zawieszonych nad ziemskim równikiem, dla Polski obecnie tych z serii Meteosat tzw. trzeciej generacji (MTG).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Orbita geostacjonarna to po prostu taka wysokość ponad Ziemią, na której raz umieszczone obiekty – nadal przyciągane przez ziemską grawitację – krążą wokół Ziemi zgodnie z jej ruchem obrotowym. Jeśli zatem wyślemy tam satelitę, teoretycznie pozostanie on już zawieszony nad danym punktem naszej planety. W przypadku Ziemi orbita geostacjonarna znajduje się na wysokości 35 786 km nad równikiem, a zatem dość daleko od jej powierzchni.

Prędkość satelity umieszczonego na tej orbicie to około 3 km/s, a czas okrążenia przez niego Ziemi wynosi 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli dokładnie tyle, ile trwa doba gwiazdowa. Satelita będzie wisiał nad danym punktem Ziemi jednak tylko wtedy, gdy zostanie wysłany dokładnie ponad równik. W praktyce jego stabilność na tej orbicie może też wymagać od czasu do czasu poprawek pozycji.

Teoretycznie można też umieścić satelitę z sięgającym aż do Ziemi kablem jeszcze dalej poza orbitą geostacjonarną – tak, aby środek ciężkości całej konstrukcji był na stałe zakotwiczony bezpośrednio na tej orbicie. Taka kosmiczna winda działałaby na zasadzie stabilizacji kabla poprzez połączenie dwóch sił: przyciągania grawitacyjnego Ziemi, które wywiera siłę skierowaną w dół, oraz siły odśrodkowej obrotu całej konstrukcji, która wywierałaby na kabel siłę skierowaną w górę.

Interakcja obu sił stworzyłaby wówczas naprężenie niezbędne do utrzymania kabla o odpowiedniej długości. Windy kursujące wzdłuż kabla mogłyby łatwo i tanio wynosić w kosmos ładunki i pasażerów. Na końcu całej budowli mógłby jeszcze znajdować się kosmiczny hotel. Zapewne przynoszący niemałe dochody.

Cała koncepcja w zamyśle ma pozwalać taniej podróżować na orbitę. Była wskazywana jako sposób na przezwyciężenie astronomicznych – nomen omen – kosztów związanych z wysyłaniem ładunków i osób w kosmos za pomocą rakiet. W kosmicznej windzie, poza atrakcyjną wizją, chodzi głównie właśnie o minimalizację kosztów. Co więcej, nasze obecne systemy rakietowe są wciąż w dużej mierze jednorazowego użytku. A cena wysłania tylko kilograma ładunku na orbitę to dziś ponad 10 tys. USD. W dłuższej perspektywie sens budowy windy leży w jej potencjale uczynienia podróży w kosmos bardziej ekonomicznymi. Koszt umieszczenia ładunku poza orbitą geostacjonarną w teorii można tym sposobem obniżyć do zaledwie kilkuset dolarów za kilogram. Nie bez znaczenia są też względy ekologiczne…

Niestety, nie istnieje obecnie żaden dowód słuszności koncepcji kosmicznej windy. Chociaż podjęto kilka prób stworzenia jej projektu architektonicznego, liczne ograniczenia techniczne sprawiają, że idea pozostaje w sferze marzeń od dekad.

Kluczowym elementem windy kosmicznej jest jej kabel, zaczepiony u dołu "gdzieś na równiku" i poprzez satelitę zsynchronizowany z ruchem obrotowym Ziemi. Załóżmy dla uproszczenia, że lokalizacja równikowa nie będzie w ogóle problematyczna. Pozostaje jednak nadal kwestia bezpieczeństwa kabla, w tym jego trwałości i wytrzymałości, bo musi on być zrobiony z materiałów zdolnych do wytrzymania znacznych naprężeń.

Zdaniem Alberto de la Torre z Uniwersytetu Northeastern kabel o tak dużej długości nad Ziemią nie jest możliwy do wykonania przy użyciu standardowych materiałów. Jeśli zrobimy go ze stali, maksymalne naprężenie, na jakie będzie narażony na orbicie geostacjonarnej, będzie przekraczało jego wytrzymałość na rozciąganie, i to nawet kilkadziesiąt razy. Istnieją jednak nowoczesne substancje, które są pod tym kątem bardziej obiecujące.

Nanorurki z azotku boru, nanonitki diamentowe i grafen – wszystkie te materiały o niskiej gęstości i wysokiej wytrzymałości na rozciąganie mogą w trudnej do oszacowania przyszłości umożliwić wykonanie bezpiecznej kosmicznej windy. Poza tym tego typu wynalazki są wciąż rozwijane. Nauka o materiałach, w tym nanotechnologia, szybko ewoluuje, więc nowe możliwości się mnożą.

– Koncepcja wind kosmicznych nie powinna być wykluczona w niezbyt odległej przyszłości – przyznaje naukowiec.

Choć początkowa inwestycja – nie tylko pieniędzy, ale i czasu czy prac koncepcyjnych – w windę kosmiczną może być znaczna, to całkowite koszty mogą się zwrócić już po pomyślnym wyniesieniu zaledwie kilku ton ładunku. Podobnie jak wieloletni wysiłek ludzkości zmierzający do ostatecznego opracowania i wyniesienia na orbitę Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Nie zmienia to faktu, że dopóki nie pojawią się przełomowe odkrycia w dziedzinie materiałoznawstwa, dopóty takie "windy do nieba" pozostaną w sferze fantastyki naukowej, ewentualnie dość abstrakcyjnej architektury. Czy warto nad nimi intensywnie pracować? De la Torre podkreśla, że dają one nadzieję na prawdziwe wywindowanie ludzkości w kierunku nowoczesnej cywilizacji kosmicznej. Puszczając dalej wodze fantazji, mogą posłużyć nie tylko jako bardziej opłacalny sposób wynoszenia na orbitę ciężkich ładunków na potrzeby przyszłych stacji kosmicznych, ale także w kosmicznym górnictwie czy tworzeniu całych pozaziemskich kolonii.

Kilka lat temu japońska firma budowlana Obayashi Corporation ogłosiła, że odda do użytku własną kosmiczną windę opartą na nanorurkach węglowych już w 2050 roku. Wcześniej była mowa o roku 2025, ale biorąc pod uwagę, że jest rok 2024, plan ten nie jest zbyt realny. Przy prędkości startowej 150 km/h moduł "wspinający" windy (tzw. Climber) miałby docierać na wysokość 400 km, na jakiej znajduje się Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, w około 2,5 godziny. To prawie tyle samo, co podróż szybkim pociągiem między Tokio a Osaką. Każdy "start" przenoszącej wiele kilogramów ładunku windy miałby kosztować tylko kilka tysięcy dolarów.

Kosmiczna winda to nie tylko sposób na kosmoturystykę i transport. Istotą tego projektu ma być również próba rozwiązania problemów energetycznych. W jego ramach na wysokości 36 tys. km nad Ziemią rozmieszczone mają zostać specjalne satelity solarne Space Solar Power System. Energia słoneczna jest tam w zasadzie nieograniczona i darmowa, a na tak wysokiej orbicie, w przeciwieństwie do powierzchni Ziemi, na jej pozyskiwanie nie ma wpływu pogoda.

Źródło: groovyjapan.com, phys.org, Northeastern University