Jindřich Ráftl | re:location

Teorie vesmírného výtahu :


Myšlenka na vesmírný výtah mezi Zemí a oběžnou drahou je poměrně stará. Poprvé byl nápad publikován v novinách Komsomolskaja pravda 31. července 1960 jako nedělní příloha. Článek Jurije N. Arcutanova již v této době navrhoval řadu detailů celého projektu. Takzvaná nebeská lanovka měla na geostacionární dráhu denně přepravovat náklad o hmotnosti až 12 000 tun.

Na západě byla myšlenka poprvé publikována ve formě dopisu Johna D. Isaacse, Hugha Bradnera a George E. Backuse ze Scrippsova oceánografického institutu v časopise Science dne 11. února 1966 v článku Satelity s prodlouženým dosahem – kosmický jeřáb. Ač se zdá překvapivé, že myšlenku přinesli oceanografové, byl k tomu praktický důvod. Právě oni měli zkušenosti s dlouhými lany, zatěžovanými vlastní vahou.

V pozdějších letech byl nápad stále znovu objevován a zapomínán. Do historie se zapsalo podrobné pojednání od Jeroma Pearsona, které přineslo mnoho nových poznatků (vyšlo v Acta astronomica v roce 1975). Sám znovuobjevitel byl překvapen, když se dozvěděl, že jeho nápad není původní a že se jen znovu dostal tam, kam jiní. V dnešní době se na řešení problému pracuje a jsou již známy určité výsledky, získané díky počítačovým simulacím. Nápad je tak zajímavý, že mu věnuje pozornost dokonce i NASA, která se pokusila udělat pokus s vypuštěním drátu z raketoplánu do atmosféry. Pokus sám skončil nezdarem, přesto však přinesl cenné poznatky.

Výtah funguje na základě jednoduchého principu. Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem Země, musí mít dostatečnou oběžnou rychlost. Na povrchu Země se tato rychlost rovná tzv. první kosmické rychlosti, rovné cca 7,9 km/s, při které bude odstředivá síla působící na takové těleso rovna gravitační síle, kterou na něj působí Země. Čím výše jste nad povrchem Země, tím více slábne její gravitační přitažlivost a potřebná oběžná rychlost je nižší. V určité výšce pak nastane situace, kdy oběžná rychlost klesne natolik, že bude rovna rychlosti otáčení Země (zemského povrchu). Tato výška se nazývá geostacionární dráha a družice obíhající Zemi nad rovníkem po této dráze bude stále nad jedním místem na povrchu.

Pro představu z tohoto bodu na oběžné dráze spustíme na Zemi lano tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Část lana pod geostacionární dráhou bude gravitačně přitahovaná k Zemi (jelikož bude obíhat nižší rychlostí než je potřebná na vykompenzování gravitace), zatímco část lana nad geostacionární dráhou bude mít díky převažující odstředivé síle snahu od Země uniknout. Gravitační a odstředivá síla působící na celé lano tedy působí proti sobě. Lano tak při vhodné délce dokáže "levitovat" bez toho, že bychom museli použít dodatečný (např. raketový) pohon na to, aby lano zůstalo napnuté. Samozřejmě při vytahování nákladu po laně začne působit také dodatečná síla směrem k Zemi (jednak díky hmotnosti nákladu a vozidla, jednak na začátku díky jeho zrychlení). Pádu lana zabráníme tím, že lano ukotvíme na Zemi (na to má sloužit veliká pohyblivá platforma na způsob plovoucích ropných plošin) a těžiště lana (závislé především na délce lana nad geostacionární dráhou a vzdálenosti a hmotnosti protiváhy úplně na konci lana) posuneme o něco výš než je geostacionární dráha. Výsledkem bude, že celková odstředivá síla působící na lano bude o něco větší než gravitační přitažlivá síla a lano bude mít slabou tendenci uniknout od Země. Bude postačovat velice malý rozdíl těchto sil, řekněme několik desítek tun (závisí na projektované nosnosti výtahu). Bez problémů pak můžeme vytahovat náklad bez hrozby pádu nebo namotání lana na Zemi, jelikož tahle přebytečná odstředivá síla ho bude neustále udržovat ve stabilní pozici.

Tím se vyřeší také problém s tzv. Coriolisovou sílou, která bude působit na pohybující se náklad a tedy i na lano. Coriolisova síla působí na vytahovaný nebo klesající náklad díky tomu, že s výškou se mění oběžná rychlost nákladu - čím výše se náklad nachází, tím vyšší oběžnou rychlost na výtahu má. Tuhle rychlost při výstupu mu však musí lano dodat (při klesání odebrat) a tedy náklad bude na lano působit sílou kolmou na lano (z energetického hlediska je vesmírný výtah zařízení využívající rotační energii Země). Coriolisova síla je však velice malá a způsobí pouze jistou malou a dopředu vypočitatelnou odchylku lana (nepřesáhne hodnotu 1 obloukového stupně). Jakýmkoliv větším komplikacím (např. dlouhodobé navíjení lana na Zemi) zabrání zmiňovaná odstředivá síla. Z vědeckého hlediska je fyzikální princip výtahu plně vyřešen a není na něm nic nereálného nebo nejasného.

Čím větší je dosažená výška výtahu, tím větší je oběžná rychlost. Od jisté výšky nad povrchem bude možné uvolněním z výtahu uvést objekty na nízkou eliptickou dráhu. Ve výšce 35 810 km zůstane těleso po odpoutání na kruhové geostacionární dráze. Z větší výšky bude možné vypouštět tělesa na vysokou eliptickou dráhu (navedení na konečnou dráhu žádoucí excentricity bude dosaženo dodatečným slabým raketovým pohonem). Ve výšce 46 770 km dosáhne oběžná rychlost na výtahu hodnotu druhé kosmické rychlosti 11.2 km/s a teda vypuštěním tělesa nad touto výškou bude možné poslat objekty do meziplanetárního prostoru. S dalším zvětšováním výšky bude rychlost neustále narůstat a bude možné posílat tělesa do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy. Přirozeně s narůstající délkou výtahu rostou i nároky na pevnost materiálu a náklady na jeho vybudování. Kompromisním řešením je výtah o délce cca 91 tisíc kilometrů. S takto dlouhým lanem se bude dát bez použití urychlovací rakety dostat k Venuši, Měsíci, Marsu a při využití gravitačního zrychlení míjejících planet také k Jupiterově soustavě, což bohatě stačí. Delší lano by umožnilo cestovat i k dalším planetám, ale v současnosti by to nebylo rentabilní a ani příliš potřebné. Na cestování k vzdálenějším planetám bude efektivnější vynést na oběžnou dráhu sondu nebo kosmickou loď s vlastním raketovým pohonem.

Existuje několik variant, z nichž v spučasnosti nejpropracovanější a nejjednodušší je varianta využívající současné technologie a raketové nosiče. Na vypuštění družice nesoucí prvotní lano spolu s raketovými motory a palivem potřebným na přesun na geostacionární dráhu bude stačit sedm startů raketoplánů a jeden start nosiče Centaurus. Z geostacionární dráhy se začne z družice odvíjet prvotní lano s nízkou nosností (protože jenom tak můžeme zabezpečit, že celé lano bude možné na jeden start dopravit na oběžnou dráhu. Skládání silnějšího lana z několika částí až na orbitě je riskantní, jelikož takové technologie nejsou na oběžné dráze odzkoušené a byly by velice náročné a nespolehlivé). Na konci bude umístěna malá sonda se slabým motorem, který dodá lanu prvotní impulz. Dále se lano bude odvíjet díky gravitaci Země. V průběhu odvíjení se bude družice synchronizovaně vzdalovat od Země tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Malá sonda na konci lana bude obsahovat i vysílač, díky kterému bude lano po dosáhnutí povrchu Země lehce identifikovatelné. Po zachycení a ukotvení konce lana na plovoucí plošinu se vyšlou speciální climbery (šplhače - vozidla vynášející po laně náklad) v předpokládaném počtu 207, vezoucí další vrstvy lana. Ty během svého výstupu lano postupně rozšíří na požadovanou nosnost 20 tun. Podobný princip se využívá např. při budování visutých mostů. Každý z climberů bude následně umístěn na konci lana a bude sloužit jako protiváha spolu s původní družicí nesoucí prvotní lano. Po dokončení celého procesu budou moci začít fungovat samotné climbery s nákladem.

Tím se vyřeší také problém s tzv. Coriolisovou sílou, která bude působit na pohybující se náklad a tedy i na lano. Coriolisova síla působí na vytahovaný nebo klesající náklad díky tomu, že s výškou se mění oběžná rychlost nákladu - čím výše se náklad nachází, tím vyšší oběžnou rychlost na výtahu má. Tuhle rychlost při výstupu mu však musí lano dodat (při klesání odebrat) a tedy náklad bude na lano působit sílou kolmou na lano (z energetického hlediska je vesmírný výtah zařízení využívající rotační energii Země). Coriolisova síla je však velice malá a způsobí pouze jistou malou a dopředu vypočitatelnou odchylku lana (nepřesáhne hodnotu 1 obloukového stupně). Jakýmkoliv větším komplikacím (např. dlouhodobé navíjení lana na Zemi) zabrání zmiňovaná odstředivá síla. Z vědeckého hlediska je fyzikální princip výtahu plně vyřešen a není na něm nic nereálného nebo nejasného.učasnosti by to nebylo rentabilní a ani příliš potřebné. Na cestování k vzdálenějším planetám bude efektivnější vynést na oběžnou dráhu sondu nebo kosmickou loď s vlastním raketovým pohonem.

Existuje několik variant, z nichž v současnosti nejpropracovanější a nejjednodušší je varianta využívající současné technologie a raketové nosiče. Na vypuštění družice nesoucí prvotní lano spolu s raketovými motory a palivem potřebným na přesun na geostacionární dráhu bude stačit sedm startů raketoplánů a jeden start nosiče Centaurus. Z geostacionární dráhy se začne z družice odvíjet prvotní lano s nízkou nosností (protože jenom tak můžeme zabezpečit, že celé lano bude možné na jeden start dopravit na oběžnou dráhu. Skládání silnějšího lana z několika částí až na orbitě je riskantní, jelikož takové technologie nejsou na oběžné dráze odzkoušené a byly by velice náročné a nespolehlivé). Na konci bude umístěna malá sonda se slabým motorem, který dodá lanu prvotní impulz. Dále se lano bude odvíjet díky gravitaci Země. V průběhu odvíjení se bude družice synchronizovaně vzdalovat od Země tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Malá sonda na konci lana bude obsahovat i vysílač, díky kterému bude lano po dosáhnutí povrchu Země lehce identifikovatelné. Po zachycení a ukotvení konce lana na plovoucí plošinu se vyšlou speciální climbery (šplhače - vozidla vynášející po laně náklad) v předpokládaném počtu 207, vezoucí další vrstvy lana. Ty během svého výstupu lano postupně rozšíří na požadovanou nosnost 20 tun. Podobný princip se využívá např. při budování visutých mostů. Každý z climberů bude následně umístěn na konci lana a bude sloužit jako protiváha spolu s původní družicí nesoucí prvotní lano. Po dokončení celého procesu budou moci začít fungovat samotné climbery s nákladem.


Vlákno:


Požadovaná nosnost lana pro orbitální výtah :
Nosnost lana není jediným parametrem který se v návrhu řeší. Pokud by bylo takové lano konstruováno z oceli, tak by v místě vyrovnání gravitační a odstředivé síly mělo průřez asi poloviny Zemského průřezu na rovníku. Pro zjednodušení popisu potřebného materiálu vědci zavádí jednotku zvanou Yuri – specifickou nosnost materiálu. O jednotce Yuri tato jednotka je poměrem pevnosti v tahu vůči své hmotnosti

Stavba výtahu by byla reálná s materiálem o hodnotách 40-50 Yuri (např. mez pružnosti 88-110 GPa, při podélné hustotě 2 g/m).
Japonský fyzik Sumio Iijima, jehož objev poprvé rozvířil diskusi nad možností přepravy materiálu vesmírným výtahem na oběžnou dráhu Země. Sumio IijIma počátkem 90tých let minulého století publikoval vědeckou práci na téma uhlíkových nanotrubiček (Carbon Nano Tubes – CNT), na jejímž základě se myšlenka vesmírného výtahu posunula ze scifi publikací do řešené vědecké roviny.

Uhlíkové nanotrubičky (Carbon Nano Tubes – CNT)

Úvodní výpočty a počítačové simulace naznačovali že nanotrubičky by měli vydržet až 50 GPa (22 Yuri) v tahu, což bylo následně potvrzeno i experimentálně. Další prostorové configurace CNT by měli teoreticky dosahovat pevnosti 126 GPa (57 Yuri) a poslední výzkumy zatím končí vícestěnnými CNT (MWNT) a jejich teoretickou pevností až 150 GPa (68 Yuri).

CNT podle výpočtů a simulací poskytují pevnost v tahu až 68 Yuri (150 GPa). Požadavky na stavbu se pohybují mezi 40-50 Yuri.

Prvním problémem je vytvořit uhlíkové nanotrubičky dosahující délky vyšší než několik milimetrů. Druhý je vysoká náchylnost CNT k narušení stěn a to jak při výrobě, tak při namáhání samém. Důsledkem je snížení nosnosti o závratných 75 %. Uvažujeme-li vypočtenou specifickou nosnost vícestěnných CNT (68Yuri) a odečteme zmiňovaných 75 % dostáváme hodnotu 17 Yuri, která je výrazně nižší než potřebných 40 Yuri.

Problémy v technologii :

Oscilace lana

Gravitačním a slapovým působením Měsíce a Slunce, a také vlivem stoupání a klesání pohybujícího se nákladu, bude docházet k oscilacím. Řešením je vhodná frekvence a rychlost pohybujících se climberů spolu se synchronizovanou délkou lana. Výpočty ukazují, že např. lano o délce cca 70 000 km by mělo veliké problémy díky rezonanční frekvenci s oběhem Měsíce/rotací kolem Země. Navrhované lano má však délku 91 000 km - je to výhodné nejen z hlediska oscilací, ale také z hlediska uváděných dostupných cílů v Sluneční soustavě.

Zahřívání lana.

Lano se bude přirozeně zahřívat jednak působením slunečního záření, tak i vystupujícími climbery a také oscilacemi a pnutím v laně. Výpočty ukazují, že lano uvažovaného designu bez problémů vše vyzáří přirozeným tepelným vyzařováním do volného prostoru. Je však potřeba si uvědomit, že pokud půjdeme s climberem nad geostacionární dráhu (např. při vypouštění sond na Měsíc a k jiným planetám), energii nebudeme muset na šplhání dodávat, nýbrž energii budeme dostávat! Stejně jako i při snášení nákladu z oběžné dráhy na Zemi - climber bude muset brzdit a tedy energie se bude uvolňovat. Tento přebytek energie můžeme zužitkovat např. konverzí na energii elektrickou. Přebytek tepla sa bude řešit vyzařováním, vedením, anebo případně i absorbcí do části nákladu (např. do vody, jelikož voda má velikou tepelnou kapacitu, i když tohle řešení by představovalo snížení efektivního nákladu). Je zajímavé, že výtah z fyzikálního pohledu bude pracovat velice efektivně a energeticky úsporně. I v případě nevyužívání brzdné energie bude na provoz stačit zdroj s výkonem cca 20 MW. Není třeba vyvíjet žádnou novou technologii, podobné zdroje mají již i dnešní ropné plošiny.

Ionosféra a její vybíjení.

Ionosféra je oblast atmosféry ve výšce od cca 20 do 2000 km nad povrchem, která obsahuje ionizované částice nesoucí elektrický náboj (o nezanedbatelném napětí přibližně 300 V/m). Jelikož lano bude mít jistou vodivost, může teoreticky tento náboj vybíjet. Hustota ionosféry je však nízká a analýza ukazuje, že vybíjení bude vzhledem k vlastnostem lana (např. nízká vodivost, malý průřez) a ionosféry velice malé, maximálně v okolí několika málo metrů od lana. Nehrozí tedy žádný problém s přílišným zahříváním lana díky tomuhle efektu ani vybití ionosféry z dlouhodobého hlediska. Samozřejmě, při konstrukci climberů (především pro lidi) se bude muset počítat s existencí ionosféry.

Teroristický útok, nehoda výtahu.

Motivací pro teroristy nebudou škody na životech. Celé lano totižto váží pouze několik stovek tun, přičemž zaútočit můžou reálně jenom na jeho spodní část - i v případě útoku družicí (v plánech jsou samozřejmě i akce typu Pakistánská družice, která by dva roky plnila mírové vědecké účely a náhle změnila kurz přímo na lano...") dojde k přerušení lana maximálně do výšky 1000 km, což je jenom něco přes setinu celé jeho délky, takže na Zemi v nejhorším případě spadne několik tun lana. Jestli by však došlo k přerušení lana ve větší výšce, tak téměř všechno shoří v atmosféře ( jelikož lano je velice tenké a lehké), tedy celkový destrukční efekt je na úrovni padajícího cáru kancelářského papíru. Zdravotní účinky shořených uhlíkových nanotrubiček (např. při vdechnutí) by neměly být škodlivé, přesto výzkum v tomhle směru pokračuje. Motivace teroristů může být tedy jenom ekonomická - způsobit škody tím, že se zničí ekonomicky výhodný prostředek dopravy na oběžnou dráhu. Jenomže - jestli se postaví první výtah (za cca 40 mld. $ v současných cenách), tak druhý a další výtahy budou podstatně levnější - jelikož již nebude potřebný složitý proces prvotního vynášení na oběžnou dráhu pomocí klasických raket. Bude možné vybudovat několik desítek výtahů v rychlém sledu, takže i kdyby některé z nich byli zničeny teroristickým útokem, znovunatažení lana nebude tak nákladné vzhledem k existenci ostatních výtahů. Teroristé tím ztrácejí důležitý prvek motivace. Kromě toho, pohyblivá plošina se bude nacházet několik stovek kilometrů od jakýchkoliv leteckých linek, takže jediná reálná možnost je útok balistickou střelou anebo družicí, ne letadlem. Všechno bude kontrolovat samozřejmě americká (či jiná) armáda. Navíc další postavené výtahy budou sloužit již pro komerční firmy a pro jiné státy. Takže to již nebude majetek jen národů čelících terorismu, nýbrž i jiných krajin, vůči kterým teroristé nebudou mít motivaci útočit. Minimální destrukční následky se přirozeně vztahují i na případ nehody výtahu

Navrhované řešení:

Jelikož je vlákno při své délce nevyrobitelné. Navrhuji vlákno "rostlé" složené z nanobotů, které vycházejí z principu CNT. Nanobotem - naprogramovanou částečkou uhlíku se budou stavět CNT které však budou duté a budou v průřezu vytvářet cévní systém pro zásobování struktury při růstu nebo při případných opravách poškození. Nehrozí tim nevratná poškození , která by mohla vzniknout při seriové výrobě. Systém růstu je inteligentní a dokáže případné kolize v růstu nebo chyby detekovat a opravit, aby nedocházelo ke snižování nosnosti lana.

Vlákno je složené z chráněného jádra které slouží pro pohyb modulů : jeden servisní a jeden každým směrem. Jádro je obaleno omotávaným rostlým stonkem z CNT ze kterého pro stabilizaci vyrůstají stabilizační balony plněné heliem které je dodáváno systémem cév z CNT trubiček.

Díky třem prostorově propletným stonkům a značné velikosti průřezu bude oscilace minimalizována oproti předchozím uvažovaným řešením.

Zahřívání lana bude řešeno systémem aktivního chlazení a inteligentním materiálem který vzniklé teplo bude transformovat na energii a bude jí zásobovat celou lanovou strukturu. Průřez lana je navržen podle scriptu, který generuje soustředné otvory a opakuje tak cyklus rustu směrem z jadra ven.


Růst:


Člověk při obývání prostředí vytváří zásahy. Tyto zásahy se dají rozprostřít do vrstev. Jednotlivé vrstvy posupem času buď přežívají nebo jsou určeny k záhubě. Formy zásahů které jsou udržitelné jsou předurčené rozvoji. Tento rozvoj nemůže být stále jen plošný, ale při kumulaci podmínek příznivých i nepříznivých aspiruje k vertikalitě.

Tento jev je viditelný ve všech městech, nebo jiných formách lidského osídlení na planetě. Aspirace k vrcholu je neustálá. Kde se ale ten vrchol nachází?

V lidech je touha přiblížit se nebi. At letadlem nebo raketou, vždy byla tato forma o cestě z povrchu do vzduchu a zpět. Při úvaze že by se člověk nemusel nutně vracet zpět a byl by tento stav udržitelný popírají se formy a systémy které vedou pouze ke krátkodobé cestě a neobsahují prvek setrvání. U vysoké stavby je toto možné a lidstvo se o to snaží od počátku věků. Stavby jako Babylonská věž, pyramidy ale i vysílač Konstantinov nebo v současnosti realizované mrakodrapy v Dubaji jsou toho důkazem. Jejich formy a tektonika vycházejí z požadavku na vertikalitu, ale ne z požadavku na spojnici mezi nebem a zemí. Proto při návrhu takovéto stavby považuji za nutné uvažovat v uplně jiných prostředích než je obvyklé.

Stavba spojující 2 světy, která si podmaňuje i svět třetí – vodu ze kterého se ubírá vstříc nebesům ani nemůže být z tohoto světa, jedná se o uplně novou neprobádnou entitu nezatíženou předchozím zkoumáním, potvrzováním a popíráním.

Máme před sebou nejen nový pojem stavby, jejího výrazu a utvoření. Především je tu nový způsob dopravy, který vyžaduje uplně jiné funkce ve stavbě než se doposud kdy projektovalo. A toto „nové“ využití determinuje návrh od jeho začátku. A provází ho během celého procesu.

Už jen otázka jak pojednat stabilní objekt, který bude odolovát oceánum, počasí a času a během toho bude splňovat požadavky na něj lidmi kladné je výzva. Takové stavby existují a mohly vzniknout díky atypickému určení jejich funkce. Jsou to ropné plošiny viditelné snad ve všech světových mořích. Při snaze o jejich využití v tomto návrhu však nemohou obstát. Jsou to plošiny – lidské strojodomy určené k vrtání ve dnu oceánu, ne ke spojení země a nebe. Samotný princip plošin – plovoucí těleso je v pořádku. Zbytek však nikoliv.

Soustředíme-li se teď na požadavek navrhnout novou budovu do vody a aby to nebyla ropná plošina, stojíme před úkolem, který má měřítka a limity pouze v dostupné současné technologii a ekonomice provedení, nikoliv v zavedených zvyklostech stavění ve známé nebo chráněné krajině. Tyto limity v tomto prostředí neexistují.

Máme tedy prostředí kde nejsou žádné limity a víme že ani v budoucnosti nebudou žádné problémy ohledně rozrůstání, takže se koncipované město musí umět svobodně rozvíjet jen s ohledem na svojí udržitelnost a ne v ohledu na okolí které by rozvoj ovlivňovalo. Inspiraci pro takovou vlastnost jsem hledal v přírodě a nalezl jí u koloní hub a hlenek.

Na mikrobiologickém institutu jsem si obstaral 3 petryho misky ve kterých jsem nasimuloval 3 druhy prostředí a nasadil do nich vzorky dřevomorek. První prostředí bylo čisté, vyplněné pouze agarem(živný roztok z minerálů a vody). Druhé prostředí obsahovalo několik kusů kamínků seskládaných do malého bludiště a třetí prostředí byl filtrační papír na kterém jsem se pokusil simulovat pohoří a zkoumal jak bude houba porůstat hřebeny a údolí.

Po tomto experimentu jsem se rozhodl celý proces nasimulovat v počítači. Pro vytvoření vztyčných bodů koloníí jsem užil celulární automat. Pro simulaci rhizoidních kořenů l-systém a pro rámcové ovlivnění prostředí fyzikální programovou simulaci.

Zdroje :

Juraj Kotulic Bunta [Japan Atomic Energy Agency]
Institute for Scientific Research, The Space Elevator Final Report to NASA Institute for Advanced Concepts.
Wikipedia
Physical principles
Czechnationalteam