Uzay asansörü
Nanoteknolojinin yardımıyla yalnızca mikroskobik, insan gözüyle görülmeyen bir şey yaratmanın mümkün olduğunu düşünen herkes, NASA uzmanları tarafından yakın zamanda geliştirilen ve bilim adamlarının ve genel kamuoyunun bu kadar ilgisini çeken projeye muhtemelen şaşıracaktır. halk. Uzay asansörü diye adlandırılan projeden bahsediyoruz.
Uzay asansörü, yörüngedeki bir uzay istasyonunu Pasifik Okyanusu'nun ortasında bulunan bir platforma bağlayan onbinlerce kilometre uzunluğunda bir kablodur.
Uzay asansörü fikri bir asırdan daha eskidir. 1895'te bu konuda ilk konuşan, modern kozmonotiğin kurucusu büyük Rus bilim adamı Konstantin Tsiolkovsky'ydi. Modern roket biliminin altında yatan prensibin, modern fırlatma araçlarının kargoyu uzaya ulaştırmak için etkili bir araç olmasına izin vermediğine dikkat çekti. Bunun birkaç nedeni var:
Birincisi, birinci aşama motorların gücündeki aslan payının yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelmeye çalışması nedeniyle modern roketlerin verimliliği çok düşüktür.
İkincisi, yakıt kütlesinde birkaç kez önemli bir artışın hızda yalnızca küçük bir artış sağladığı bilinmektedir.roketler. Bu nedenle, örneğin 2900 ton fırlatma kütlesine sahip Amerikan Satürn-Apollo roket sisteminin yörüngeye yalnızca 129 ton fırlatmasının nedeni budur. Dolayısıyla roket kullanarak uzaya fırlatmanın astronomik maliyeti (bir kilogram kargoyu alçak yörüngeye fırlatmanın maliyeti ortalama 10.000 dolardır.)
Roket fırlatma maliyetini düşürmeye yönelik defalarca yapılan girişimlere rağmen, malların ve insanların yörüngeye taşınmasının maliyetinin, modern roket teknolojilerine dayalı standart hava taşımacılığının maliyetine radikal bir şekilde düştüğü görülüyor.
temelde imkansızdır.
Kargoyu uzaya daha ucuza göndermek için Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar bir uzay asansörü oluşturmayı önerdi. Ön tahminlere göre, asansör kullanılarak kargo fırlatmanın maliyeti onbinlerce dolardan kilogram başına 10 dolara düşebilir. Bilim insanları inanıyor
uzay asansörünün kelimenin tam anlamıyla dünyayı alt üst edebileceğini ve insanlığa tamamen yeni fırsatlar sunabileceğini.
Asansör, yörünge istasyonunu Dünya yüzeyindeki bir platforma bağlayan bir kablo olacak. Paletli kabinler, kablo boyunca yukarı ve aşağı hareket ederek yörüngeye fırlatılması gereken uyduları ve sondaları taşıyacak. Bu asansörün yardımıyla en üstte Ay'a, Mars'a, Venüs'e ve asteroitlere giden uzay araçları için uzayda bir fırlatma rampası inşa etmek mümkün olacak. Asansör "kabinlerine" enerji sağlama sorunu orijinal bir şekilde çözüldü: kablo güneş panelleriyle kaplanacak veya kabinler, Dünya'dan gelen güçlü lazerlerle aydınlatılacak küçük fotovoltaik panellerle donatılacak.
Bilim adamları, uzay asansörünün zemin tabanının okyanusa, Pasifik Okyanusu'nun ekvator sularına, ticari uçuş rotalarından yüzlerce kilometre uzağa yerleştirilmesini öneriyor. Kasırgaların ekvatoru asla geçmediği ve burada neredeyse hiç yıldırımın bulunmadığı, bu da asansöre ek koruma sağlayacağı biliniyor.
Uzay asansörü, Tsiolkovsky'nin yanı sıra bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke'ın eserlerinde anlatılıyor ve böyle bir asansörün inşasına yönelik proje, 1960 yılında Leningrad mühendisi Yuri Artsutanov tarafından geliştirildi. Uzun yıllar boyunca uzay asansörü fikrinin aktif destekçisi Astrahan'dı.
bilim adamı G. Polyakov.
Ancak şimdiye kadar hiç kimse uzay kablosu yapımında kullanılabilecek kadar hafif ve güçlü bir malzeme sunamadı. Yakın zamana kadar en dayanıklı malzeme çelikti. Ancak birkaç bin kilometre uzunluğunda bir çelik kablo yapmak mümkün değildir, çünkü basitleştirilmiş hesaplamalar bile gerekli mukavemete sahip bir çelik kablonun 50 km yükseklikte kendi ağırlığı altında çökeceğini göstermektedir.
Ancak nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte, ultra güçlü ve ultra hafif karbon nanotüplerden yapılmış fiberlere dayalı, gerekli özelliklere sahip bir kablo üretmek için gerçek bir fırsat ortaya çıktı.Şu ana kadar hiç kimse bir metre uzunluğunda bile kablo yapmayı başaramadı. nanotüplerden kablo, ancak proje geliştiricilerine göre nanotüp üretim teknolojileri her geçen gün geliştiriliyor, dolayısıyla böyle bir kablo birkaç yıl içinde yapılabilir.
Asansörün ana unsuru, bir ucu Dünya yüzeyine tutturulmuş, diğer ucu ise yaklaşık 100 bin km yükseklikte uzayda kaybolan bir kablodur. Bu kablo uzayda sadece "sallanmakla" kalmayacak, aynı zamanda iki çok yönlü kuvvetin etkisi sayesinde bir ip gibi gerilecektir: merkez.
kaçan ve merkezcil.
Doğalarını anlamak için, bir nesneyi bir ipe bağladığınızı ve onu çözmeye başladığınızı hayal edin. Belli bir hıza ulaştığında ip gerilecektir, çünkü nesneye bir merkezkaç kuvveti etki eder ve halatın kendisine etki eden merkezcil bir kuvvet onu çeker. Uzaya kaldırılan bir kabloda da benzer bir şey olacak. Üst ucundaki herhangi bir nesne, hatta serbest ucun kendisi bile, gezegenimizin yapay bir uydusu gibi dönecek ve yalnızca dünya yüzeyine özel bir "ip" ile "bağlanacaktır".
Dev halatın kütle merkezinin 36 bin kilometre yükseklikte yani sabit yörünge denilen yörüngede olması durumunda kuvvet dengesi oluşacak. Yapay uyduların Dünya üzerinde hareketsiz asılı kaldığı ve onunla 24 saat içinde tam bir devrim yaptığı yer burasıdır. Bu durumda, yalnızca gerilmekle kalmayacak, aynı zamanda sürekli olarak kesin olarak tanımlanmış bir konumu - dünyanın ufkuna dikey, tam olarak gezegenimizin merkezine doğru - işgal edebilecektir.
Şekil 24. Sanatçı Pat Rawlings'in hayal ettiği uzay asansörü*
http://flightprojects.msfc.nasa.gov adresinden yeniden basılmıştır.
Bir uzay asansörünün inşasına başlamak için birkaç uzay mekiği uçuşu yapmak gerekecek. Onlar ve kendi otonom motoruna sahip özel bir platform, sabit yörüngeye 20 ton kablo taşıyacak. Daha sonra kablonun bir ucunu Dünya'ya indirmesi ve onu Pasifik Okyanusu'nun ekvator bölgesinde bir yere, roket fırlatmak için mevcut fırlatma rampasına benzer bir platform üzerinde sabitlemesi gerekiyor.
Daha sonra, kabloya giderek daha fazla nanotüp kaplama katmanı ekleyerek gücünü artıracak özel asansörleri kablo boyunca yerleştirmeyi planlıyorlar. Bu süreç birkaç yıl sürecek ve ilk uzay asansörü hazır olacak.
Tuhaf tesadüfler: 1979'da bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke, "Cennetin Çeşmeleri" adlı romanında bir "uzay asansörü" fikrini ortaya attı ve çeliğin belirli bir ultra güçlü "sözde" ile değiştirilmesini önerdi. Bu cihazın ana yapı malzemesi haline gelen "boyutlu elmas kristali". Clark'ın neredeyse tahmin ettiği en ilginç şey, bir uzay asansörü inşa etme projesine olan ilginin mevcut aşaması, daha önce tanıştığımız, dikkate değer özelliklere sahip olan karbon kristalleri - nanotüpler ile tam olarak ilişkilidir.
Ve kesinlikle şaşırtıcı olan şey: Uzay asansörünün geliştirilmesine katılanlardan biri olan fizikçinin adı Ron Morgan. Morgan aynı zamanda Arthur C. Clarke'ın romanındaki uzay asansörünü yapan mühendisin de adıydı!
Günümüzde uzay araçları Ay'ı, Güneş'i, gezegenleri ve asteroitleri, kuyruklu yıldızları ve gezegenler arası uzayı keşfediyor. Ancak kimyasal yakıtla çalışan roketler, yükleri Dünya'nın yerçekiminin ötesine itmek için hala pahalı ve düşük güçlü bir araç. Modern roket teknolojisi, kimyasal reaksiyonların doğası gereği belirlenen yeteneklerin sınırına pratik olarak ulaştı. İnsanlık teknolojik bir çıkmaza mı girdi? Eski uzay asansörü fikrine bakarsanız hiç de öyle değil.
Kökenlerde
Gezegenin yerçekiminin "yukarı çekme" yöntemiyle nasıl aşılacağını ciddi olarak düşünen ilk kişi, jet araçlarının geliştiricilerinden Felix Zander'dı. Hayalperest ve mucit Baron Munchausen'in aksine Zander, Ay'a gidecek bir uzay asansörü için bilimsel temelli bir seçenek önerdi. Ay ile Dünya arasındaki yol üzerinde bu cisimlerin çekim kuvvetlerinin birbirini dengelediği bir nokta vardır. Ay'a 60.000 km uzaklıkta bulunmaktadır. Ay'a yaklaştıkça Ay'ın yerçekimi Dünya'nınkinden daha güçlü, uzaklaştıkça ise daha zayıf olacak. Yani Ay'ı, örneğin Ay'dan 70.000 km uzaklıkta kalan bir asteroite bir kabloyla bağlarsanız, o zaman yalnızca kablo asteroidin Dünya'ya düşmesini önleyecektir. Kablo, yerçekimi kuvveti tarafından sürekli olarak gerilecek ve bunun boyunca Ay'ın yüzeyinden ayın yerçekimi sınırlarının ötesine yükselmek mümkün olacak. Bilimsel açıdan bakıldığında bu tamamen doğru bir fikirdir. Hak ettiği ilgiyi hemen göremedi çünkü Zander'in zamanında kablonun kendi ağırlığı altında kopmayacağı hiçbir malzeme yoktu.
“1951'de Profesör Buckminster Fuller, Dünya'nın ekvatoru etrafında serbestçe yüzen bir halka köprü geliştirdi. Bu fikri gerçeğe dönüştürmek için gereken tek şey bir uzay asansörüdür. Peki ne zaman elimizde olacak? Tahmin etmek istemem, bu yüzden Arthur Kantrowitz'in, birisi ona lazer fırlatma sistemi hakkında bir soru sorduğunda verdiği cevabı uyarlayacağım. Uzay asansörü, insanların bu fikre gülmeyi bırakmasından 50 yıl sonra inşa edilecek.” (“Uzay asansörü: bir düşünce deneyi mi, yoksa Evrenin anahtarı mı?”, XXX Uluslararası Uzay Bilimleri Kongresi'nde konuşma, Münih, 20 Eylül 1979.)
İlk fikirler
Astronotiğin ilk başarıları meraklıların hayal gücünü yeniden uyandırdı. 1960 yılında genç bir Sovyet mühendisi Yuri Artsutanov, sabit uyduların (GSS) ilginç bir özelliğine dikkat çekti. Bu uydular tam olarak dünya ekvator düzleminde dairesel bir yörüngede bulunur ve dünya gününün uzunluğuna eşit bir yörünge periyoduna sahiptir. Bu nedenle, sabit bir uydu sürekli olarak ekvator üzerinde aynı nokta üzerinde gezinir. Artsutanov, GSS'yi bir kabloyla dünyanın ekvatorunda altında bulunan bir noktaya bağlamayı önerdi. Kablo, Dünya'ya göre hareketsiz olacak ve bunun boyunca, bir asansör kabinini uzaya fırlatma fikri kendini gösteriyor. Bu parlak fikir birçok zihni ele geçirdi. Ünlü yazar Arthur C. Clarke, tüm olay örgüsünün bir uzay asansörünün inşasıyla bağlantılı olduğu Cennet Çeşmeleri adlı bir bilim kurgu romanı bile yazdı.
Asansör sorunları
Bugün GSS üzerinde uzay asansörü fikri ABD ve Japonya'da halihazırda uygulanıyor ve hatta bu fikri geliştirenler arasında yarışmalar bile düzenleniyor. Tasarımcıların ana çabaları, yalnızca kendi ağırlığını değil aynı zamanda diğer yapısal parçaların ağırlığını da taşıyabilen 40.000 km uzunluğunda bir kablo yapmanın mümkün olduğu malzemeleri bulmayı amaçlıyor. Kablo için uygun bir maddenin zaten icat edilmiş olması harika. Bunlar karbon nanotüplerdir. Güçleri bir uzay asansörü için gerekenden birkaç kat daha fazladır, ancak yine de onbinlerce kilometre uzunluğundaki bu tür tüplerden kusursuz bir iplik yapmayı öğrenmemiz gerekiyor. Böyle bir teknik sorunun er ya da geç çözüleceğine şüphe yoktur.
Dünya'dan alçak Dünya yörüngesine kargo, geleneksel kimyasal yakıtlı roketlerle taşınıyor. Oradan yörünge römorkörleri, kargoyu Ay'a bağlı bir kabloyla güvenli bir şekilde sabitlenen "alt asansör platformuna" bırakıyor. Bir asansör Ay'a kargo taşıyor. Son aşamada ve Ay'dan çıkış sırasında frenleme ihtiyacının (ve roketlerin kendilerinin) olmaması nedeniyle, önemli maliyet tasarrufları mümkündür. Ancak makalede açıklanandan farklı olarak, bu konfigürasyon pratikte Zander'in fikrini tekrarlıyor ve bu aşama için roket teknolojisini koruyarak yükün Dünya'dan çıkarılması sorununu çözmüyor.
Uzay asansörü inşa etme yolundaki ikinci ve aynı zamanda ciddi görev, asansör için bir motor ve enerji beslemesi için bir sistem geliştirmektir. Sonuçta kabinin, tırmanışın sonuna kadar yakıt ikmali yapmadan 40.000 km tırmanması gerekiyor! Bunu nasıl başaracağımızı henüz kimse çözemedi.
Kararsız denge
Ancak sabit bir uyduya giden asansörün karşılaştığı en büyük, hatta aşılamaz zorluk, gök mekaniği yasalarıyla ilişkilidir. GSS, yalnızca yerçekimi ve merkezkaç kuvveti dengesi nedeniyle harika yörüngesindedir. Bu dengenin herhangi bir şekilde ihlali, uydunun yörüngesini değiştirmesine ve "durma noktasından" uzaklaşmasına neden olur. Dünyanın çekim alanındaki en küçük homojensizlikler bile, Güneş ve Ay'ın gelgit kuvvetleri ve güneş ışığının baskısı, sabit yörüngedeki uyduların sürekli sürüklenmesine yol açmaktadır. Asansör sisteminin ağırlığı altında uydunun sabit yörüngede kalamayacağı ve düşeceği konusunda en ufak bir şüphe yoktur. Bununla birlikte, ipi sabit yörüngenin çok ötesine genişletmenin ve uzak ucuna büyük bir karşı ağırlık yerleştirmenin mümkün olduğu yönünde bir yanılsama var. İlk bakışta, bağlı karşı ağırlığa etki eden merkezkaç kuvveti, kabloyu sıkacak ve böylece kabin boyunca hareket eden ilave yük, karşı ağırlığın konumunu değiştiremeyecek ve asansör çalışma konumunda kalacaktır. Esnek bir kablo yerine sert, bükülmeyen bir çubuk kullanılmış olsaydı bu doğru olurdu: o zaman Dünya'nın dönme enerjisi çubuk aracılığıyla kabine iletilecek ve hareketi yanal bir kuvvetin ortaya çıkmasına yol açmayacak bu durum kablonun gerilimi ile telafi edilmez. Ve bu kuvvet kaçınılmaz olarak Dünya'ya yakın asansörün dinamik dengesini bozacak ve çökecek!
Göksel Oyun Alanı
Neyse ki dünyalılar için doğanın bizim için harika bir çözümü var: Ay. Ay, hiçbir asansörün onu hareket ettiremeyeceği kadar büyük olmasının yanı sıra, neredeyse dairesel bir yörüngededir ve aynı zamanda bir tarafı daima Dünya'ya dönüktür! Fikir basitçe kendini gösteriyor: Bir asansörü Dünya ile Ay arasına germek, ancak asansör kablosunu yalnızca bir ucuyla, Ay'da sabitlemek. Kablonun ikinci ucu neredeyse Dünya'nın kendisine indirilebilir ve yerçekimi kuvveti onu Dünya ile Ay'ın kütle merkezlerini birbirine bağlayan hat boyunca bir ip gibi çekecektir. Serbest ucun Dünya yüzeyine ulaşmasına izin verilmemelidir. Gezegenimiz kendi ekseni etrafında dönüyor, bu nedenle kablonun ucu Dünya yüzeyine göre saniyede yaklaşık 400 m hıza sahip olacak, yani atmosferde ses hızından daha büyük bir hızda hareket edecek. Hiçbir yapı bu kadar hava direncine dayanamaz. Ancak asansör kabinini havanın oldukça seyrek olduğu 30-50 km yüksekliğe indirirseniz direnci ihmal edilebilir. Kabin hızı yaklaşık 0,4 km/s kalacak ve bu hıza modern yüksek irtifalı stratoplanlarla kolaylıkla ulaşılabilecek. Asansör kabinine uçarak ve ona yanaşarak (bu yerleştirme tekniği, hem uçuş sırasında yakıt ikmali için uçak yapımında hem de uzay aracında uzun süredir kullanılmaktadır), kargoyu stratoplanın yanından kabine veya arkaya taşıyabilirsiniz. . Bundan sonra asansör kabini Ay'a yükselişine başlayacak ve stratoplane Dünya'ya geri dönecek. Bu arada, Ay'dan gönderilen kargo, kabinden paraşütle kolayca atılabiliyor ve karada veya okyanusta güvenli ve sağlam bir şekilde alınabiliyor.
Çarpışmalardan kaçınma
Dünya ile Ay'ı birbirine bağlayan bir asansörün bir başka önemli sorunu çözmesi gerekiyor. Dünya'ya yakın alanda çok sayıda çalışan uzay aracı ve birkaç bin aktif olmayan uydu, bunların parçaları ve diğer uzay enkazları bulunmaktadır. Asansör ile bunlardan herhangi birinin çarpışması kablonun kopmasına neden olur. Bu sıkıntının yaşanmaması için kablonun 60.000 km uzunluğundaki “alt” kısmının kaldırılabilir hale getirilmesi ve orada ihtiyaç duyulmadığı zamanlarda Dünya uydularının hareket bölgesinden çıkarılması öneriliyor. Dünya'ya yakın uzaydaki cisimlerin konumlarının izlenmesi, bir asansör kabininin bu alandaki hareketinin ne zaman güvenli olacağı dönemlerini tahmin etme konusunda oldukça yeteneklidir.
Uzay asansörü için vinç
Ay'a giden uzay asansöründe ciddi bir sorun var. Geleneksel asansörlerin kabinleri saniyede birkaç metreden fazla olmayan bir hızda hareket eder ve bu hızda 100 km yüksekliğe (uzayın alt sınırına) çıkış bile bir günden fazla sürmelidir. Demiryolu trenlerinin maksimum hızı olan 200 km/saat ile hareket etseniz bile Ay'a yolculuk neredeyse üç ay sürecektir. Ay'a yılda yalnızca iki uçuş gerçekleştirebilecek bir asansörün talep görmesi pek mümkün değil.
Kabloyu bir süper iletken filmle kaplarsanız, manyetik bir yastık üzerinde kablo boyunca malzemesiyle temas etmeden hareket etmek mümkün olacaktır. Bu durumda yarıya kadar hızlanıp yarıya kadar kabini frenlemek mümkün olacaktır.
Basit bir hesaplama, 1 g'lik bir ivmeyle (Dünya'daki olağan yerçekimine eşdeğer) Ay'a olan yolculuğun tamamının yalnızca 3,5 saat süreceğini, yani kabinin her gün Ay'a üç uçuş yapabileceğini gösteriyor. . Bilim adamları, oda sıcaklığında çalışan süper iletkenlerin oluşturulması üzerinde aktif olarak çalışıyorlar ve öngörülebilir gelecekte bunların ortaya çıkması beklenebilir.
Çöpü atmak için
Yolculuğun yarısında kabin hızının 60 km/s'ye ulaşacağını belirtmek ilginçtir. Hızlanmanın ardından yük kabinden çıkarılırsa, bu kadar hızlı bir şekilde güneş sistemindeki herhangi bir noktaya, herhangi bir hatta en uzak gezegene yönlendirilebilir. Bu, Ay'a giden asansörün, Güneş Sistemi içerisinde Dünya'dan roketsiz uçuşlar sağlayabileceği anlamına geliyor.
Ve bir asansör kullanarak zararlı atıkların Dünya'dan Güneş'e atılması olasılığı tamamen egzotik olacaktır. Yerli yıldızımız öyle güçlü bir nükleer fırındır ki, radyoaktif bile olsa her türlü atık iz bırakmadan yanacaktır. Dolayısıyla Ay'a tam teşekküllü bir asansör, yalnızca insanlığın uzay genişlemesinin temeli olmakla kalmayıp, aynı zamanda gezegenimizi teknik ilerleme israfından temizlemenin de bir yolu olabilir.
Bir uzay asansörüne binmek muhtemelen bir sıcak hava balonunun uçuşunu anımsatacaktır; nozulların uğultusu olmadan, öfkeli bir alev bulutu olmadan. Dünya sorunsuz bir şekilde aşağı iniyor. Evler küçülüyor, yollar zar zor farkedilen şeritlere dönüşüyor ve nehirlerin gümüşi şeritleri inceliyor. Sonunda alt, boş dünya bulutların arasında gizlenir ve üst, aşkın dünya ortaya çıkar. Atmosfer geçti, camın arkasında kozmik bir karanlık var. Ve kabin, gezegenin mavi-yeşil arka planında görünmeyen ve dipsiz boşluğa giden bir kablo boyunca giderek daha yükseğe kayıyor.
Tsiolkovsky ayrıca yörüngeyi Dünya yüzeyine bağlayabilecek bir tasarımı da tanımladı. 1960'ların başında fikir Yuri Artsutanov tarafından geliştirildi ve Arthur Clarke bunu Cennetin Çeşmeleri romanında kullandı. "World of Fantasy" uzay asansörü temasına geri dönüyor ve onun nasıl çalışması gerektiğini ve bunun için neye ihtiyaç duyulduğunu hayal etmeye çalışıyor.
Sabit yörünge
Bir uydunun gözlemcinin başının üzerinde hareketsiz donması mümkün müdür? Dünya, dünyanın Ptolemaik sisteminde olduğu gibi hareketsiz olsaydı, cevap "hayır" olurdu; sonuçta, merkezkaç kuvveti olmasaydı uydu yörüngede kalmazdı. Ancak bildiğimiz gibi gözlemcinin kendisi hareketsiz değildir, gezegenle birlikte dönmektedir. Uydunun yörünge periyodu bir yıldız gününe eşitse (23 saat 56 dakika 4 saniye) ve yörüngesi ekvator düzlemindeyse, cihaz "durma noktası" adı verilen nokta üzerinde gezinecektir.
Uydunun sabit noktasına göre sabit olduğu yörüngeye sabit nokta denir. Ve uzay araştırmaları için son derece önemlidir. Çoğu iletişim uydusunun bulunduğu yerdir ve iletişim, alanın ticari kullanımının ana alanıdır. Ekvatorun üzerinde asılı bir tekrarlayıcı aracılığıyla yapılan iletimler, sabit "plakalar" üzerinden alınabilir.
Ayrıca sabit yörüngeye insanlı bir istasyon yerleştirme fikri de var. Ne için? Öncelikle iletişim uydularının bakım ve onarımı için. Uyduların birkaç yıl daha hizmet verebilmesi için genellikle yalnızca güneş panelleri ve antenlerin yönlendirilmesini sağlayan mikromotorlara yakıt ikmali yapılması yeterli oluyor. İnsanlı istasyon, sabit yörünge boyunca manevra yapabilecek, alçalabilecek (aynı zamanda açısal hızı "duran" uydularınkinden daha yüksek olacak), bakım gerektiren araca yetişebilecek ve tekrar yükselebilecek. Bu, düşük yörüngeli bir istasyonun seyrekleştirilmiş atmosferle sürtünmeyi yendiğinde tükettiği yakıttan daha fazlasını gerektirmeyecektir.
Görünüşe göre faydası çok büyük. Ancak bu kadar uzak bir karakolu tedarik etmek çok pahalı olurdu. Mürettebatın değiştirilmesi ve nakliye gemilerinin gönderilmesi, şu anda kullanılanlardan beş kat daha ağır fırlatma araçları gerektirecektir. Çok daha çekici bir fikir ise uzay asansörü inşa etmek için yüksek irtifalı bir istasyon kullanmaktır.
Kablolar
Sabit bir uydudan Dünya'ya doğru bir kablo fırlatılırsa ne olur? İlk olarak Coriolis kuvveti onu ileri taşıyacak. Sonuçta uyduyla aynı hızı alacak ancak daha düşük bir yörüngede olacak, bu da açısal hızının daha yüksek olacağı anlamına geliyor. Ancak bir süre sonra kablo ağırlık kazanacak ve dikey olarak sarkacaktır. Dönme yarıçapı azalacak ve merkezkaç kuvveti artık yer çekimi kuvvetini dengeleyemeyecek. İpi aşındırmaya devam ederseniz er ya da geç gezegenin yüzeyine ulaşacaktır.
Sistemin ağırlık merkezinin kaymasını önlemek için bir karşı ağırlığa ihtiyaç vardır. Bazı insanlar, balast olarak kullanılmış uyduların ve hatta küçük bir asteroitin kullanılmasını önermektedir. Ancak daha ilginç bir seçenek var - kabloyu Dünya'dan ters yönde aşındırmak. Aynı zamanda düzelecek ve gerilecektir. Ama artık kendi ağırlığı altında değil, merkezkaç kuvveti yüzünden.
İkinci kablo basit balasttan daha kullanışlı olacaktır. Kargonun sabit yörüngeye ucuz, roketsiz teslimi faydalıdır, ancak tek başına asansörün maliyetini karşılamaz. 36.000 kilometre yükseklikteki istasyon sadece aktarma noktası olacak. Ayrıca, enerji tüketimi olmadan, merkezkaç kuvveti ile hızlandırılan yükler ikinci kablo boyunca hareket edecektir. Dünya'dan 144.000 kilometre uzaklıkta hızları ikinci kozmik hızı aşacak. Asansör bir mancınığa dönüşerek gezegenin dönüş enerjisini kullanarak Ay, Venüs ve Mars'a mermiler gönderecek.
Sorun, olağanüstü uzunluğuna rağmen kendi ağırlığı altında kırılmaması gereken kablodur. Çelik halatla bu zaten 60 kilometrelik bir uzunlukta gerçekleşecektir (ve muhtemelen çok daha erken, çünkü dokuma sırasında kusurlar kaçınılmazdır). Halatın kalınlığı yükseklikle birlikte katlanarak artarsa kırılmayı önleyebilirsiniz - sonuçta, sonraki her bölüm kendi ağırlığına ve önceki tüm bölümlerin ağırlığına dayanmalıdır. Ancak düşünce deneyinin kesintiye uğraması gerekecek: üst uca yaklaştıkça kablo öyle bir kalınlığa ulaşacak ki, yer kabuğundaki demir rezervleri bunun için yeterli olmayacak.
Kurşun geçirmez yelek ve paraşüt hatlarının yapıldığı en güçlü polietilen "Dyneema" bile uygun değildir. Düşük yoğunluğa sahiptir, bir milimetrekare kesiti ile iki tonluk yüke dayanabilir ve yalnızca 2500 kilometre uzunlukta kendi ağırlığı altında kırılır. Ancak Dainima kablosunun yaklaşık 300.000 tonluk bir kütleye ve üst ucunun 10 metre kalınlığa sahip olması gerekiyor. Bu tür kargoları yörüngeye ulaştırmak neredeyse imkansızdır ve asansör yalnızca yukarıdan yapılabilir.
1991 yılında keşfedilen ve teorik olarak Kevlar'dan 30 kat daha güçlü olma kapasitesine sahip olan karbon nanotüpler umut veriyor (pratikte polietilen halat hala daha güçlü). Potansiyellerine dair iyimser tahminler doğrulanırsa, sabit kesiti 36.000 km uzunluğunda, 270 ton ağırlığında ve 10 ton taşıma kapasiteli bir bant üretmek mümkün olacak. Ve kötümser tahminler doğrulansa bile, Dünya'ya yakın 1 milimetre kalınlığında ve yörüngede 25 santimetre (karşı ağırlık dikkate alınmadan kütle 900 ton kütle) olan bir asansör artık bilim kurgu olmayacak.
Kaldırmak
Bir uzay asansörü için asansör oluşturmak önemsiz bir iştir. Kablo yapmak için yeni bir teknoloji geliştirmeniz yeterlidir. Bu kabloya tırmanıp kargoyu yörüngeye ulaştırabilecek bir mekanizma henüz icat edilmedi. Kabinin tambura sarılı bir halata bağlandığı "dünyevi" yöntem eleştiriye dayanmaz: yükün kütlesi, halatın kütlesine kıyasla ihmal edilebilir olacaktır. Asansörün kendi başına tırmanması gerekecek.
Görünüşe göre bunu uygulamak zor değil. Kablo silindirler arasında sıkıştırılır ve makine sürtünmeyle tutularak yukarıya doğru kayar. Ancak bu yalnızca bilim kurguda bir uzay asansörüdür; içinde kabinin hareket ettiği bir kule veya güçlü bir sütun. Gerçekte, zar zor görülebilen bir iplik Dünya yüzeyine en iyi ihtimalle ulaşacaktır: dar bir şerit. Silindirlerin destekle temas alanı ihmal edilebilir düzeyde olacaktır, bu da sürtünmenin büyük olamayacağı anlamına gelir.
Bir sınırlama daha var - mekanizma kabloya zarar vermemelidir. Ne yazık ki, nanokumaş yırtılmaya karşı inanılmaz derecede dayanıklı olsa da bu, kesilmesinin veya yıpranmasının zor olduğu anlamına gelmiyor. Kırık bir kabloyu değiştirmek çok zor olacaktır. Ve eğer yüksek bir irtifada patlarsa, merkezkaç kuvveti istasyonu uzaya taşıyacak ve tüm projeyi mahvedecek. Acil bir durumda sistemin ağırlık merkezini yörüngede tutabilmek için kablonun tüm uzunluğu boyunca küçük mayınların yerleştirilmesi gerekecek. Dallardan biri kırılırsa, hemen karşı dalın eşit bir kısmını da fırlatırlar.
Çözülmesi gereken başka birçok ilginç sorun var. Örneğin birbirine doğru hareket eden asansörlerin birbirinden ayrılması ve yolcuların “sıkışmış” kabinlerden kurtarılması.
En zor sorun asansöre güç sağlanmasıdır. Motor çok fazla enerji gerektirecektir. Mevcut ve geliştirilmekte olan pillerin kapasitesi yeterli değildir. Kimyasal yakıt ve oksitleyicinin temini, asansörü çok aşamalı bir tank ve motor sistemine dönüştürecektir. Bu harika tasarım, bu arada, pahalı bir kabloya ihtiyaç duymuyor - şu anda mevcut ve "güçlendirici roket" olarak adlandırılıyor.
En kolay yol, kablonun içine kontak kabloları oluşturmaktır. Ancak kablo, metal kabloların ağırlığına dayanamayacak, bu da nanotüplere elektrik akımını iletmenin "öğretilmesi" gerektiği anlamına geliyor. Güneş panelleri veya radyoizotop kaynağı şeklindeki otonom güç kaynağı oldukça zayıf: En iyimser tahmine göre bunların yükselişi onlarca yıl alacak. Daha iyi bir kütle/güç oranına sahip bir nükleer reaktörün kabininin yörüngeye oturması yıllar alacaktır. Ancak kendisi çok ağırdır ve yol boyunca iki veya üç yakıt ikmali gerektirecektir.
Belki de en iyi seçenek, asansörün alıcı cihazına ışın uygulayarak enerjiyi bir lazer veya mikrodalga tabancası kullanarak aktarmaktır. Ancak eksiklikleri de yok değil. Mevcut teknoloji seviyesinde alınan enerjinin ancak çok küçük bir kısmı elektriğe dönüştürülebilmektedir. Gerisi ısıya dönüşecek ve havasız bir alanda çıkarılması çok problemli olacaktır.
Kablo hasar görürse tamircilerin hasarlı bölgeye ulaşması zor olacaktır. Ve eğer kırılırsa, çok geç demektir (Halo 3: ODST oyunundan bir kare)
Radyasyon koruması
Hafif yolculuk yapmak isteyenlere kötü haber: Asansör, Dünya'nın radyasyon kuşaklarından geçecek. Gezegenin manyetik alanı, güneş rüzgarı parçacıklarını (protonlar ve elektronlar) yakalar ve tehlikeli radyasyonun yüzeye ulaşmasını engeller. Sonuç olarak, Dünya ekvator düzleminde, içinde yüklü parçacıkların yoğunlaştığı iki devasa tori ile çevrilidir. Uzay araçları bile bu alanlardan kaçınmaya çalışıyor.
Birinci kuşak olan proton tuzağı 500-1300 kilometre yükseklikte başlıyor ve 7000 kilometre yükseklikte bitiyor. Arkasında yaklaşık 13.000 kilometre yüksekliğe kadar nispeten güvenli bir alan var. Ancak daha da ilerisinde, 13 ila 20 bin kilometre arasında, yüksek enerjili elektronların dış radyasyon kuşağı uzanıyor.
Yörünge istasyonları radyasyon kuşaklarının altında döner. İnsanlı uzay aracı onları yalnızca ay seferleri sırasında geçti ve üzerinde yalnızca birkaç saat harcadı. Ancak asansörün her bir kemerin üstesinden gelmesi yaklaşık bir güne ihtiyaç duyacaktır. Bu, kabinin ciddi bir anti-radyasyon korumasıyla donatılması gerektiği anlamına gelir.
Bağlama kulesi
Bir uzay asansörünün tabanı genellikle Ekvador'da, Gabon ormanlarında veya Okyanusya'da bir atolde bulunan yer üstü yapılardan oluşan bir kompleks olarak hayal edilir. Ancak en bariz çözüm her zaman en iyisi değildir. Yörüngeden serbest bırakıldığında ip bir geminin güvertesine veya devasa bir kulenin tepesine sabitlenebilir. Deniz gemisi kasırgalardan kaçacak ve kasırgalar önemli ölçüde rüzgâra sahip olan asansörü kırmazsa, daha sonra asansörleri ondan atabilecektir.
12-15 kilometre yüksekliğindeki bir kule, kabloyu atmosferin şiddetinden koruyacak, aynı zamanda uzunluğunu da bir miktar kısaltacak. İlk bakışta fayda önemsiz görünüyor, ancak kablonun kütlesi katlanarak uzunluğuna bağlıysa, küçük bir kazanç bile gözle görülür tasarruflar sağlayacaktır. Ayrıca bağlama kulesi, ipliğin en ince ve en hassas kısmını ortadan kaldırarak sistemin taşıma kapasitesinin yaklaşık iki katına çıkarılmasını mümkün kılar.
Ancak bu kadar yüksek bir binayı ancak bilim kurgu romanlarının sayfalarında dikmek mümkündür. Teorik olarak böyle bir kule elmas sertliğinde bir malzemeden yapılabilir. Uygulamada hiçbir temel ağırlığını desteklemez.
Yine de kilometrelerce yüksekliğe palamar kulesi inşa etmek mümkün. Sadece yapı malzemesi beton değil gaz olmalıdır: helyum dolu balonlar. Böyle bir kule, alt kısmı atmosfere batırılmış olan ve Arşimet kuvveti nedeniyle zaten neredeyse havasız bir alanda bulunan üst kısmı destekleyen bir "şamandıra" olacaktır. Bu yapı aşağıdan, ayrı ayrı, küçük boyutlu ve tamamen değiştirilebilir bloklardan oluşturulabilir. “Şişme kulenin” 100 hatta 160 kilometre yüksekliğe ulaşmasının önünde hiçbir temel engel bulunmuyor.
Uzay asansörü olmasa bile "yüzen kule" mantıklıdır. Bir enerji santrali gibi - eğer dış kabuk güneş panelleriyle kaplıysa. Yarıçapı bir buçuk bin kilometre olan bir alana hizmet veren tekrarlayıcı gibi. Son olarak, atmosferin üst katmanlarını incelemek için bir gözlemevi ve üs olarak.
Yüzlerce kilometrelik bir yüksekliği hedeflemiyorsanız, yanaşma istasyonu olarak 40 kilometre yüksekliğe “demirlenmiş” halka şeklindeki bir balonu kullanabilirsiniz. Dev bir zeplin (veya üst üste yerleştirilmiş birkaç hava gemisi), son onlarca kilometrede ağırlığını alarak asansör kablosunu boşaltacaktır.
Ancak en önemli avantajlar, ekvator üzerinde 360 km/saat hızla uçan yüksek irtifalı bir zeplin şeklindeki hareketli bir platformdan gelecektir (bu, motor güneş panelleri ve bir nükleer reaktörle çalıştırıldığında oldukça elde edilebilir). . Bu durumda uydunun bir noktanın üzerinde durmasına gerek yoktur. Yörüngesi, sabit olanın 7.000 kilometre altına yerleştirilecek ve bu da kablo uzunluğunu% 20 ve kütleyi 2,5 kat azaltacak ("demirleme kulesi" kullanımının faydaları dikkate alınarak). Kargonun zeplin kendisine teslim edilmesi sorununu çözmeye devam ediyor.
Yerçekimi mancınığı
Uzay asansörü en iddialı projedir ancak uzay aracını fırlatmak için ipleri kullanan tek proje değildir. Mevcut teknoloji seviyesinde başka planlar da hayata geçirilebilir.
Örneğin, bir kabloyla bağlanan bir yük, yörüngede asılı duran mekiğin Dünya'dan uzağa "yukarı" itilmesi durumunda ne olacak? Momentumun korunumu yasasına göre geminin kendisi daha düşük bir yörüngeye kayacaktır. Ve düşmeye başlayacak. Çözme halatını da beraberinde sürükleyen yük, önce Coriolis kuvveti tarafından geriye doğru saptırılacak, ardından "yukarı" fırlayacaktır. Aslında, dönme yarıçapının artmasıyla yerçekimi zayıflayacak ve merkezkaç kuvveti artacaktır. Sistem eski bir fırlatma makinesi olan mancınık gibi çalışacak. Mekik, taşlarla dolu bir kafes görevi üstlenecek, kablo bir askıya dönüşecek ve eksen, geminin ilk yörüngesinde ağırlıksız durumda olan sistemin genel kütle merkezi olacak. Eksene göre sallanan kablo dikey yönde düzleşecek, gerilecek ve yükü dışarı atacaktır.
Yerçekimi mancınık ile uzay asansörü arasındaki fark, asansördeki "kafes" rolünün, "Dünya mermisinin" kütle merkezine göre ayırt edilemeyecek kadar küçük bir yüksekliğe "düşerek" gezegenin kendisi tarafından oynanmasıdır. sistem. Bu durumda mekiğin kinetik enerjisi harcanacaktır. Gemi, momentumunun bir kısmını kargoya (örneğin, otomatik bir gezegenlerarası istasyon) aktaracak, hızını ve irtifasını kaybedecek ve atmosferin yoğun katmanlarına girecek. Bu da iyidir, çünkü genellikle mekiğin yörüngeden çıkması için motorları tarafından yakıt yakılarak yavaşlatılması gerekir.
Mekik, kablo mancınık yardımıyla Mars veya Venüs'e geleneksel yollara göre 2-3 kat daha fazla kargo gönderebilecek. Ancak bu yine de mekik sisteminin verimlilik açısından geleneksel bir fırlatma aracıyla rekabet etmesine izin vermeyecek. Sonuçta, bir "mancınık" fırlatması için yalnızca faydalı yükü değil, aynı zamanda "karşı ağırlığa" sahip devasa bir kabloyu da yörüngeye fırlatmak gerekecek. Başka bir şey de, mancınık için karşı ağırlığın doğrudan yörüngede bulunabilmesidir - örneğin, görevini tamamlayan bir nakliye gemisi işe yarayacaktır. Ayrıca gezegenimizin etrafında dönen ve yakın gelecekte toplanması gerekecek bir "uzay enkazı" kütlesi var.
* * *
Bir uzay asansörünün yapımıyla ilgili sorunlar çözülmekten çok uzaktır. Roketlere ve mekiklere uygun maliyetli bir alternatif yakın zamanda ortaya çıkmayacak. Ancak şu anda "boşluğa giden merdiven" bilimin üzerinde çalıştığı en fantastik ve büyük ölçekli projedir. Uzunluğu gezegenin çapının 10 katı olan yapının etkisiz hale gelmesi halinde bile insanlık tarihinde yeni bir aşamanın başlangıcı olacak. Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky'nin bir asırdan fazla bir süre önce bahsettiği "beşikten çıkış" ile aynı.
İnsanlık yavaş da olsa hala uzayda ustalaştığından, gerekli şeylerin yörüngeye yerleştirilmesi sorunu ortaya çıktı. Roketler uygun değildir; çalıştırılamayacak kadar pahalıdırlar ve çevreye zarar verirler. Diğer bir olasılık ise uzayı Dünya'ya bağlayacak bir uzay asansörü inşa etmektir.
Bu yapının yüksekliği 35.400 km olacak. Bunun, bir ucunun gezegenin yüzeyine, diğer ucunun sabit yörüngenin üzerinde sabit bir noktaya sabitlenmiş ağır hizmet tipi bir kablo olacağı varsayılmaktadır. Yük taşıyan bir asansör kablo boyunca yükseliyor. Yükselirken, gezegenin dönmesi nedeniyle yük hızlanacak ve bu da onun yeterince yüksek bir irtifada Dünya'nın yerçekiminin ötesine gönderilmesine olanak tanıyacak.
Mantıklı görünüyor. Doğru, bu yöntemi son derece kullanışsız kılan birkaç zorluk var:
1. Kabloyu taşıyacak kadar sağlam malzeme yok
Kablo üzerindeki yük 100.000 kg/m'yi aşabilir, dolayısıyla üretimi için kullanılan malzemenin esnemeye karşı son derece yüksek bir dayanıklılığa ve aynı zamanda çok düşük yoğunluğa sahip olması gerekir. Böyle bir malzeme olmasa da, artık gezegendeki en dayanıklı ve elastik malzemeler olarak kabul edilen karbon nanotüpler bile uygun değil.
Ne yazık ki, bunları üretme teknolojisi henüz geliştirilmeye başlıyor. Şimdiye kadar çok küçük malzeme parçaları elde etmek mümkün oldu: oluşturulan en uzun nanotüp birkaç santimetre uzunluğunda ve birkaç nanometre genişliğinde. Bundan yeterince uzun bir kablo yapmanın mümkün olup olmayacağı hala bilinmiyor.
2. Tehlikeli titreşimlere duyarlılık
Kablo, öngörülemeyen güneş rüzgarı rüzgarlarına karşı duyarlı olacaktır - etkisi altında bükülecek ve bu, asansörün stabilitesini olumsuz yönde etkileyecektir. Mikromotorlar stabilizatör olarak kabloya takılabilir ancak bu önlem yapının bakımı açısından ek zorluklar yaratacaktır. Ayrıca bu durum "tırmanıcı" olarak adlandırılan özel kabinlerin kablo boyunca hareket etmesini zorlaştıracaktır. Kablo büyük olasılıkla onlarla rezonansa girecektir.
3. Coriolis kuvveti
Kablo ve “tırmanıcılar” Dünya yüzeyine göre hareketsizdir. Ancak cisim dünyanın merkezine göre yüzeyde 1.700 km/saat, yörüngede ise 10.000 km/saat hızla hareket edecektir. Buna göre, fırlatma sırasında “tırmanıcılara” bu hızın verilmesi gerekiyor. "Tırmanıcı" kabloya dik yönde hızlanır ve bu nedenle kablo bir sarkaç gibi sallanır. Aynı zamanda kablomuzu Dünya'dan koparmaya çalışan bir kuvvet ortaya çıkıyor. Kuvvet, kablonun sapması ile ters orantılıdır ve yükün kaldırma hızı ve kütlesi ile doğru orantılıdır. Böylece Coriolis kuvveti, yüklerin sabit yörüngeye hızla kaldırılmasını engeller.
Coriolis kuvvetiyle, Dünya'dan ve yörüngeden iki "tırmanıcıyı" aynı anda fırlatarak mücadele edilebilir, ancak daha sonra iki yük arasındaki kuvvet kabloyu daha da gerecektir. Bir seçenek olarak - tırtıl pistlerinde acı verici derecede yavaş bir tırmanış.
4. Uydular ve uzay enkazları
Geçtiğimiz 50 yıl boyunca insanlık, uzaya pek çok nesne fırlattı - yararlı ve o kadar da yararlı değil. Ya asansör imalatçıları tüm bunları bulup kaldırmak zorunda kalacak (faydalı uyduların veya yörünge teleskoplarının sayısı göz önüne alındığında bu imkansız) ya da nesneyi çarpışmalardan koruyan bir sistem sağlayacak. Kablo teorik olarak hareketsizdir, bu nedenle Dünya çevresinde dönen herhangi bir cisim er ya da geç onunla çarpışacaktır. Ayrıca çarpışma hızı bu gövdenin dönüş hızına hemen hemen eşit olacağından kabloya büyük zarar verilecektir. Kablo manevra yapılamaz ve uzun olduğundan çarpışmalar sıklaşacaktır.
Bununla nasıl başa çıkılacağı henüz belli değil. Bilim insanları çöpleri yakacak yörüngesel bir uzay lazeri yapmaktan bahsediyor ancak bu tamamen bilim kurgu dünyasının dışında.
5. Sosyal ve çevresel riskler
Uzay asansörü bir terörist saldırısının hedefi haline gelebilir. Başarılı bir yıkım operasyonu çok büyük hasara neden olabilir ve hatta tüm projeyi gömebilir, bu nedenle asansörle aynı zamanda onun etrafında 24 saat boyunca bir savunma inşa etmeniz gerekecektir.
Çevreciler, kablonun çelişkili bir şekilde dünyanın eksenini değiştirebileceğine inanıyor. Kablo yörüngeye sıkı bir şekilde sabitlenecek ve üstteki herhangi bir hareket Dünya'ya yansıyacak. Bu arada, aniden kırılırsa ne olacağını hayal edebiliyor musun?
Dolayısıyla böyle bir projenin Dünya üzerinde hayata geçirilmesi oldukça zordur. Şimdi iyi haber: Ay'da çalışacak. Uydudaki çekim kuvveti çok daha azdır ve neredeyse hiç atmosfer yoktur. Dünyanın yerçekimi alanında bir çapa oluşturulabilir ve Ay'dan gelen bir kablo Lagrange noktasından geçecektir - böylece gezegen ile doğal uydusu arasında bir iletişim kanalı elde etmiş oluruz. Uygun koşullar altında böyle bir kablo, günde yaklaşık 1000 ton kargoyu dünya yörüngesine taşıyabilecek. Elbette malzemenin süper güçlü olması gerekecek, ancak temelde yeni bir şey icat etmenize gerek kalmayacak. Doğru, Gomanov yörüngesi adı verilen etki nedeniyle "ay" asansörünün uzunluğunun yaklaşık 190.000 km olması gerekecek.
Robot kediler, av drone'ları, konuşan çöp kutuları: Şehirleri değiştiren 10 alet ve icat
2014'ün en iyi 25 icadı Bu İnanılmaz Eldivenlerle Duvarlara Tırmanabilirsiniz Sovyet “Setun” dünyada üçlü koda dayalı tek bilgisayardır Belçikalı tasarımcılar yenilebilir sofra takımları geliştirdiler Dondurulmuş dışkı tabletleri mide enfeksiyonunu tedavi edebilir Yeni pil iki dakikada %70'e şarj oluyor Amsterdam havaalanındaki her pisuarda bir sineğin kopyası var. 16 yaşındaki bir kız öğrenci, yalnızca vücut ısısıyla çalışan bir el feneri yarattı.
Fizikçilerin ve bilim kurgu yazarlarının yardımıyla uzay asansörü fikri, astronotik meraklılarının zihninde sağlam bir yer edindi. İnsanları ve kargoyu doğrudan yörüngeye taşıyan devasa altyapılar olmadan hayal edilebilecek çok az gelecek var. Peki gerçek gelecekte bir uzay asansörü oluşturulacak mı? Ne kadar üzücü olsa da bu konuda ciddi şüpheler var.
100 g'dan daha hafif mikro, nano ve hatta femtosatellitlerin geliştirilmesine yönelik modern moda, yalnızca elektroniklerin minyatürleştirilmesiyle değil, aynı zamanda tamamen ekonomik nedenlerle de ilişkilidir. Uzay teknolojisinin on yıllardır süren gelişimi boyunca, kargoyu alçak Dünya yörüngesine fırlatmanın maliyeti büyük ölçüde düşmüş olmasına rağmen, uzay görevlerinin maliyetinin önemli bir kısmı hala sahaya teslimatından kaynaklanmaktadır. Bu faktör, tüm uzay programını ciddi şekilde yavaşlatıyor, onu yalnızca finansal açıdan güvenli kuruluşların alanına dönüştürüyor ve geliştirici ve araştırmacı kitlesinin önünü kapatıyor.
Her roket ve her üst aşama, aylarca, hatta yıllarca üretim gerektiren tek parça bir üründür ve üstelik tek kullanımlıktır: maksimum on dakika çalıştıktan sonra ölürler. Hem Amerikan şirketi SpaceX'in hem de Rus mühendislerin, fırlatma sistemlerinin en güçlü ve pahalı bileşenleri olan en azından yeniden kullanılabilir ilk aşamaları yaratma seçeneklerini araştırmak için yoğun bir şekilde çalışmaları boşuna değil. Böyle bir proje, adını taşıyan Devlet Araştırma ve Üretim Uzay Merkezi'nde geliştirildi. Khrunichev'in "Baykal-Angara" veya SpaceX Grasshopper projesi, Falcon roket ailesi için "ayaklara" inişin ilk aşamasıdır.
Ancak tüm bunlar önlemlerin yalnızca yarısıdır: Uzay uçuşlarının maliyetini büyük ölçüde azaltmak gerekir ve bunun için eskileri değiştirmek değil, bunları çözmek daha uygundur. Ve onların ilki elbette bir uzay asansörü olacak; bu, basit olduğu kadar umut verici bir fikir.
Sorunsuz alan asansörü konsepti
Sıradan bir ip alın ve onu hızla kendi etrafınızda döndürün; kısacası, uzay asansörünün tüm konsepti budur. Alçak Dünya yörüngesine giren, Dünya'ya bağlı yeterince uzun ve güçlü bir kablo, merkezkaç kuvveti nedeniyle sanki kendi başınaymış gibi dikey olarak asılı kalacaktır. Geriye kalan tek şey üzerine bir kaldırma platformu monte etmektir - ve uzaya gidebilirsiniz. Ne yazık ki gerçekte basit bir fikrin uygulanması o kadar basit olmaktan uzaktır.
Belki de en ünlü ve aktif olarak gelişen uzay asansörü projesi Amerikalılar tarafından uygulanıyor. LiftPort'u başlatma. Zaten adından da anlaşılacağı üzere geliştiricilerin asıl amacı sadece “uzay” asansörü değil, Dünya-Ay hattı boyunca kesintisiz iletişim kurmayı mümkün kılan “ay” asansörüdür.
Şirketin uzmanlarının hesaplamalarına göre, uzay asansörünün ana altyapısının, sisteme gerekli dinamizmi sağlayacak yüzer bir açık deniz platformuna bağlanması gerekiyor. Buradan yükselen kablo yaklaşık 100 bin km yüksekliğe ulaşacak. Yaklaşık 35,5 bin km yüksekliğinde "sadece" daha kısa bir kabloyla geçebilirsiniz - asıl mesele, dikey konumda kalmasına izin verecek sabit yörüngeye ulaşmasıdır.
En güçlü çelik bile bu tür yüklere dayanamaz ve uzay asansörü kablosunun kendi ağırlığı altında kırılmasını önlemek için, düşük ağırlığı ve inanılmaz mukavemeti ile öne çıkan karbon nanotüplerden yapılması önerilmiştir. Ancak birkaç santimetre uzunluğundaki nanotüplerin üretimi bile çözülmemiş bir teknolojik sorun olmaya devam ediyor. Kilometre hakkında ne söyleyebiliriz?
Sorun çözülse bile grafen işe yaramayabilir.
Önerilen uzay asansörü tasarımı
Temel. Hareketli olan, kablo desteğini tehdit eden doğal afetlerden kaçınmanıza olanak sağlayacaktır. Asansöre ucuz enerji sağlanması açısından sabit daha uygundur.
Kablo. En azından kendi ağırlığını, ilgili altyapının ağırlığını ve merkezkaç kuvvetini destekleyebilmelidir. Hesaplamalara göre kalınlığı yükseklikle birlikte hızla artarak sabit bir seviyeye ulaşmalıdır.
Karşı ağırlık. Bu büyük ölçekli bir “terminal istasyonu” veya bir kabloya bağlı bir asteroit olabilir. Ancak eğer ip sabit yörüngenin ötesine geçerse, kendi ağırlığı altında tutulacak ve uçtan itibaren uzun mesafeli uzay sondalarının uçuşa fırlatılması mümkün olacak.
Birinci problem - uzay asansörü için malzeme
Gerçekten de karbon nanotüpler bugün insanlığın bildiği belki de mekanik açıdan en güçlü malzemedir. Tek boyutlu, sarmal bir kristal kafeste karbon atomları arasındaki sayısız sp2 bağının gücü inanılmaz derecede güçlüdür. Ancak bu yeterli değil: Ünlü uzman ve gelecek bilimci Howard Keith Henson'a göre, en iyimser hesaplamalarda bile böyle bir kablonun gücü gerekli değerin yalnızca üçte ikisi kadar olacaktır.
Henson, nanotüplerle ilgili zorluğun teknolojiden çok yapılarında yattığına inanıyor. Sadece uzun nanotüplerin değil, aynı zamanda değerli taşlardan daha kötü olmayan "saflıkta" ideal nanotüplerin de nasıl üretileceğini öğrenmek gerekir. Aksi takdirde, grafendeki altı karbon atomunu birbirine bağlayan sp2 bağları kararlı konfigürasyonlarını kaybedecek ve kusurlu yerlerde 5 veya 7 atomu kaplamaya başlayacak ve bu da gücü keskin bir şekilde azaltacaktır.
Mühendis bunu kadın çoraplarındaki kancalara benzetiyor: Tek bir ihlal tüm yapının "sürünmesine" yol açabilir. Ve santimetre boyutunda, hatasız kristallerin üretimi hala çözülmemiş bir sorun olarak kalsa bile, bu, kilometrelerce nanotüplerle ilgili olarak çözülecek mi? Keith Henson, eğer öyleyse, öngörülebilir gelecekte olmayacak diyor. Bir uzay asansörü kablosunun 100 MN/(kg/m) basınca dayanması gerekiyor ve karbon nanotüpler bu seviyeye ulaşsa bile tek bir kusur bile içermemeli, aksi halde biz onu uzaya sürmeyi denemeden kablo parçalanacaktır. .
Bazı tahminlere göre uzay asansörü kablosunun 130 GPa'dan fazla bir dayanıklılığa sahip olması gerekiyor. Karşılaştırma için Kevlar, en güçlü çelik türü olan 4 GPa seviyesine ulaşır - yalnızca 5 GPa. Teorik olarak, karbon nanotüpler gerekli güce sahip olabilir (300 GPa'ya kadar), ancak pratikte yalnızca yaklaşık 50 GPa'ya (ve bir deneyde 99 GPa'ya) ulaşıldı. Aynı zamanda, uzun nanotüplerin yapımı ve hatta bunlardan kabloların dokunması için kullanılan teknolojiler henüz emekleme aşamasındadır.
Hatta uzay asansörlerinin en büyük meraklılarından biri olan ve bu konuyla ilgili birçok projeye liderlik eden fizikçi David Appell bile bir keresinde şunu itiraf etmişti: "Bir gün nanotüplerden 100 bin km uzunluğunda bir yapı yaratmanın mümkün olacağından emin olabilir miyiz?" ? Ne yazık ki bu soruya henüz kimse cevap veremiyor."
İkinci sorun: tereddüt
Diyelim ki bir atılım yaptık ve gerekli uzunlukta karbon nanotüpler yarattık, hatasız bir yapıya kavuştuk, bunları asansör kablosu haline getirdik ve hatta onu gereken yüksekliğe çıkardık. Sıradaki ne? Ve sonra milyonlarca tehlikeli detayıyla rutin hayat. Sonuçta, böyle bir yapı, kaçınılmaz olarak, çoğu karmaşık yapının tamamını yok etme tehdidinde bulunan çok çeşitli etkilerle karşılaşacaktır.
Bu tür hesaplamalar Çek astrofizikçi Lubos Perek tarafından yapıldı ve birkaç faktörün (Dünya ve Ay'dan gelen yerçekimi kuvvetlerinin oyunu, güneş rüzgarı parçacıklarının basıncı vb.) birleşiminin ortaya çıktığını gösterdi. - uzay asansörü kablosu üzerinde öngörülemeyen bir etkiye sahip olabilir. Perec, bu kuvvetlerin oyununun devasa yapısının tamamını sallayabileceğini, titreşebileceğini ve bükülebileceğini keşfetti.
Kablonun kritik bölümlerine, akıllı bir bilgisayar sistemi tarafından kontrol edilen ve öngörülemeyen çevresel etkileri telafi edecek özel motorlar yerleştirmek bir çözüm olabilir. Ancak "kavramın saflığı" zaten ihlal edilecek ve bununla birlikte uzay asansörünün birçok avantajı da sorgulanmaya başlayacak. Motorlar yakıt, düzenli bakım, onarım ve hatta değiştirme gerektirir. Sadece kablo boyunca hareket etmeyi zorlaştırmayacaklar, aynı zamanda görünüşe göre asansörün işletme maliyetini de önemli ölçüde artıracaklar.
Ancak bu sadece küçük bir şey çünkü herhangi bir gerilmiş ip gibi, bir uzay asansörünün kablosunun da kendi rezonans iç titreşim frekansı olacaktır. Tüm okul fizik öğretmenlerinin geleneksel olarak rezonansla ilgili bir derste anlattığı hikayeyi hatırlıyor musunuz - bir köprüden geçen bir müfrezenin nasıl kazara onun rezonans frekansına "çarptığını" ve tüm köprüyü yok ettiğini? Aynı şey uzay asansörünü de tehdit ediyor.
Bu tehdidi ortadan kaldırmak için kablonun bazı bölümlerine tehlikeli titreşimleri sönümleyen ünitelerin yerleştirilmesi gerekecektir.
Ve bu yine tasarımın ek bir komplikasyonu, yeni mühendislik sorunları ve finansal maliyetler... Ve eğer her şey bununla sınırlı olsaydı: aslında kablonun çok daha fazla sorunu olacak.
Kablonun boyutunu azaltmak, aşırı kalınlaşmasından ve atmosferin alt katmanlarının tehlikelerinden kurtulmak için asansörün tabanı 100 km'ye kadar yüksek bir kulenin üzerine yerleştirilebilir. Ağustos 2015'te Kanadalı Thoth Technology Inc. hatta benzer bir projenin patentini bile aldı
Kanadalıların inşa etmeyi planladığı ThothX Kulesi, "sadece" 20 km gibi orta bir yüksekliğe ulaşacak ve tabanı ile tepesi arasındaki basınç farkından kaynaklanan rüzgar enerjisiyle çalıştırılabilecek. Mühendislerin hesaplamalarına göre, roketler için fırlatma rampası olarak da kullanılabiliyor ve bu da geleneksel uzay fırlatma maliyetlerinde önemli bir azalma sağlıyor. Kulenin tek bir sorunu var: Proje teknolojik olarak mümkün değil.
Üçüncü sorun: uzay asansörü yolcuları
Yüklü bir uzay asansörünün bir kablo boyunca hareket etmesi nedeniyle özel zorluklar yaratılabilir. Dönen Dünya üzerinde dönme eksenine belli bir açıyla hareket eden herhangi bir şey gibi, yük de Coriolis kuvvetinden etkilenecektir. Asansör yükseldikçe Dünya'nın dönüş yönünün tersi yönde sapacaktır. Bu etki fizikçiler tarafından da zaten hesaplanmıştır.
Bu çalışmayı gerçekleştiren Kanadalı bilim adamı Arun Misra'ya göre bu etki, asansörün ters çevrilmiş dengesiz bir sarkaç gibi sallanmasına neden olacak. Sonuç olarak, insanların ve kargonun varacağı yörüngedeki “varış noktası” tam olarak gittikleri yer olmayabilir. Araçların yörüngeye fırlatılması açısından bu kesinlikle kabul edilemez.
Dahası, kablo boyunca yayılan titreşimler, "kabin" in dengesiz hareketine yol açacak, bu da bazı bölgelerde yavaşlayacak ve diğerlerinde dalgalar tarafından "sürülerek" hızlanacaktır. Elbette bu etkiyi telafi etmek için bir takım mekanizmalar önerilebilir. Örneğin, Arun Misra'nın birkaç hafta süreceğini tahmin ettiği son derece yavaş, dikkatli ve kontrollü bir tırmanış yardımcı olabilir.
Diğer bir seçenek ise birçok kabinin hareketini aynı anda son derece hassas bir şekilde koordine etmektir; bu, birbirlerinin kablo üzerindeki etkisini karşılıklı olarak telafi edecektir. Ancak bu yine tüm altyapının karmaşıklığını ve maliyetini artırıyor. Görünüşe göre uzay asansörü fikri artık o kadar çekici görünmüyor mu? Ama durun: henüz işimiz bitmedi.
Dördüncü sorun: uzay enkazı
Kısa bir süre önce Uluslararası Uzay İstasyonu'nun yörüngesi, başka bir uzay enkazı parçasıyla çarpışmayı önlemek için bir kez daha ayarlandı. Bu, kiklopik asansör tasarımında işe yaramayacak: onu hareket ettirmek neredeyse imkansız olacak. Bu arada, alçak Dünya yörüngesinden geçip sabit yörüngeye ulaştığında, düzinelerce çalışan uydunun ve zaten arızalı olan binlerce parçanın, roket aşamalarının ve üst aşamaların "saldırısına maruz kalacak". Meteorlarla karşılaşma tehlikesini unutmayalım!
Bundan hiçbir şekilde kaçınılması pek olası değildir ve herhangi bir uzay asansörü başlangıçta düzenli ve tehlikeli çarpışmalara göre tasarlanmalıdır. Bunun nasıl başarılacağı da hala belirsiz: Uzay enkazının parçaları o kadar büyük olmayabilir ama muazzam hızlarda hareket ediyorlar, şairin deyimiyle "bir kum tanesi kurşunun gücüne sahip oluyor." Bize zaten tanıdık gelen Howard Keith Henson, bu tür darbelerin enerjisinin kolayca kablonun birkaç metresini buharlaştırma tehdidi oluşturacak bir seviyeye ulaştığını hesapladı.
Yörüngeleri asansör kablosuyla kesişme tehlikesi taşıyan tüm uzay araçlarının aktif kaçınma sistemleriyle donatılması o kadar da zor değil. Peki ya halihazırda çalışan uydular ne olacak? Peki ya uzay enkazı? Mevcut tahminlere göre yörüngedeki miktarı birkaç bin tonu buluyor. Süper asansörümüz için mega kabloyu yerleştirmeye başlamadan önce alanın temizlenmesi gerekecek.
Koruma seçeneklerinden biri olarak asansörün kritik bölgelerine “uçaksavar savunması” şeklinde çalışan ve çarpışmayı tehdit eden enkazları yok eden güçlü lazer sistemlerinin kurulması öneriliyor. Ama bu doğru! - harika projemizin yeni bir komplikasyonu ve maliyetinin artması anlamına geliyor.
Beşinci ve altıncı sorunlar: uzay asansörünün aşınması, yıpranması ve radyasyon
Uzay asansörünün dört temel sorunu sizin için yeterli değilse birkaç taneden daha bahsedelim. Çok önemli değiller ama aynı zamanda dikkat gerektiriyorlar ve çözümler de zorunludur.
Aşınma ve korozyon. Atmosferdeki sert faktörlerin ve agresif uzay ortamının etkisiyle hem asansör kablosu hem de parçaları kaçınılmaz olarak bozulacaktır. Malzemelerin restorasyonu, tüm yapının düzenli onarımı ve bakımı için seçenekler sunmak gerekir.
Radyasyon. Uzay asansörünün yolu sadece atmosferde değil, onun çok ötesinde de gerçekleşecek. Aynı zamanda, Dünya'nın radyasyon kuşaklarını (Batı literatüründe Van Allen kuşakları olarak adlandırılır) - gezegenin manyetosferi tarafından yakalanan çok sayıda yüklü ve yüksek enerjili parçacığın, özellikle proton ve elektronların tutulduğu alanları da kaçırmayacak. İç radyasyon kuşağı yaklaşık 4 bin km yükseklikte, dış kuşak ise 17 bin km yükseklikte bulunuyor ve insanların bu alanlardan geçmesi çok ciddi tehlikelerle dolu. Bu nedenle uzay asansörü yolcuları için radyasyondan korunma önlemlerinin sağlanması gerekmektedir.
Ama hepsi bu değil. Asansör kabinine yüksek enerjili parçacıkların akışını engelleyen güçlü ekranlar taksak bile, hiç teknolojik olmayan farklı sorunlarla karşı karşıya kalacağız.
Yedinci sorun: toplum
Diyelim ki, uluslararası işbirliği ve insanlığın en iyi beyinleri dile getirilen tüm zorlukları çözecek ve uzay asansörü sert yerçekimini ayaklar altına alarak gururla Dünya'nın üzerine yükselecek. Devasa yapı elbette bilim odaklı Batı medeniyetinin ilerlemesinin, başarısının ve refahının en önemli sembollerinden biri haline gelecektir. Bu, tüm rakipleri için çekici bir nesneye dönüşeceği anlamına geliyor.
Uzay asansörünün terör saldırıları sonucu yok edilmesi, hem ölçek hem de etki açısından 11 Eylül 2001'de New York'ta ve sonrasında yaşananları gölgede bırakacak bir olay olabilir. Bu devin ölümü, hem maddi hem de gerçek anlamda ciddi bir darbe olacaktır: Onbinlerce kilometre uzunluğundaki bir kablonun ve üzerine tüm unsurları monte edilmiş tonlarca kütlenin kontrolsüz bir şekilde düştüğünü hayal edin... Asansörün karadan ve havadan gelebilecek tüm olası saldırılara karşı tamamen korunması gerektiği şaşırtıcı değildir.
Bu arada, uzay asansörünün yer altyapısının amatör teröristlere karşı savunulması çok daha kolay olan bir açık deniz platformu üzerine inşa edilmesinin önerilmesinin önemli nedenlerinden biri de bu düşünceler haline geldi. Ancak burada bile öngörülemeyen sonuçlar bekleyebiliriz - bu sefer çevre aktivistleri açısından.
Endişeleri anlaşılabilir: Gezegenin birçok savunucusunun belirttiği gibi, asansör kablosu boyunca büyük ölçekli kargo taşımacılığı, Dünya'ya sıkı sıkıya bağlı ek kütlenin ortaya çıkmasıyla doludur. Temel hesaplamalar, kablonun muazzam uzunluğuyla bunun gezegenin kendi ekseni etrafında dönme hızını bile etkileyerek onu yavaşlatabileceğini gösteriyor. Böyle bir etkinin sonuçları gerçekten tahmin edilemez olabilir. Ve Dünya'yı birkaç nanosaniye kadar yavaşlatsak bile, en şiddetli protestoları "yeşiller"den bekleyebiliriz - örneğin "Gezegenin açısal momentumunu koruyalım!"
Sorun değil: ayda
Görünüşe göre uzay asansörünün sorunları sayısız ve pratik olarak çözülemez. Peki ya projenin konseptini tam anlamıyla tersine çevirirsek?.. Böyle bir öneri bir süre önce Amerikalı mühendis ve uzay teknolojisi geliştiricisi Jerome Pearson tarafından yapılmıştı. "Böyle bir proje Dünya'da pek mantıklı görünmüyor" diye yazıyor, "ama Ay tamamen farklı bir konu."
Elbette yer çekiminin etkisiyle Ay kendi ekseni etrafında dönmez, tek tarafı bize dönük kalır. Ancak Jerome Pearson bunu bir artı olarak bile görüyor ve bir uzay asansörünün kablosunun merkezkaç kuvveti nedeniyle değil, Dünya'nın yerçekimi nedeniyle bir uydu yüzeyinden başlayarak "sabitlenmesini" öneriyor. Uzak ucunu uygun kütle ile ağırlıklandırmak yeterli: Pearson'un hesaplamalarına göre yaklaşık 100 bin tonluk bir ağırlığa sahip böyle bir tasarım, Ay'a yılda üç ila dört kat daha fazla kargo teslim edilmesini mümkün kılacak.
Görünüşe göre bu fikir anlamsız değil. Teorik olarak, "ay asansörü", terörist saldırılara karşı dikkate değer - neredeyse ideal - korumanın yanı sıra, ultra güçlü malzemelere bile ihtiyaç duymuyor. Bu fikir aynı zamanda Keith Henson tarafından da destekleniyor ve sistemin 1000 ton kargoyu kaldırmak için orta büyüklükte bir enerji santralinin (sadece 15 MW) çalıştırılmasını gerektireceğini ve aynı zamanda bunları aynı saatte teslim edebileceğini hesaplıyor. Dünya'ya transfer yörüngesine 190 bin km'ye kadar mesafe.
İnsanlık ciddi bir şekilde ay kaynaklarını geliştirmeye başlarsa belki proje çok faydalı olacaktır. Bu arada, teknolojik nedenlerden dolayı Dünya'da bir uzay asansörü pek mümkün değil; Ay'dan bu miktarlarda taşıyacak hiçbir şeyimiz yok. Asansör gecikmiş gibi görünüyor.
Görüntülemek için lütfen JavaScript'i etkinleştirin