NASA Fordringar Space Elevator Rimliga år 2100

De säger att de första 100 mil är de bästa. Ögonblick efter att dörren glider igen med ett lugnande "ker-chunk", tar accelerationen tag, driver du försiktigt men bestämt in i din sits. Terra Firma droppar förhastat från visa och dina inre organ stöna i sympati. Basen Tornet tycks oändliga när den glider förbi fönstret. Då är du i öppen himmel, först en till synes oändliga vidder av blått, men gradvis mörkare tills Vintergatan visas i all sin glans. Och hela den skimrande blå pool som är jorden kurvor bort under dig, en syn som en gång var förbehållet ett privilegierat fåtal.

Efter vad som verkar vara för evigt, men är faktiskt lite mer än 10 minuter-accelerationen lättar. Nu kör i 2000 kilometer i timmen, på en höjd av 150 kilometer och stigande, börjar du känna obehagligt stark i din sits. Att försöka behålla lugnet, undvik att du bor på det faktum att för de kommande 18 timmarna det enda som hindrar dig från sjunkande till jorden är föga mer än en glorifierad rep. En kabel cirka 47.000 kilometer lång, men inte mer än några centimeter bred, sträcker sig från jordytan till omloppsbana. Du tar en tur på Space Elevator. Gör dig redo för ditt livs åktur.

Idén om en hiss till himlen kanske låter befängd, som en uppdaterad version av Babels torn. Men det är ett seriöst förslag. Två oberoende NASA lag stryk nyligen ut de tekniska kraven för ett sådant projekt och funnit dem vara genomförbar. Utomordentligt krävande, ja, men genomförbar. "Du tittar på något vi kan på allvar överväga att bygga i slutet av detta århundrade", säger David Smitherman av NASA: s Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, som ledde ett av lagen. Utrymmet hiss-en idé länge förpassas till papperskorgen av rör-dream teknik-nu ser ut som en reell möjlighet. Just.

Varför bry sig om att bygga en? När en sådan struktur är på plats, skulle det ge billig och gladlynt tillgång till rymden. Passagerare och gods kunde rida upp och ner kabeln på ett sätt som liknar en konventionell hiss-eller rättare, en linbana-resa till en bråkdel av flykthastighet. Det skulle minska kostnaderna för att sätta nyttolaster i rymden för att så lite som $ 1,48 kilo, jämfört med $ 22.000 ett kilo på en raket. Och skulle du inte behöva en super-fit astronaut för att göra resan, som skulle öppna upp utrymmet till (måttligt rika) massorna.

Tanken med Space Elevator utreddes för första gången 1960 av rysk ingenjör Yuri Artsutanov och rehashed flera gånger under åren som följde. Men idén gick i stort sett obemärkt fram till 1979, då Arthur C. Clarke använde det som knutpunkt för romanen The Fountains of Paradise.

Så hur fungerar det? Det bästa sättet att få grepp om konceptet är att använda traditionella verktyg för fysik, tankeexperiment. Börja med att föreställa en satellit. Den tid det tar att kretsa kring jorden bestäms av styrkan i gravitationen, och detta varierar med avståndet: lågt flygande satelliter kretsar snabbt avlägsna dem mycket långsammare. Däremellan är en speciell distans-35, 786 mil-där en satellit tar exakt en dag till omloppsbana. Om dess bana är i linje med ekvatorn kommer en satellit på detta avstånd svävar över samma punkt på jordytan som de två i sin tur himmelska tandem. Satelliter parkerade i en sådan omloppsbana kallas "geostationära".

För att fortsätta tankeexperiment, föreställ dig vid förlängning satelliten inåt mot jorden, och samtidigt utåt i rymden, så att dess masscentrum kvar i geostationär bana. De delar av satelliten närmare jorden kommer att flytta långsammare än nödvändigt för att upprätthålla en stabil bana, och så börjar känna allvaret s drag. Däremot delar längre bort kommer att flytta för snabbt för deras avstånd och så, som en sten i en sele, kommer att försöka flytta längre bort. Resultatet: spänning. Satelliten blir ett spänd kabel i omloppsbana.

Tower Of Power

Det är då trivialt att bära tankeexperiment till sin logiska slutsats, där satelliten innersta punkten slår ground zero-eller, mer troligt, ansluter till ett högt torn. Resultatet är en kontinuerlig struktur som sträcker sig hela vägen från ekvatorn i rymden. På jorden slutet är basstationen, en massiv komplex med all grannlåt av en stor internationell flygplats-hotell, restauranger, taxfree-butiker och liknande. Hotande över komplexet är lanseringen struktur, något som Eiffeltornet, men tiotals kilometer lång. Sedan kommer den kabeln: 47.000 kilometer lång, oavbruten förutom en rymdstation på geostationära punkten. Detta skulle fungera som strukturens tyngdpunkt samt bostäder Labs, en företagspark och ett nollgravitation utväg. Längre ut ligger en motvikt, möjligen en mindre asteroid tjudrad till slutet av kabeln (se diagram, s. 27).

Så mycket för tankeexperiment. Kan vi verkligen bygga en sådan sak? Svaret, enligt NASA, är en försiktig ja-När vi har att övervinna några tekniska hinder.

Den absolut största utmaningen är själva kabeln. Den blotta tyngd av strukturen dinglande från geostationär bana skulle lägga extra krav på det material som används för att göra det. Vilken typ av saker har draghållfasthet behövs för att stödja sin egen vikt över en så lång? Överraskande, skulle nästan allt arbete i princip, förutsatt att det var lämpligt avsmalnande: bredast vid geostationär bana, där spänningen är som störst, och smalast vid extremiteterna.

Men möjligt är inte samma sak som praktiska. En stålvajer 1 millimeter över på marknivå skulle behöva vara 40 miljarder kilometer i diameter i geostationär bana, motsvarande bygga ett upp och ner berg större än solsystemet. Även Kevlar, som är starkare och lättare än stål, skulle behöva öka till 16 meter, så du skulle behöva 2 gigaton av prylarna. För att göra saken värre, skulle kabeln behöver en minsta diameter mer som 10 centimeter, inte en millimeter.

För en kabel av praktiska dimensioner, behöver du ett material med stor hållfasthet. NASA: s beräkningar tyder en magisk rad 62,5 gigapascals, det är 30 gånger starkare än stål och 17 gånger starkare än Kevlar. Tills nyligen har avsaknaden av ett sådant material förnekade Space Elevator ens ett minimum av trovärdighet. Entusiaster har tvingats att göra vilt exotiska förslag: fibrer av kristallin väte eller till och med antimateria. Men nu visar det sig att ett element som ned till jorden som kol kan vara nyckeln till himlen.

Det kommer inte som någon verklig överraskning att kol har upphöjts till material val. I form av diamant, visar det rekordstora mekaniska egenskaper. Diamant kan inte spinns till trådar, men det finns en form av kol som kombinerar styrka med längd: nanorör. Dessa små, ihåliga cylindrar tillverkade av ark hexagonally ordnade kolatomer överstiga draghållfasthet av stål med minst en faktor 100. Även försiktiga uppskattningar placera sin styrka vid 130 gigapascals, som överträffar det magiska numret med god marginal.

Så vad är haken? (Och det finns alltid en hake ...) För det första, de är extremt dyrt, klocka in på en sval $ 500 per gram. De är också lite kort i dag, med även de bästa syntesmetoder som ger rör inte längre än några mikrometer. Bradley Edwards från Los Alamos National Laboratory i New Mexico, som ledde den andra NASA-teamet, har räknat ut hur lång tid nanorör skulle behöva för att skapa en livskraftig kompositmaterial. Figuren har han kommit fram till är 4 millimeter.

Men det finns hopp. Enligt Dan Colbert av Carbon Nanoteknik, en avknoppning från Rice University i Houston, Texas, kostnaden för att göra nanorör är inställd på att tumla. I samma ögonblick som de produceras av laser förångning av grafit, en process som ger små partier av ren produkt perfekt för användning i laboratorium, men alldeles för dyra för byggbranschen-tala någon att bygga ett utrymme hiss. Men Carbon Nanoteknik har en ny tillverkningsprocess som kallas "högtryck kolmonoxid deposition" eller HiPCO, som lovar att vara skalbar, så produktionsanläggningar kan vara så stor som du vill och större innebär billigare. Colbert räknar med att inom sju år HiPCO kommer att minska kostnaderna för nanorör att bara några cent ett gram, fast han kommer inte att ge detaljer om hur det fungerar.

Hur är problemet med längden? Saker kanske inte så illa som de står. Nanorör har en tendens att "rep upp", eller fastnar i varandra sida vid sida, och sammanhållande krafterna mellan dem verkar starka. Goda nyheter. Men på nedsidan, roped upp nanorör slip också och skjut oförutsägbart mot varandra på ett sätt vi inte helt förstår. Ingen ännu har mätt styrkan i en nanotube rep, men tidiga indikationer tyder på att draghållfastheten är nedsatt med minst en faktor 3, sätta den "rätt på den trasiga kanten" av vad som krävs för en hiss, säger Colbert. Och när en biljondollarkälla projektet står på spel, vad skulle ingenjör arbeta på Ragged Edge?

Kanske den enklaste lösningen är att hitta ett sätt att införliva nanorör i ett kompositmaterial som glasfiber. Nackdelen med detta tillvägagångssätt är att allt material används för att binda nanorör tillsammans kommer att försvaga deras styrka. Den mest eleganta lösningen skulle vara att ge kontinuerlig nanorör förlänga fulla längd på kabeln. Det är ingen tvekan om att ett sådant material skulle vara stark nog, men är det realistiskt? För närvarande ingen vet hur man går med enskilda nanorör tillsammans för att göra längre molekyler. Men forskare arbetar på problemet, och Colbert anser att det är en väldigt bra chans att lyckas.

Komma bifogade

Så nu när vi har en kabel hängande från en avlägsen punkt i rymden, vi behöver något att koppla den till. Vi kunde naturligtvis förlänga den hela vägen ner till havet och knyta den på plats. Men minns koniska problemet: kabeln behöver bredda det kan bli högre för att stödja sin egen vikt. Och lägsta avsnitt måste ha en viss minsta tjocklek som i sin tur bestämmer kabelns omkrets på geostationära banan och därmed massan och kostnaden för strukturen som helhet. Höj botten av kabel och du sparar en väldig massa material på toppen. Helst behöver vi koppla den till något mycket hög.

En välplacerad berg nära ekvatorn skulle vara en bra början, men det finns oro för säkerheten med detta. Skulle det otänkbara inträffar och kabel snäpp, skulle en stor mängd skräp faller på land. Inte undra då att det bästa alternativet är ett gigantiskt torn byggt på en plattform ute i havet.

Tornet skulle behöva tiotals kilometer lång, men jämfört med dinglande en kabel från omloppsbana, bygga en skulle vara en barnlek. Den högsta självbärande byggnaden i världen idag är den 553 meter långa CN Tower i Toronto, inte i närheten av den teoretiska gränsen. Med befintlig konstruktion metoder som du kan höja ett torn 20 kilometer lång, mer än tillräckligt för basstationen.

Med kabel och tornet på plats, har vi skelettet av ett utrymme hiss. Allt som saknas är ett sätt att klättra det. Traditionella mekaniska hjälpmedel-kablar, hjul och remskivor-wouldn't göra. Med tanke på den väldiga avstånden, måste ett hållbart transportsystem uppfylla två grundläggande krav: mycket lågt underhåll och extremt höga hastigheter. Magnetic levitation och framdrivning är nyckeln till båda.

Genom att använda motbjudande magnetiska krafter för att hålla fordonet i direkt kontakt med kabel, eliminerar maglev slitaget som plågar de flesta transportsystem. Och i brist på friktion, kan fordonet accelerera snabbt till flera tusen kilometer i timmen. En annan fördel med systemet är att du kan använda bromsning och fallande faser av resan för att generera elektricitet. Detta gör att köra hissen mycket energieffektiv.

Är att allt som omfattas? Inte riktigt: rymden är en farlig plats. Den jordnära miljö är fizzing med energiska partiklar, alla väntar till etch, spotta och generellt urholka allt material de kommer över. Sedan finns det potentiellt kabel-kapning projektiler, inklusive meteoriter och rymdskrot. Men sådana hinder kan lösas. Titta bara på framgången av månen skott, sonder interplanetarisk och nu senast, den internationella rymdstationen ISS, som alla hade att brottas med liknande problem.

Det finns också en liten fråga om ekonomi. Det är ingen tvekan om att en hiss skulle snedstreck kostnaden för att få ut i rymden, men skulle detta motivera fenomenala bekostnad av att bygga en i första hand? På denna punkt Smitherman är optimistisk. Han säger att tricket är att börja generera intäkter tidigt, kanske genom att använda de första nanorör trådar för att leverera solenergi från rymden. Då projektet blir jämförbara i skala för att bygga en väg eller järnvägsnät.

Några fyra decennier efter det utrymme hissen först drömt upp, det finns fortfarande gott om skäl att vara skeptisk om det, även om man räknar den enorma tekniska framsteg som har gjorts under denna period. Vad händer om nanorör visa sig vara för svag eller inte kan göras tillräckligt länge? Vad händer om jordnära miljö är alltför fientlig för en sådan struktur? Tänk om det är för dyrt trots allt? Tja, som herr Wonka sade i Roald Dahls Kalle och den stora glashissen "Bunkum och tummyrot! Du kommer aldrig komma någonstans om man går på vad-iffing så."

Så om allt går bra, när kan vi förvänta oss en sådan struktur att byggas? Arthur C. Clarke var en gång ställde denna fråga och kom med svaret: "Utrymmet hiss kommer att byggas cirka 50 år efter att alla slutar skratta." De stannade bara.

Författare: Karl Ziemelis är fysik redaktör på Natur

Mer att läsa: "Space Hissar: En avancerad Jord-utrymme infrastruktur för det nya årtusendet" av David Smitherman kan

"Design och driftsättning av en Space Elevator" av Bradley C. Edwards, Acta Astronautica, vol 47, p 735 (2000)

New Scientist fråga: 5 maj 2001

Kontaktperson: Claire Bowles
claire.bowles @ rbi.co.uk
44-207-331-2751