Úvod
Idea “schodov do vesmíru” je stará hádam ako ľudstvo samo. Dokladajú to príbehy o Babylonskej veži či Jakubovom rebríku a ďalšie. Moderný koncept vesmírneho výťahu (presnejšie vesmírnej veže) načrtol však až na konci devätnásteho storočia ruský génius Konstantin Ciolkovskij, neskôr ho rozvinuli ďalší sovietski a aj americkí vedci. Prvým bol Jurij Arcutanov v roku 1960, ktorý ho však publikoval len v nedeľnej prílohe sovietskeho denníka Pravda a teda zostal odbornou verejnosťou nepovšimnutý. Do širšieho povedomia odbornej aj laickej verejnosti koncept vesmírneho výťahu uviedol až američan Jerome Pearson, ktorý nezávisle na predchádzajúcich autoroch v roku 1975 publikoval modernú štúdiu o výťahu v časopise Acta Astronautica.
V tomto článku by sme si povedali základné informácie o vesmírnom výťahu, aký je jeho princíp, a ako vyzerajú plány na jeho uskutočnenie, keďže projekt je v blízkej dobe vďaka pokroku v nanotechnológiách realizovateľný a nepatrí už len do ríše sci-fi. Sústredili by sme sa najmä na navrhované spôsoby riešenia problémov spojených s jeho vybudovaním a prevádzkou. Vychádzať budeme najmä zo záverov doposiaľ najpodrobnejšej štúdie, ktorú na objednávku NASA vypracoval Institute for Scientific Research pod vedením Dr. Edwardsa. Konečný projekt sa môže samozrejme líšiť, avšak základné črty zostanú s najväčšou pravdepodobnosťou veľmi podobné.
Ešte predtým však zhrňme úplne stručne o čom sa budeme rozprávať:
Vesmírny výťah je zariadenie, ktoré podľa súčasného tempa rozvoja technológií bude už onedlho realizovateľný, a poskytne nám revolučné niekoľkodesiatok až stonásobné zlacnenie vynášania nákladu na obežnú dráhu okolo Zeme a niekoľko stotisícnásobné zlacnenie prepravy nákladu k blízkym planétam. Bude znamenať naozajstný prelom v kozmickom veku a umožní skutočný prienik druhu Homo Sapiens Sapiens do vesmíru, s enormným zlacnením všetkých technologických výdobytkov založených na kozmickom priemysle a rozvojom ďalších v budúcnosti.
Fyzikálny princíp výťahu.
Princíp je vcelku jednoduchý. Aby sa teleso udržalo na obežnej dráhe okolo Zeme, musí mať dostatočnú rýchlosť. Na povrchu Zeme sa táto rýchlosť rovná tzv. prvej kozmickej rýchlosti, rovnej cca 7,9 km/s, pri ktorej bude odstredivá sila pôsobiaca na takéto teleso rovná gravitačnej sile, ktorou na teleso pôsobí Zem. Čím vyššie ste nad povrchom Zeme, tým viac slabne jej gravitačná príťažlivosť a potrebná obežná rýchlosť je nižšia. V určitej výške nastane situácia, keď obežná rýchlosť klesne natoľko, že bude rovná rýchlosti otáčania sa Zeme (zemského povrchu) pod družicou. Táto výška sa nazýva geostacionárna dráha a družica obiehajúca Zem nad rovníkom po tejto dráhe bude akoby stále nad jedným miestom na povrchu.
Obr.1: Vesmírny výťah v reálnych proporciách.
Teraz si predstavme, že z takejto družice spustíme na Zem lano tak, aby ťažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. Časť lana pod geostacionárnou dráhou bude gravitačne priťahovaná k Zemi (keďže bude obiehať nižšou rýchlosťou ako je potrebná na vykompenzovanie gravitácie), kdežto časť lana nad geostacionárnou dráhou bude mať vďaka prevažujúcej odstredivej sile snahu od Zeme uniknúť. Gravitačná a odstredivá sila pôsobiaca na celé lano teda pôsobia proti sebe a lano tak pri vhodnej dĺžke dokáže "levitovať" bez toho, žeby sme museli použiť dodatočný (napr. raketový) pohon na to, aby zostalo na obežnej dráhe. Samozrejme, pri vyťahovaní nákladu na lano začne pôsobiť dodatočná sila smerom k Zemi (jednak vďaka váhe nákladu a vozidla, jednak na začiatku aj vďaka jeho zrýchleniu). Pádu lana zabránime tým, že lano ukotvíme na Zemi (na to má slúžiť veľká pohyblivá platforma na spôsob plávajúcich ropných veží), a ťažisko lana (závislé najmä na dĺžke lana nad geostacionárnou dráhou a vzdialenosti a hmotnosti protiváhy úplne na konci lana) posunieme o niečo vyššie ako je geostacionárna dráha. Výsledkom bude, že celková odstredivá sila pôsobiaca na lano bude o niečo väčšia ako gravitačná príťažlivá sila, a lano bude mať slabú tendenciu uniknúť od Zeme. Rozdiel týchto síl bude stačiť veľmi malý – povedzme niekoľko desiatok ton (závisí na projektovanej nosnosti výťahu). Bez problémov potom môžme vyťahovať náklad bez hrozby pádu či namotania lana na Zem, pretože táto prebytočná odstredivá sila ho bude neustále udržiavať v stabilnej pozícii.
Týmto sa vyrieši problém aj s tzv. Coriolisovou silou, ktorá bude pôsobiť na pohybujúci sa náklad a teda aj na lano. Coriolisova sila pôsobí na vyťahovaný či klesajúci náklad vďaka tomu, že s výškou sa mení obežná rýchlosť nákladu - čím vyššie sa náklad nachádza, tým vyššiu obežnú rýchlosť na výťahu má. Túto rýchlosť pri výstupe mu však musí lano dodať (pri klesaní odobrať), a teda náklad bude na lano pôsobiť silou kolmou na lano (z energetického pohľadu je vesmírny výťah zariadenie využívajúce rotačnú energiu Zeme). Coriolisova sila je však veľmi malá, a spôsobí len istú malú a vopred vypočítateľnú odchýlku lana (nepresiahne hodnotu 1 oblúkového stupňa). Akýmkoľvek väčším komplikáciám (napr. dlhodobé navíjanie lana na Zem) zabráni spomínaná odstredivá sila.
Z vedeckého hľadiska je fyzikálny princíp výťahu plne vyriešený a nie je na ňom nič nereálneho či nejasného.
Dostupné ciele.
Ako už bolo spomenuté, čím väčšiu výšku na výťahu dosiahnete, tým väčšiu obežnú rýchlosť budete mať. Od istej výšky nad povrchom bude možné uvoľnením z výťahu uviesť objekty na nízku eliptickú dráhu. Vo výške 35 810 km zostane teleso po odpútaní na kruhovej geostacionárnej dráhe. Z väčšej výšky bude možné vypúšťať telesá na vysokú eliptickú dráhu (navedenie na konečnú dráhu želanej excentricity bude uskutočnené dodatočným slabým raketovým pohonom). Vo výške 46 770 km dosiahne obežná rýchlosť na výťahu hodnotu druhej kozmickej rýchlosti 11.2 km/s a teda vypustením telesa nad touto výškou bude možné poslať objekty do medziplanetárneho priestoru. S ďalším zväčšovaním výšky bude rýchlosť neustále narastať a bude možné posielať telesá do ešte vzdialenejších oblastí Slnečnej sústavy. Prirodzene, s narastajúcou dĺžkou výťahu rastú aj nároky na pevnosť materiálu a náklady na jeho vybudovanie. Kompromisným riešením je výťah o dĺžke cca 91 tisíc kilometrov. S takto dlhým lanom sa bude dať bez použitia urýchľovacej rakety dostať k Venuši, Mesiacu, Marsu a pri využití gravitačného urýchlenia pri dostupných planétach aj k Jupiterovej sústave, čo bohato stačí. Dlhšie lano by umožnilo cestovať aj k ďalším planétam, ale v súčasnosti by to nebolo rentabilné a ani priveľmi potrebné. Na cestovanie k vzdialenejším planétam bude efektívnejšie vyniesť na obežnú dráhu sondu či kozmickú loď s vlastným raketovým pohonom.
Obr.2: Ciele v Slnečnej sústave dostupné s využitím vesmírneho výťahu. Vodorovná os označuje dĺžku lana vesmírneho výťahu, zatiaľčo zvislá os zodpovedá vzdialenosti od Slnka dosiahnuteľnej požitím výťahu zodpovedajúcej dĺžky.
Prvotné vypustenie na obežnú dráhu.
Existuje viacero variantov, z nich najprepracovanejšia a najjednoduchšia je varianta využívajúca súčasné technológie a raketové nosiče. Na vypustenie družice nesúcej prvotné lano spolu s raketovými motormi a palivom potrebným na presun na geostacionárnu dráhu bude stačiť sedem štartov raketoplánov a jeden štart nosiča Centaurus. Z geostacionárnej dráhy sa začne z družice odvíjať prvotné lano s nízkou nosnosťou (pretože len tak môžme zabezpečiť, že celé lano bude možné na jeden štart dopraviť na obežnú dráhu. Skladanie hrubšieho lana z viacerých častí až na orbite je riskantné, pretože takéto technológie nie sú na obežnej dráhe odskúšané a boli by veľmi náročné a nespoľahlivé). Na konci bude umiestnená malá sonda so slabým motorom, ktorý dodá lanu prvotný impulz. Ďalej sa lano bude odvíjať vďaka gravitácii Zeme. Počas odvíjania sa bude družica synchronizovane vzďaľovať od Zeme, tak aby ťažisko celého systému bolo neustále na geostacionárnej dráhe. Malá sonda na konci lana bude obsahovať aj vysielač, vďaka ktorému bude lano po dosiahnutí povrchu Zeme ľahko identifikovateľné. Po zachytení a ukotvení konca lana na plávajúcu plošinu sa vyšlú špeciálne climbery ("šplhače" - vozidlá vynášajúce po lane náklad) v predpokladanom počte 207, vezúce ďalšie vrstvy lana. Tie počas svojho výstupu lano postupne rozšíria na požadovanú nosnosť 20 ton. Podobný princíp sa využíva napr. pri budovaní visutých mostov. Každý z climberov bude následne umiestnený na konci lana a bude slúžiť ako protiváha spolu s pôvodnou družicou nesúcou prvotné lano. Po dokončení celého procesu budú môcť začať premávať samotné climbery s nákladom. Ukotvenie lana bude zabezpečené plávajúcou plošinou na oceáne (k výhodam tohto riešenia sa vrátime pri popise problémov a ich riešenia), podobnou ako su dnešné morské ropné plošiny.
Problémy a ich navrhované riešenie.
Napriek jednoduchosti princípu, určite netreba zvlášť zdôrazňovať, že vesmírny výťah je úplne nová a prevratná technológia, vyžadujúca mnoho podrobného výskumu a vývoja. Pri jeho konštrukcii a stavbe bude potrebné čeliť mnohým výzvam a problémom. Vesmírny výťah však už prešiel prvými kritickými fázami serióznych štúdií, uskutočnených, prípadne organizovaných renomovanými vedcami z Los Alamos National Laboratory, Marshall Space Flight Center, NASA Institute for Advanced Concepts, National Space Society, Institute for Scientific Research a podobne. Pozrime sa stručne na výsledky týchto analýz a navrhované spôsoby riešenia problémov.
0. Existencia dostatočne pevného a ľahkého materiálu v potrebnej dĺžke.
Obr. 3: Štruktúra uhlíkových nanotrubičiek vizualizovaná počítačom (vľavo) a pohľad elektrónovým mikroskopom na už vytvorené nanotrubičky(vpravo).
Kredit: http://www.chem.ufl.edu, http://jatonline.co.uk/~nanotubes
Najväčším problémom, ktorý znemožňoval postaviť výťah po celý ten čas a posúval ho do ríše sci-fi, bola neexistencia dostatočne pevného a ľahkého materiálu, ktorý by vydržal extrémny ťah, ktorý na lano výťahu bude pôsobiť. Všetko sa však zmenilo výskumom japonského profesora Sumijo Iijima v roku 1991, ktorý objavil tzv. uhlíkové nanotrubičky (angl. carbon nanotubes). Ide o novú štruktúru uhlíkových atómov (po tuhe, diamante a napr. C 60) príbuznú fulerénom, v ktorej sú, zjednodušene povedané, uhlíkové atómy stočené v jednoatómovej vrstve do akejsi mikroskopickej rúrky stotisíckrát tenšej ako ľudský vlas. Tento materiál je extrémne pevný v ťahu (60 x pevnejší ako oceľ) a ľahký (hustota len o niečo väčšia ako hustota vody). Tieto dve vlastnosti mu umožňujú vydržať aj ťah (a s dostatočnou rezervou) lana vesmírneho výťahu, ktorý je len jednou z nepreberného množstva aplikácií tohto prevratného nanotechnologického materiálu. Nie neodôvodnene sa hovorí o nástupe “doby uhlíkovej”, ktorá zmení náš každodenný život.
Materiál už teda máme, treba však samozrejme pokračovať vo výskume, aby bolo možné vyrobiť ho v dostatočnej dĺžke niekoľko desiatok tisíc kilometrov, čo iste ešte prinesie nejedno prekvapenie a potrebu výskumu. Vývoj v tejto oblasti však veľmi rýchlo napreduje.
1. Meteorologické vplyvy (vietor, blesky, dážď...).
Obr. 4: Modifikovaný dizajn lana zabezpečujúci odolnosť voči meteorologickým vplyvom (najmä vetru). Ľavá časť zobrazuje pohľad spredu, pravá časť bočná profil lana. Zvislá os zodpovedá výške lana nad povrchom Zeme a vodorovná os šírke, resp. hrúbke lana.
V najnižšej výške nad povrchom je samozrejme problémom prítomnosť atmosféry. Výpočtom sa dá zistiť, závisiac od použitého dizajnu lana (ktorý závisí od parametrov ako napr. potrebná pevnosť lana, odolnosť voči mechanickému poškodeniu vplyvom pohybujúceho sa nákladu a podobne), aká je maximálna prípustná rýchlosť vetra, ktorá ešte nespôsobí pretrhnutie lana. Výsledok je podľa očakávania pomerne optimistický - ohrozil by ho až hurikán. Riešením problému je vybratie vhodnej lokality na Zemi chudobnej na búrky a prudké zmeny počasia. Podľa dlhodobých meteorologických a klimatologických záznamov a vzhľadom na potrebu umiestnenia vesmírneho výťahu blízko rovníka najvhodnejšou lokalitou na jeho umiestnenie je oblasť západne od Galapágskych ostrovov v Tichom oceáne.
Táto oblasť je vhodná aj z úzko súvisiaceho dôvodu - oblačnosti. Pohon climberov bude totiž zabezpečený laserovým prenosom energie – súčasťou climberov bude aj malý disk, ktorý bude prijímať energiu z vysielača na kotviacej plošine. Táto technológia je už v značnom štádiu rozpracovania a úspešne otestovaná. Blesky predstavujú ďalšie riziko - aj keby sme totiž uhlíkové vlákna pokryli nevodivým materiálom, počas búrky a dažďa sa voda na lane stáva vodivou a blesk lano môže zničiť, keďže vodivosť takéhoto predmetu bude väčšia ako vodivosť vzduchu. Preto výťah bude v oblasti, kde sa blesky nevyskytujú - teda západne od Galapág. Zriedkavým búrkam (ktoré sa samozrejme nedajú celkom vylúčiť) sa bude dať vyhnúť presunom plávajúcej kotviacej plošiny podľa reálnej meteorologickej situácie (monitorovanej samozrejme satelitmi).
Obr. 5: Výťah bude ukotvený na plávajúcej morskej plošine umožňujúcej vyhnúť sa hurikánom a búrkam.
2. Oxidácia atmosférickým kyslíkom.
Nejedná sa o molekuly kyslíka v atmosfére, jedná sa o nebezpečný jednoatómový kyslík vo výške niekoľko stoviek kilometrov - je to veľmi agresívna látka. Experimenty ukazujú, že aj uhlíkové nanovlákna oxidujú. Riešenie - nanesieme na ne tenkú vrstvu kovu (z dlhodobých experimentov na obežnej dráhe sú preukázateľne odolné napr. zlato a aj iné materiály). Váhu lana to ovplyvní len minimálne, keďže sa jedná len o úsek niekoľko sto kilometrov (čo je málo oproti celkovej dĺžke cca 91 000 km) a je postačujúce, aby vrstva mala hrúbku len niekoľko mikrometrov.
3. Satelity na obežnej dráhe.
Je prirodzené, že môže dôjsť ku kolízii lana so satelitmi počas ich obehu. Existuje presná databáza satelitov, takže nie je problém na týždne dopredu vypočítať hrozbu zrážky. Lano bude mobilné - práve z toho dôvodu bude základňa pohyblivá (plávajúca plošina), a manévre sa budú robiť tak, aby sa predišlo akýmkoľvek zrážkam. Frekvencia manévrov bude v rozumných medziach, keďže satelitov je limitované množstvo.
4. Odpad a trosky na obežnej dráhe. Mikrometeority.
V súčasnosti je na obežnej dráhe množstvo odpadu, ktorý je serióznou hrozbou nielen pre vesmírny výťah. Úlomky stupňov rakiet, trosky zo zaniknutých sond, staré nepoužívané satelity atď... Mnoho desiatok tisíc objektov o veľkosti nad 1 cm. Našťastie, vyskytujú sa len na nízkej obežnej dráhe (cca od 200 do 1000 km). Riešení je viacero:
- monitorovanie trosiek.
Dnes sú trosky zmapované do veľkosti 10 cm. Kvôli medzinárodnej vesmírnej stanici ISS sa za 100 miliónov dolárov pripravuje monitorovanie až do veľkosti 1 cm. Podľa teoretických výpočtov (NASA používa simulačné programy kalibrované napr. aj pozorovaniami ISS a raketoplánov) vyplýva, že výťah sa bude musieť vyhýbať úlomkom väčším ako 1 cm približne jedenkrát za deň. To je akceptovateľná frekvencia v rámci únosnosti. Trosky menšie ako 1 cm spolu s mikrometeoritmi nepredstavujú vážny problém, pretože aj keď ich počet narastá a ich kinetická energia je stále značná, nie sú pre výťah nebezpečné, a to vďaka druhému riešeniu: - vhodný makroskopický aj mikroskopický dizajn lana.
V prvom rade šírka lana bude v kritickej výške zdvojená. Rovnako priemer jednotlivých vlákien lana a vzdialenosti medzi nimi budú také, aby sa minimalizovala škoda spôsobená mikrometeoritom/malými troskami. Zakomponovanie priečnych vlákien takisto umožní zvýšiť odolnosť voči poškodeniu. Veľkou výhodou bude dizajn lana realizovaný nie v podobe lana v bežnom slova zmysle, ale pôjde skôr o stuhu - pás široký v priemere jeden meter a tenký len niekoľko mikrometrov (tieto parametre sa budú meniť v závislosti od výšky nad povrchom). Okrem toho, pás nebude plochý, ale bude tvarovaný do oblúka. Výpočty ukazujú, že takýto dizajn zníži nebezpečnosť a veľkosť poškodenia až o niekoľko rádov. Životnosť lana bude pri vhodnom dizajne až 200 rokov, čo je plne postačujúce.
Obr. 6: Prierez navrhnutým lanom (vľavo); závislosť šírky lana od výšky nad zemou (v strede); a tzv. Hoytether (vpravo) - priečny dizajn lana zväčšujúci jeho odolnosť voči poškodeniu mikrometeoritmi a troskami na obežnej dráhe, navrhnutý Robertom Hoytom.
5. Oscilácie lana.
Gravitačným a slapovým pôsobením Mesiaca a Slnka ako aj vplyvom stúpania a klesania pohybujúceho sa nákladu bude dochádzať k osciláciám. Riešením je vhodná frekvencia a rýchlosť pohybujúcich sa climberov so zosynchronizovanou dĺžkou lana. Výpočty ukazujú, že napr. lano o dĺžke cca 70 000 km by malo veľké problémy vďaka rezonančnej frekvencii s obehom Mesiaca/rotáciou okolo Zeme. Navrhované lano má však dĺžku 91 000 km - je to výhodné nielen z hľadiska oscilácii, ale aj z hľadiska spomínaných dostupných cieľov v Slnečnej sústave.
6. Zahrievanie lana.
Lano sa bude prirodzene zahrievať jednak pôsobením slnečného žiarenia, jednak vystupujúcimi climbermi, a jednak aj osciláciami a pnutiami v lane. Výpočty ukazujú, že lano uvažovaného dizajnu bez problémov vyžiari všetko žiarenie prirodzeným tepelným vyžarovaním do voľného priestoru. Treba si však uvedomiť, že ak pôjdeme s climberom vyššie ako je geostacionárna dráha (napr. pri vypúšťaní sond na Mesiac a k iným planétam), energiu nebudeme musieť na šplhanie dodávať, ale energiu budeme dostávať! Rovnako ako aj pri znášaní nákladu z obežnej dráhy na Zem - climber bude musieť brzdiť a teda energia sa bude uvoľňovať. Tento prebytok energie môžme zužitkovať napr. konverziou na energiu elektrickú. Prebytok zvyšného tepla sa bude riešiť vyžarovaním, vedením, alebo prípadne aj absorbciou do časti nákladu (napr. vodná zásoba, keďže voda má veľkú tepelnú kapacitu, i keď toto riešenie by predstavovalo zníženie efektívneho nákladu). Je zaujímavé, že výťah z fyzikálneho pohľadu bude pracovať veľmi efektívne a energeticky úsporne. Aj v prípade nevyužívania brzdnej energie bude na prevádzku stačiť zdroj s výkonom cca 20 MW. Netreba vyvíjať žiadnu novú technológiu, podobné zdroje majú už aj dnešné ropné plošiny.
7. Ionosféra a jej vybíjanie.
Ionosféra je oblasť atmosféry vo výške cca od 20 do 2000 km nad povrchom, ktorá obsahuje ionizované častice nesúce elektrický náboj (o nezanedbateľnom napätí približne 300 V/m). Keďže lano bude mať istú vodivosť, môže teoreticky tento náboj vybíjať. Hustota ionosféry je však nízka, a analýza ukazuje, že vybíjanie bude vzhľadom na vlastnosti lana (napr. nízka vodivosť, malý prierez) a ionosféry veľmi malé, maximálne v okolí niekoľko metrov od lana. Nehrozí teda žiaden problém s prílišným zahrievaním lana vďaka tomuto efektu ani vybitie ionosféry z dlhodobého hľadiska. Samozrejme, pri konštrukcii climberov (najmä pre ľudí) sa bude musieť počítať s existenciou ionosféry.
8. Teroristický útok, nehoda výťahu.
Motiváciou pre teroristov nebudú škody na životoch. Celé lano totiž váži len niekoľko sto ton, pričom zaútočiť môžu reálne len na jeho spodnú časť - aj v prípade útoku družicou (v plánoch sú samozrejme aj akcie typu "Pakistanská družica, ktorá dva roky plnila mierové vedecké účely zrazu zmenila kurz priamo na lano...") dôjde k prerušeniu lana maximálne do výšky 1000 km, čo je len niečo vyše stotiny celej jeho dĺžky, takže na Zem v najhoršom prípade spadne niekoľko ton lana. Ak by však aj došlo k prerušeniu lana vo väčšej výške, keďže lano je veľmi tenké a ľahké, takmer všetko zhorí v atmosfére, čiže celkový deštrukčný efekt je na úrovni padajúceho hárku kancelárskeho papiera. Zdravotné účinky zhorených uhlíkových nanotrubičiek (napr. pri vdýchnutí) by nemali byť škodlivé, ale výskum v tomto smere pokračuje. Motivácia teroristov môže byť teda len ekonomická - spôsobiť škody tým, že sa zničí ekonomicky výhodný prostriedok na dopravu na obežnú dráhu. Ibaže - ak sa postaví prvý výťah (za cca 40 mld. $ v súčasných cenách), tak druhý a ďalšie výťahy budú podstatne lacnejšie - pretože už nebude potrebný zložitý proces prvotného vynášania na obežnú dráhu pomocou klasických rakiet, monitorovací systém trosiek vybudovaný pre prvý výťah bude slúžiť aj pre všetky ďalšie výťahy súčasne atď. Bude možné vybudovať niekoľko desiatok výťahov v rýchlom slede, takže aj keby niektorý(é) z nich boli zničené teroristickým útokom, znovunatiahnutie lana nebude veľmi nákladné vzhľadom na existenciu ostatných výťahov. Teroristi tak strácajú dôležitý prvok motivácie. Okrem toho, pohyblivá plošina sa bude nachádzať niekoľkostokilometrov od akýchkoľvek leteckých liniek, takže jediná reálna možnosť je útok balistickou strelou alebo družicou, nie lietadlom. Všetko bude kontrolovať samozrejme americká (či iná) armáda. Navyše, ďalšie postavené výťahy budú slúžiť už pre komerčné firmy a pre iné štáty. Takže nebude to majetok národov čeliacich terorizmu, ale aj iných krajín, voči ktorým teroristi nebudú mať motiváciu útočiť. Minimálne deštrukčné následky sa prirodzene vzťahujú aj na prípad nehody výťahu.
9. Neexistujúce technológie - utópia?
Veľkou výhodou tohto projektu oproti mnohým iným je, že nestavia na neexistujúcich technológiách. Všetko od kotviacej plošiny (typu ropná plošina a existujúci projekt Sea Launch), cez výrobu energie a jej laserový prenos, elektrický pohon climberov, prvotné vynesenie na obežnú dráhu pomocou raketoplánov a existujúcich nosičov atď, sú existujúce technológie, prípadne technológie v značne rozvinutom štádiu vývoja. Samozrejme, keďže výťah bude jedinečný, veľké množstvo výskumu sa bude musieť ešte len uskutočniť, avšak dôležitý je fakt, že principiálny problém neexistuje. Existujú najmä dve záležitosti, ktoré si vyžadujú niekoľko rokov výskumu (čo je vcelku krátka doba, ak zoberieme do úvahy revolučnosť výsledku):
- nevyrobili sme ešte dostatočne dlhé lano z nanotrubičiek. Toto je vzhľadom na vývoj v tejto oblasti s najväčšou pravdepodobnosťou len otázka spomínaných niekoľkých rokov (napr. Japonsko je zatiaľ schopné produkovať 120 ton uhlíkových nanotrubičiek obmedzenej dĺžky za rok). Doterajšie experimenty s niekoľkometrovými pásmi z nanotrubičiek dokazujú, že lano sa bude dať vyrobiť a aj jeho pevnosť bude dostatočná na udržanie obrovského ťahu, ktorý bude na lano pôsobiť.
- existuje len minimálna ochrana človeka pred kozmickým žiarením počas výstupu na geostacionárnu dráhu. To je pravda - keďže rýchlosť výstupu na výťahu je cca 200 km/hod, na geostacionárnu dráhu to môže trvať až viac ako týždeň. Na nízkej obežnej dráhe (pod cca 1000 km) to nie je veľký problém, kozmonauti tam trávia týždne aj roky už dnes. Problém nastane keď chceme ísť vyššie - na geostacionárnu dráhu a ďalej (k Marsu atď) treba prekročiť ionosféru a tzv. val Allenove radiačné pásy okolo Zeme, ktoré chránia Zem pred nebezpečným kozmickým žiarením. Tienenie kovovými lištami je veľmi náročné na hmotnosť, a teda bude možné takto ľudí voziť na geostacionárnu orbitu, až keď bude postavený výťah s väčšou kapacitou (prvotný bude mať kapacitu cca 20 ton) – v priebehu niekoľkých rokov sa výťah dá upraviť na nosnosť až 1000 ton nákladu. Aj tak však táto metóda nebude veľmi efektívna, a preto sa musí vyvinúť elektromagnetické tienenie. To je však ešte len v plienkach, na rozdiel od ostatných dôležitých súčastí projektu.
Avšak vynášanie nákladu a ľudí sú dve rozdielne veci. Doprava kozmonautov na obežnú dráhu môže v prvotných fázach zostať stále v rukách čisto raketových pohonov, kým sa nevyvinie vhodné eletromagnetické tienenie. V každom prípade, vesmírny výťah nie je žiadnou konkurenciou pre raketové pohony, naopak, je ich spojencom. Vďaka kozmickému výťahu budeme môcť skonštruovať priamo na obežnej dráhe veľké kozmické lode, stanice a sondy, o hmotnosti stoviek a tisícov ton. Budeme môcť postaviť orbitálne mestá či slnečné elektrárne produkujúce lacnú elektrickú energiu, všetko projekty náročné na množstvo dopraveného materiálu, a teda uskutočniteľné až v dobe, keď sa doprava materiálu na obežnú dráhu stane naozaj ekonomickou. Telekomunikačný priemysel získa mocný nástroj na zefektívnenie vynášania a údržby svojich satelitov (v dnešnej dobe ak nastane na telekomunikačnom satelite porucha, je často krát lacnejšie celý satelit zničiť a vypustiť drahý nový, pretože oprava poškodeného satelitu by bola drahšia ako výroba a vypustenie nového! Samozrejme, v konečnom dôsledku všetko platia zákazníci). Elektronický priemysel bude môcť lacno vyrábať priamo na obežnej dráhe veľké (napr. kremíkové) kryštály, ktoré v podmienkach beztiaže podľa experimentov rastú do podstatne väčších rozmerov a majú vyššiu kvalitu a menej defektov, čo by malo za následok ďalšie zlacnenie výroby procesorov a podobne. Priamo na obežnej dráhe budeme môcť konštruovať silné raketové (a iné) motory na samotné cestovanie vesmírom, nielen na vynášanie na obežnú dráhu so všetkými problémami, ktoré sú s tým spojené. A všetko veľmi lacno. K tomu prispieva aj fakt, že výťah umožňuje nielen vynášanie nákladu, ale aj jeho šetrné a bezpečné znesenie na povrch. Všetky tieto faktory predstavujú priamy dopad výťahu nielen na rozvoj vedy a poznania, ale aj ekonomiky a priemyslu.
Kompletné odhadované náklady na prvý výťah (vrátane vývoja, vynesenia na obežnú dráhu, prevádzky a všetkého s tým súvisiaceho) sú cca 40 miliárd dolárov. Doba stavby cca 10 rokov. Porovnajte to napr. so 60 mld. dolárov, ktoré bude stáť medzinárodná vesmírna stanica ISS (alebo so 173 miliardami dolárov, ktoré minuli USA do júna 2005 na vojnu v Iraku). Druhý výťah sa bude dať postaviť lacnejšie, cca 13 mld. $, už len za niekoľko rokov, tretí výťah ešte lacnejšie a rýchlejšie tak ako sa bude zvyšovať kapacita predchádzajúcich výťahov.
Prevratné možnosti a rozvoj.
Po vybudovaní prvého funkčného výťahu kozmonautika zaznamená obrovský skok dopredu - keďže doprava na obežnú dráhu neuveriteľne zlacnie, bude vesmír prístupný aj chudobnejším krajinám, súkromným firmám a jednotlivcom. Navyše, vďaka výťahu bude mnohonásobne lacnejšie dostať sa k Marsu, keďže prakticky za rovnakú cenu ako vynesenie na obežnú dráhu môže náklad získať rýchlosť potrebnú aj na cestu k Marsu. Existujú už aj projekty vesmírneho výťahu na Marse, ktorý má viaceré špecifiká v porovnaní so Zemou - menšia gravitácia, menší polomer, dva krúžiace mesiačiky Fobos a Deimos. Výsledok - výťah bude menej náročný ako na Zemi, bude kratší (pritom s rovnakou kapacitou ako pozemský), a nebude sa musieť pasovať s pozemskými problémami vďaka tenšej atmosfére a žiadnemu odpadu na obežnej dráhe. Ukotvenie by mohlo byť situované nie na rovníku, ale napr. na najväčšej neaktívnej sopke v Slnečnej sústave Mons Olympus, čím sa vyhneme mesiacom Phobos a Deimos a navyše vrchol sopky sa nachádza vo výške cca 24 km nad okolím, teda výrazne nad najhustejšími vrstvami atmosféry.
Rovnako aj bližší cieľ - Mesiac - poskytne možnosti vlastného výťahu. Vďaka pomalej rotácii Mesiaca cca raz za 29 dní však nebude využívať stacionárnu dráhu okolo Mesiaca, ale napr. Lagrangeho bod 1 - miesto, kde sa gravitačná príťažlivosť Zeme a Mesiaca návzájom vyrovnáva, vo výške 56 000 km nad povrchom Mesiaca. Lunárny výťah by bol dlhší ako zemský, ale vďaka nižšej gravitácii by nepotreboval byť až natoľko pevný voči ťahu a dal by sa vybudovat dokonca už aj zo v súčasnosti existujúcich komerčných materiálov ako Kevlar, Spectra či vlákno M5.
Viete si predstaviť, aký pokrok bude znamenať, keď na Mesiac a Mars budeme môcť dopraviť a rovnako aj priviesť materiál za mizivý zlomok súčasnej ceny? Až vtedy nastane začiatok naozajstnej kolonizácie Mesiaca a Marsu, naozajstný masívny prienik človeka do vesmíru, ktorý zmení náš každodenný život.
Obr. 7: Časový harmonogram realizovateľný v (ideálnom) prípade dostatku finančných zdrojov uvoľnených na projekt. Spodná os predstavuje uplynuté roky.
1. Dizajnovanie climberov a prvotnej družice.
2. Konštruovanie prvotnej družice.
3. Vypustenie prvotnej družice na geostacionárnu dráhu.
4. Konštruovanie climberov.
5. Výroba materiálu lana.
6. Budovanie lana pomocou climberov.
7. Dizajnovanie laserového napájania.
8. Budovanie pozemnej energetickej základne/elektrárne pre laserové napájanie.
9. Dizajnovanie systému mapovania trosiek na obežnej dráhe.
10. Budovanie zariadení pre mapovanie trosiek.
11. Dizajnovanie kotviacej plošiny.
12. Budovanie kotviacej plošiny.
1-12. Budovanie prvého výťahu.
13. Druhý výťah.
14. Tretí až desiaty výťah.
15. Výťah s nosnosťou tisíc ton.
16. Začiatok prevádzky výťahov pre komerčné účely.
17. Začiatok budovania geostacionárnej stanice.
18. Dizajnovanie výťahu na Marse.
19. Výroba lana pre výťah na Marse.
20. Prevoz lana k Marsu.
21. Zašiatok budovania ďalších lán pre výťahy na Marse.
22. Začiatok budovania marťanskej orbitálnej stanice.
23. Budovanie ďalších pozemských výťahov a geostacionárnych staníc.
24. Ťažba materiálov z asteroidov.
25. Kolonizácia Marsu.
26. Bezpilotný prieskum Slnečnej sústavy.
27. Budovanie výťahov pri ďalších planétach.
28. Pilotovaný prieskum Slnečnej sústavy.
Na záver by sme pripomenuli, že tento článok vzhľadom na obmedzený rozsah slúži len ako úvod do problematiky vesmírneho výťahu. Nemohli sme tu pokryť celú jej šírku do detailov. Omnoho podrobnejšiu štúdiu a aj odpovede na vynárajúce sa otázky nájdete v originálnej štúdii uvedenej na konci článku ako aj v príspevkoch z poslednej konferencie týkajúcej sa výťahu.
Rovnako dôležité je uvedomiť si, že tento projekt nie je len zbožným prianím alebo technicky onedlho uskutočniteľnou ale ekonomicky nerealizovateľnou fantáziou niekoľkých nadšencov. Mali sme tu už mnoho futuristických projektov, ktoré by pri dostatku financií boli uskutočniteľné. Všetky tieto pekné futuristické projekty minulosti aj súčasnosti však majú jeden závažný nedostatok - chýba im ekonomická rentabilita. Budovanie futuristických miest, orbitálnych slnečných elektrární alebo mesačných základní je síce nepochybne veľmi lákavé pre vedcov či politikov (ako manifestácia technologickej prevahy krajiny), avšak nie už pre investorov a ekonomiku všeobecne, keďže návratnosť prostriedkov bola ak nie nereálna, tak prinajmenšom diskutabilná. Vesmírny výťah však za niekoľko rokov (po zdokonalení technológie výroby uhlíkových nanotrubičiek) bude spojovať práve tieto dve nevyhnutné podmienky pre jeho realizáciu - pokrok ľudstva a ekonomický zisk. Bude priamo a účinne komerčne využiteľný. Tým sa stáva naozaj výnimočným projektom, ktorý je potrebné dostatočne prezentovať aj veľkým investorom a firmám. Prvé známky záujmu zo strany súkromných firiem sa už objavujú, napr. v podobe zoskupenia firiem pod názvom LiftPort Group, ktoré sa snaží prispieť k výskumu a vybudovaniu výťahu vlastnou rukou.
Ak ste sa dočítali až sem a podarilo sa nám vo vás vzbudiť aspoň štipku záujmu o tento projekt, tak článok splnil svoj účel. Jednou z hlavných momentálnych nedostatkov projektu vesmírneho výťahu je totiž skutočnosť, že len málo ľudí má zatiaľ o ňom spoľahlivejšie informácie, presnejšie len málo ľudí vie o jeho realizovateľnosti a o tom, že už nepatrí len do ríše sci-fi tak ako tomu bolo pred rokom 1991. Dúfam, že tento článok prispel k propagácii tohto výnimočného projektu, ktorý - ak sa zrealizuje - posunie ľudstvo o veľký krok bližšie k hviezdam.
Per aspera ad astra! (Cez prekážky k hviezdam!)
Zdroje s podrobnými informáciami aj pre širšiu verejnosť (anglicky):
1. Institute for Scientific Research, The Space Elevator Final Report to NASA Institute for Advanced Concepts.
2. The Space Elevator 3rd Annual Conference, June 28-30, 2004, Washington, D.C.
3. Wikipedia
4. Physical Principles
