Na úvod si opět oživme téma vesmírného výtahu videem a položme si otázku, zda skutečně není ten pravý čas se zamyslet nad nějakou změnou v tradičním způsobu dopravy materiálu na oběžnou dráhu. Podotýkám, že současný systém se od dob druhé světové války a Wernher von Brauna téměř nezměnil.

Jaký vliv bude mít urychlování nákladu na lano?
Asi nejčastěji kladenou a diskutovanou otázkou je problematika urychlení nákladu stoupajícího po laně. Jak k němu dojde a jak je možné, že  nestáhne lano s sebou dozadu?

Pravdou je, že každý náklad putující po laně vzhůru bude potřebovat energii ke svému urychlení z 0,46km/s (rychlost na povrch Země v oblasti rovníku) na 3,07km/s (rychlost na geostacionární dráze). Je nutné pochopit, že se rotující lano nachází v poloze s nejmenší potencionální energií - polohou kolmé k ose rotace. Ostatní polohy jsou pro lano labilní – mají více potenciální energie a je známo, že se těleso v labilní poloze snaží zaujmout pozici stabilní.

 

Ukažme si to na příkladu. Přestavme si provázek v gravitačním poli, na jehož konci je připevněno závaží. Podržme provázek za druhý konec. Závaží nám napne provázek kolmo k zemi, čímž zaujme polohu s nejmenší potenciální energií. Pokud závaží vychýlíme do strany, tak po chvíli opět zaujme původní polohu. Při tomto procesu bude tato soustava nepozorovatelně působit na naši ruku silou opačnou ke svému vyrovnání. Nahradíme-li v našem experimentu sílu gravitační silou odstředivou, o vychýlení se nám postará stoupající náklad a energii k rotaci pak bude dodávat Země. Země tedy předává svou rotační energii lanu a nákladu na něm umístěném a obojí urychluje tak dlouho, dokud nedojde k opětovnému dosažení stabilní polohy. K namotání lana tedy nedojde, neopak ve srovnání s jinými prostředky zde máme minimální energetický nárok na dopravu, protože řešíme pouze polohovou energii zdviže a ne její urychlení. Vedlejším důsledkem poté ovšem je mikroskopické zpomalení Zemské rotace.

Jaký vliv budou mít na lano atmosférické jevy?
Další okruh otázek se týká atmosférických jevů a jejich důsledků. Jak budou na lano působit blesky, bouře nebo hurikány? Jak bude docházet k vyrovnání potenciálu mezi ionosférou a zemí? Co koroze působená atmosférickým kyslíkem?

Zvětšit obrázek

Základním předpokladem pro umístění lana je výběr lokality v oblasti rovníku s nízkou atmosférickou aktivitou a také užití pohyblivé kotvy. Tato kotva by měla sloužit k manipulaci se základnou lana v rámci několika stovek kilometrů a včas se tak vyhnout případným bouřím. Před ostatními atmosférickými vlivy, korozí a atmosférickým kyslíkem by měl lano chránit ochranný film nanesený na jeho povrchu. Dále se předpokládá, že by bylo lano vytvořeno z uhlíkových nanotrubiček a to z konfigurace, která je velmi dobrým izolantem. Toto by mělo účinně zabránit tvorbě elektrických proudů po celé délce, což současně vylučuje případné vytvoření zdroje elektrické energie.

Jaký vliv na lano budou mít vibrace?
Lano výtahu bude v neustálem pohybu a to ve všech směrech. Tento stav bude zapříčiněn pohybem nákladu, posunem kotvy, atmosférickými vlivy, slapovými jevy a také slunečním větrem. Současným názorem je, že by koordinace pohybu stoupajících zdviží, protiváhy a kotvy měla být dostatečným řešením. Samozřejmě teorie a případná praxe se může hodně lišit.

Následující video dobře ilustruje jeden z možných případů ohrožující realizaci celé stavby:

Jak by probíhala konstrukce lana?
Jak vyrobit 100.000 km dlouhou uhlíkovou nanotrubičku? A jak to celé dostat na oběžnou dráhu?
Opravdu není potřeba vyrobit trubičku o délce 100.000 km. Tak jako je upleten běžný provaz, tak i naše lano by se skládalo z vláken nanotrubek pouhých několik milimetrů dlouhých. Výsledné lano bude mít díky tření mezi vlákny srovnatelnou pevnost jako součet pevnosti jednotlivých vláken.

K zahájení konstrukce výtahu bude potřeba vynést jeho základní část klasickými raketami na chemický pohon. Takový základní výtah je zatím odhadován 100t na lano + 50t na protiváhu a při této konfiguraci by měl být schopen užitného zatížení 2t. Takové množství materiálu by měla být schopna vynést na geostacionární dráhu například raketa Ares V na dva starty. Pokud bychom chtěli vybrat z některých aktuálních nosičů nebo alespoň nosičů, jejichž vývoj bude v rozumné době dokončen, tak vyvíjená Ariane 5 ECB by musela s tímto nákladem letět zhruba 13x.

Zvětšit obrázek

Jak by probíhala stavba na oběžné dráze? Současnou představou je, že by se lano skládalo z mnoha částí spojených k sobě lepením, mechanicky nebo kombinací obou. Rozdělení lana na jednotlivé části je jedním z navrhovaných způsobů, jak by mohlo lano “růst“. Po vynesení základní části raketovými nosiči by už sama zdviž začala vynášet silnější části lana, které by se přidávaly do středové části a současně by se na okrajích slabší segmenty zase odebíraly. Tato konstrukce by také měla umožnit případnou obnovu konkrétních částí lana.
 
 

Jaká je pravděpodobnost kolize s vesmírným odpadem na oběžné dráze?

Zvětšit obrázek

Na oběžné dráze se za roky letů do vesmíru nashromáždilo množství drobného odpadu. V posledních letech vzniká iniciativa o podrobné sledování tras kusů větších 1 cm. Pokud by tento systém v budoucnu fungoval, tak bychom měli být schopni riziko srážky předpovědět a výtah včas bezpečně přemístit. V případě objektů menších 1cm a mikro-meteoritů je bohužel možnost včasné detekce mizivá. Toto riziko je velmi malé, ale i tak se s touto eventualitou v rámci návrhu konstrukce počítá a přidaný bezpečnostní faktor současně s navrhovaným profilem lana by pak měl možné poškození pokrýt. Nakonec je riziko kolize s takovými objekty započítáno v rámci opotřebení lana do jeho životnosti.

Kolik to bude stát?
Na stránkách věnujících se stavbě a problematice vesmírného výtahu je umístěn možný návrh nákladů na celou stavbu. Pro realizaci projektu se pak počítá s cenou do 10mld$ (Japonská agentura počítá s 5mld$). Jakkoliv se tato suma může zdát astronomická, tak je dobré si uvědomit, že například rozpočet NASA pro rok 2010 je 18,724mld$. Dalším názorným příkladem je start raketoplánu, který v průměru vyjde na 1,8mld$.

Nyní se podívejme, co je do zmiňovaných 10mld $ započítáno:

1. Cena materiálu a výroba lana – při velmi konzervativních 1000$/kg – 1mld$


2. Cena stanice pro přenos energie – mělo by jít o přestavěný teleskop a laser – tyto komponenty by měly stát výrazně méně než 1mld$


3. Výstavba kotevní stanice, nákladových prostor a střediska pro kontrolu lana – opět méně než 1mld$


4. Cena prvních 100 zdviží – při ceně sériové výroby 10m$/ks – 1mld$


5. Cena vynesení lana – zde stránky uvádí 4 lety těžkého nosiče při 250m$ za let – 1mld$. Protože žádný takový nosič není v provozu, tak při použití nejtěžší Ariane 5 ECB a její průměrné ceně 120m$ za let bychom se u 13ti startů dostali na 1,5mld$


6. Cena vývoje a výzkumu včetně jednoho testu na oběžné dráze – 1mld$


7. Režie – 1mld$

Z výpočtu je patrné, že by se cena stavby i s rozumnou rezervou mohla dostat pod 10mld$.

Organizace aktivně se věnující problematice výstavby výtahu
Problematika stavby výtahu je velmi široká a některé otázky zodpovězené v tomto článku přirozeně vzbuzují další otázky. Své místo zde tentokrát nedostaly například otázky z oborů práva, financování výstavby a provozu, vědeckého a komerčního využití, návratnosti, stavby orbitální stanice a mnoha jiných. Z tohoto důvodu bych rád čtenáře odkázal na stránky http://www.spaceward.org, http://www.isec.info/ a  http://www.sea.jp/ (Japonsky) -  organizací zabývajících se vesmírným výtahem na profesionální úrovni, které jsou nyní vedoucími průkopníky v tomto oboru.

Zvětšit obrázek

Trable ve vesmírném výtahu.

Závěrem mi dovolte zmínit ještě aktivity pořádané společností The International Space Elevator Consortium Foundation. Tato společnost pro letošní rok vypsala soutěž o dvě ceny a to Personovu na téma „Ochrana před vesmírným smetím“ určenou pro studenty vysokých škol a Artsutanovu cenu na libovolné téma vztahující se k vesmírnému výtahu. Personova cena je ohodnocena na 1.500$ a Artsutanova na 2.500$ s pozvánkou na prezentaci výsledků práce při konání výroční konference organizace. V případě, že by někdo měl zájem reprezentovat Českou republiku, zkuste se kontaktovat přes stránky zmiňované v předchozím odstavci, nebo následně v diskusi pod článkem.

Zdroje:
www.firstscience.com
http://thevialuna.blogspot.com/
http://en.wikipedia.org/wiki/Werner_Von_Braun
http://www.newscientist.com/article/dn13552?feedId=online-news_rss20