První návrh takového zařízení, a v tomto případě se jednalo právě o kosmickou věž sahající z povrchu Země do vesmíru, pochází od Konstantina Ciolkovského z roku 1895. V roce 1959 navrhl leningradský inženýr Jurij N. Arcutanov koncept klasického kosmického výtahu. Ten vznikne rozvinutím dlouhého lana z družice na geostacionární dráze ve výšce 35 800 km, která zdánlivě visí nad jedním místem na rovníku. Jedna část lana je z geostacionární dráhy až na zemský povrch. Druhá míří opačným směrem a musí být delší. Pokud jsou obě části správně nastavené, vyrovnává rostoucí gravitační sílu na konec blížící se k zemskému povrchu rostoucí odstředivá síla působící na konec, který se od Země vzdaluje. V konečné konfiguraci silnější přitažlivá síla na konci lana visícího nad povrchem Země je vyrovnána větší odstředivou silou na konci za geostacionární dráhou. Při ukotvení konce u povrchu Země na rovníku a přesně nastaveném směru a délce lana za geostacionární dráhu by se dosáhlo, že celý systém má těžiště na geostacionární dráze, bude obíhat okolo Země za jeden den ve shodě s její rotací a bude tak viset nad příslušným místem ukotvení na rovníku. Inženýr Arcutan doporučoval i postupné zužování lan, aby se se v něm nezvyšovalo napětí. Největší průřez by lana měla mít na geostacionární dráze. Článek o vesmírném výtahu publikoval v nedělní příloze sovětských novin Pravda 31. července 1960.
Jeho práce nebyla z pochopitelných důvodů na západě zaznamenána. Zde se idea o výtahu vytvořeném tenkými lany, které by se odvíjely opačným směrem z družice na geostacionární dráze, poprvé nezávisle objevila v roce 1966 v článku skupiny amerických oceánografů pod vedením Johna D. Isaacse v časopise Science. Důvodem zájmů oceánografů bylo, že měli zkušenosti s dlouhými lany zatěžovanými vlastní vahou. Ovšem i tentokrát prozatím zapadla.
Do obecného povědomí dostal kosmický výtah Jerome Pearson, který pracoval pro výzkumné laboratoře NASA v rámci programu Apollo a od roku 1971 pro Air Force Research Laboratory. V roce 1975 publikoval v odborném časopise Acta Astronautica článek o vesmírném výtahu. Později navrhl i měsíční vesmírný výtah, který by využíval Lagrangeovy librační body soustavy Země a Měsíce.
S ním konzultoval Arthur C. Clark principy a technologie tohoto zařízení při psaní románu Rajské fontány, který je asi nejznámějším popisem vesmírného výtahu ve vědecké fantastice. Později se objevuje v řadě sci-fi děl, klíčovou roli hraje třeba v trilogii o kolonizaci Marsu Kim Stanley Robinsona Rudý Mars, Zelený Mars a Modrý Mars.
Základní schéma klasického vesmírného výtahu a klíčové problémy
Základní součástí klasického vesmírného výtahu je základna ve formě družice na geostacionární dráze ve vzdálenosti 35 800 km od povrchu Země, ze které se začnou v opačných směrech konstruovat lana. Jedno směrem k zemskému povrchu a druhé od něj pryč. K lanu je pak připojen systém, většinou na elektromagnetický pohon, který umožňuje pohyb kabinek po něm. Rozvinutý a dokončený výtah pak může pomocí kabinek velmi efektivně a s nízkými energetickými náklady dopravovat materiál i lidi ze zemského povrchu na různé orbity okolo Země.
Úhlová rychlost pohybu okolo Země je u všech částí výtahu stejná. Orbitální rychlost pak závisí na vzdálenosti od jejího středu. Pokud jde o nízké oběžné dráhy, je potřeba, aby případný výtahem dopravovaný budoucí satelit uvolňovaný na vybrané oběžné dráze měl pohonné jednotky, které zvýší orbitální rychlost z velikosti menší než 3,1 km/s, která je na geostacionární oběžné dráze, na až 7,7 km/s, která je na drahách nejblíže k zemskému povrchu. V případě drah za tou geostacionární se orbitální rychlost musí zmenšit. Pokud dopravíme náklad po laně do vzdálenosti 47000 km od povrchu Země, umožníme mu opustit zemskou přitažlivost a vydat se na meziplanetární dráhu. V každém případě se náklad dostane na cestu k Měsíc a k planetám s menšími energetickými nároky. I když rovníková dráha není ideální start pro cestu k Měsíci či planetám. Vždy je pak potřeba změna roviny dráhy s příslušnými energetickými nároky.
Na vzdálenějším konci se doporučuje mít protiváhu o dostatečné hmotnosti, které umožňuje snížit délku této části lana. Jestliže lano k povrchu Země má délku 35 800 km, tak druhá část směrem od Země by měla mít větší délku, aby se odstředivé a gravitační síly správně kompenzovaly. Celková délka výtahu tak musí být zhruba 144 000 km. Ta se dá zkrátit právě pomocí protizávaží úměrně jeho hmotnosti. Jako protizávaží je možné využít různý vesmírný odpad z vyřazených družic, zařízení využívané pro výstavbu výtahu nebo zachycená planetka.
Samotná družicová základna na geostacionární dráze je gravitačním středem systému a musí mít navijáky, které umožňují manipulovat s délkou lan a udržovat systém v rovnováze a správné poloze. A bude kompenzovat i změny těžiště způsobené pohybem nákladů či některými vnějšími vlivy. Předpokládá se, že bude obsahovat také zařízení pro nakládku a vyložení kosmických lodí a další vybavení. Případně i obyvatelný prostor, možná v podobě rotující struktury s umělou gravitací.
Při cestě ze zemského povrchu na geostacionární dráhu a ještě dále se jedná o vzdálenosti v řádu desítek tisíc kilometrů, kabiny se tak musí pohybovat velmi rychle. Proto se uvažuje o elektromagnetickém pohonu a bezkontaktních systémech typu maglev, které umožňují v realitě rychlosti mnoha stovek a v principu i tisíců km/h. V tomto případě je možné také část energie spotřebované na urychlení kabiny získat zpět při jejím brždění. Podle odhadů má mít doprava nákladu na orbitu velmi nízké energetické nároky, něco okolo 14,8 kWh/kg.
Superpevné materiály pro lana
Základním problémem je získání dostatečně pevného a lehkého materiálu pro lano. Čím těžší materiál je, tím větší síly vznikají. Zároveň musí lano vydržet obrovské namáhání. Naděje se v tomto případě upínají ke grafenovým nanotrubičkám, případně k nanotrubičkám z nitridu bóru či diamantovým vláknům. Dostatečně pevný a lehký materiál lana je tím nejkritičtějším místem projektu. Pevnost materiálu lze zhodnotit podle tržné délky lana, která udává, při jaké jeho délce by v gravitačním poli Země došlo k přetržení. Pro současné limitní materiály, jakými jsou kevlar nebo speciální plasty, je tržná délka mezi 100 až 300 km. Pro srovnání, pro kovy jako titan, ocel nebo hliník je to mezi 20 až 30 km, Zmíněné budoucí materiály z nanotrubiček například grafenu by mohly mít tržnou délku i 5000 až 6000 km.
Grafen je materiál z uhlíku, který se rád spojuje a vytváří i velice komplikované prostorové struktury. V daném případě se dají vytvářet destičky a nanotrubičky o tloušťkách v řádu rozměru atomu. V dané vrstvě jsou atomy uhlíku uspořádány do šestihranné mřížky. O podobné struktuře se uvažovalo a náznaky jednovrstevných struktur uhlíku byly zkoumány již v minulém století. Teprve v roce 2004 však poprvé vyrobili grafen ve větším množství dva fyzikové ruského původu Andre Geim a Konstantin Novoselov, kteří za tento objev dostali v roce 2010 Nobelovu cenu. Modul pružnosti je u něj extrémně velký, jako u diamantu, zároveň však je možné grafen roztáhnout o čtvrtinu jeho délky, jako je tomu třeba u gumy. Grafen je až zhruba 200 krát pevnější než nejpevnější ocel.
Výhodou grafenu jsou jeho různorodé elektrické vlastnosti. Lze jej připravit v podobě vodiče, polovodiče i nevodiče. Lze například využít toho, že na dlouhém lanu z vodivého materiálu, které se pohybuje v magnetickém poli Země, se generuje elektrické napětí a proud. Ještě více se tyto vlastnosti využijí v řadě aplikací v elektronice.
Postupně se zefektivňují metody výroby různých forem grafenu a zlepšují jejich vlastnosti. Dnes už se nanotrubičky produkují ve velkém množství a dobré kvalitě. Přesto je však výroba superpevných lan grafenu se zmiňovanou extrémní tržnou délkou zatím ještě daleko. Přiblížit by jej měl intenzivní výzkum vlastností grafenu a vývoj nových postupů při jeho výrobě. Různé metody umožňují v současné době vyrobit dvojrozměrný film o rozměrech několik centimetrů a atomární tloušťce.
Často se při jeho studiu a hodnocení kvality vyrobeného grafenu využívají i jaderně analytické metody a této oblasti se věnuje třeba i skupiny v Ústavu jaderné fyziky AV ČR.
Ke zlepšení mechanických vlastností by mohlo přispět dosažení optimální třírozměrné konfigurace dvojrozměrné struktury. Zatím jsme na této cestě na začátku. Při konstituování třírozměrné struktury s využitím dvourozměrných šupinek se využívá tlak a vysoké teploty. Dostávají se tak materiály se stále lepšími mechanickými vlastnostmi. Tovární produkce lan se stabilními a zaručenými vlastnostmi však ještě není možná. Další zlepšení by mohlo přinést zabudování grafenové struktury do niklové matrice nebo úplně nové typy materiálů.
Reálné testy dlouhých kabelů a lan ve vesmíru
Připravovala se řada projektů testů platforem vypouštěných z družic na různě dlouhých lanech. Používají se zatím klasické materiály, třeba zmíněný kevlar. Z nich několik se již podařilo s rozdílným stupněm úspěšnosti realizovat. Často byly zaměřeny na studium magnetického pole Země a toků částic. Další uvažované využití má blíže k vesmírnému výtahu. Jde o možnost odstraňování odpadu z ISS pomocí snížení jeho rychlosti a přesun na nižší oběžnou dráhu, kde je hustší atmosféra. Délka lana by v tomto případě byla 100 km. Na dlouhém laně by mohly viset i družice zkoumající atmosféru Země na velmi nízkých oběžných drahách, kde samostatné družice kvůli odporu zbytků atmosféry nemohou obíhat. Možné je také využití toků v plazmě ionosféry ke generování energie pro zajištění jemného manévrování a stabilizace vesmírných objektů. Stejně tak se dá využívat síla, která působí na vodič, v němž teče proud a zároveň se pohybuje v magnetickém poli Země.
Podívejme se na některé projekty podrobněji. Několik realizovala NASA ve spolupráci s dalšími výzkumnými institucemi a využíval se raketoplán nebo stanice ISS. Prvním větším experimentem byl projekt s Italskou vesmírnou agenturou TSS (Tethered Satellite System Mission). V jeho rámci se vypustily dvě sondy. Družice TSS-1 byla vynesena při letu raketoplánu Atlantis (STS-46) začátkem srpna 1992. Délka kabelu se satelitem na konci, která se měla odvinout, byla 20 000 m. Bohužel se však podařila rozvinout pouze 255 m. Pak se lano zaseklo. Experiment měl ukázat, jak se systém s dlouhým lanem chová v gravitačním poli Země a otestovat dynamické vlastnosti takové sestavy. Krátká délka lana neumožnila uskutečnit většinu testů s produkcí elektřiny pomocí vodivého lana. Generované napětí, proud a síly měly totiž příliš malou hodnotu.
Opakování experimentu se uskutečnilo o čtyři roky později v únoru 1996 při letu raketoplánu Columbie (STS-75). Při letu TSS-1R se podařilo rozvinout lano do délky 19,7 km. Tedy téměř úplně, protože celková délka byla 20,7 km. Pak došlo k poškození kabelu pravděpodobně zkratem v místě s poškozenou izolací a satelit se uvolnil. Přesto se ještě před odtržením satelitu podařilo uskutečnit řadu měření interakce magnetického pole a plazmy v okolí Země s takovou soustavou s dlouhým vodivým kabelem. Měření začala v době, kdy se odvinulo 6 km lana. Generovaná hodnota proudu byla 480 mA, což bylo 200krát více než v případě TSS-1.
V letech 1993 a 1994 proběhlo vypuštění tří sond v rámci projektu SEDS (Small Expendable Deployer System). Sondy SEDS I a SEDS II se uvolnily na laně délky 20 km z druhého stupně rakety Delta-II. V prvním případě se testovalo pouze rozvinutí lana a po jednom oběhu byla zátěž odpojena. V případě SEDS II došlo k odtržení po necelých čtyřech dnech po rozvinutí. U družice PMG (Plasma Motor Generator) mělo lano délku 500 metrů. Poprvé se tak ověřila práce systémů s kilometrovými lany, jejich mechanické i elektrodynamické vlastnosti. Právě družice PMG testovala produkci elektřiny.
V roce 1996 byla vypuštěna sestava TiPS (Tether Physics and Survivability Experiment), která se skládala ze dvou těles s označením Ralph a Norton propojených lanem o délce 4000 m. Experiment fungoval až do července 2006, kdy došlo k přetržení lana. Získal se značný soubor experimentálních dat o chování sestavy. Ukázalo se, že systém vydrží řadu let a že brzké odtržení v případě SEDS II bylo spíše nešťastnou událostí.
Japonský projekt KITE (Kounotori Integrated Tether Experiments) je zaměřen na využití vodivého kabelu pro generování elektřiny a síly pro systémy, které by čistily vesmírný prostor v okolí Země od větších kusů odpadu. Jeho úkolem je právě studium reálného elektrodynamické chování systému s dlouhým vodivým kabelem. Délka lana, na jejímž konci je těleso o hmotnosti 20 kg, se předpokládá 700 m. V tomto případě probíhá rozvinutí lana z přístrojové plošiny vypuštěné ze stanice ISS. Kounotori 6 byla dopravena na stanici ISS v prosinci 2016, samotné uvolňování plošiny proběhlo koncem ledna 2017. Rozvinout lano se však nepodařilo.
Je vidět, že prozatím se podařilo realizovat pouze první krůčky v testech lan. Ty jsou zatím velmi krátká a i zátěže na jejich konci jsou většinou velmi lehké. Částečné úspěchy však potvrzují předpoklady a naznačují, že technologie, které se mají využívat v případě vesmírného výtahu, jsou perspektivní a dosažitelné.
Pozemní stanice, případně věž do vesmíru
Velkou výzvou je i základna, kde by byl vesmírný výtah ukotven. Problémem jsou udržení stability celého systému a také způsoby, jak bude systém čelit katastrofickým jevům v atmosféře, jako jsou velké bouře, vichřice a další události. Zde je výhodou, že na rovníku, kde by měl vesmírný výtah končit, je takových katastrofický zvratů v počasí méně.
Jednou z možností je, že by základna na pozemském konci byla mobilní, například velké plavidlo umístěné v rovníkových částech oceánu. Další výhodou mobilního zařízení je, že se zjednoduší vyhýbání kosmickému smetí. Výhodnou polohou na pevnině by byl vysoký kopec.
Pozemní stanicí by mohla být i velmi vysoká věž. To by mohlo zjednodušit situaci s ukotvením lana i jeho ochranou a stabilitou, neprocházelo by hustými vrstvami atmosféry. O věžích, které by dosahovaly výšky až 20 km a tím až za hranice nejhustších vrstev atmosféry, se uvažuje i při ulehčení startu raket a snížení ceny vynesení nákladu do vesmíru. Připomeňme, že v současnosti je nejvyšší budovou na světě Burdž Chalífa v Dubaji s výškou 828 m. Ve výstavbě je Jeddah Tower v Saudské Arábii s výškou 1008 m. Z klasických materiálů dnes dokážeme v principu postavit budovu o výšce i několik kilometrů. Současné omezení výšky je dáno smysluplností velmi vysokých budov a ekonomickými důvody, nikoliv nemožností jejich postavení. Nové materiály a technologii by v budoucnu mohly umožnit stavět snadno budovy o výšce desítky i stovky kilometrů. V tomto případě je velmi důležitý poměr mezi základnou a výškou. I v současné době lze v principu vybudovat i extrémně vysoké budovy při dostatečně širokých základech.
V některých úvahách se předpokládá na několika takových věžích vybudovat půloblouk končící ve výšce 15 km. S využitím elektromagnetického pohonu maglev by se získala část potřebné rychlosti a nosič by se dopravil do výšky nad 83 % zemské atmosféry. Ulehčilo by se tak dosažení nízké oběžné dráhy okolo Země.
Pohon výtahu
V principu lze i u vesmírného výtahu využít mechanického mechanismu pro vynášení nákladu, jako je mají výtahy klasické. Nevýhodou u nich je, že musí mít kola, koleje a možné jejich rychlosti jsou omezené. Proto se uvažuje o některém z elektromagnetických principů pohonu. Ten umožňuje bezdotykový pohyb kabiny a tím i velmi vysoké rychlosti. Vysoká rychlost je velmi důležitá u klasického vesmírného výtahu, kde je třeba překonat vzdálenosti v řádu tisíců kilometrů. Pro přepravu s menším zrychlením do 3 g se předpokládá využití systémů maglev, které jsou vhodné pro přepravu osob a křehkého nákladu. K mnohem rychlejší přepravě odolného nákladu by mohl sloužit systém elektromagnetického děla, kdy se dosahuje vysokých zrychlení. Výhodou elektromagnetického pohonu je i to, že část energie použité na urychlování kapsle lze opět získat při brždění.
Systémy typu maglev využívají levitaci na magnetickém polštáři vytvářeném nejčastěji supravodivými magnety zabudovanými v trati i ve vozidle. Pohon je zajištěný lineárními indukčními motory. V pozemské praxi se testuje a už i využívá pro rychlou dopravu, která by mohla postupně konkurovat letecké. JR-Maglev je provozován na zkušební trati v Japonsku a v Německu fungovalo podobné zařízení M-Bahn v letech 1984 až 1991. V reálném provozu je od roku 2004 německý systém Transrapid v Šanghaji. V provozu dosahuje 420 km/h, při testech přes 500 km/h a překonal i 600 km/h. Cesta na letiště dlouhá 30 km tak trvá celkově 8 minut. Druhý čínský maglev ve městě Changsha byl uveden do provozu v roce 2016. Jde o pomalý typ s rychlosti do 120 km/h. V Japonsku byl v rámci Světového Expa postaven relativně pomalý maglev Linimo. V roce 2016 začal v Jižní Koreji pracovat systém Incheon Airport Maglev, jehož operační rychlost je 110 km/h.
Maglev může dosahovat rychlostí až několik 1000 km/h v případě, že by se pohyboval v tunelu se sníženým tlakem vzduchu. Hlavním problémem je totiž aerodynamický odpor. Při využití tunelu by měl tento systém konkurovat letecké dopravě. Na stejném principu jako maglev může být založeno zařízení, které bude dopravovat náklad a lidi ne v horizontálním, ale vertikálním směru. Systém by umožňoval dopravu nákladu do velkých výšek až nad zemskou atmosféru. Zařízení nemusí mít příliš velké zrychlení, protože dráha pro urychlení je relativně dlouhá. V tomto případě by dosahované rychlosti mohly být i vyšší než u klasického maglevu. Na systému využívajícího elektromagnetický pohon dosahujícího rychlosti až 1000 km/h v tunelu se sníženým tlakem vzduchu pod názvem hyperloop pracuje i Elon Musk. Jeho společnost Hyperloop One dokončuje první testovací moduly a připravuje testovací dráhu.
Další možností, která by se dala využít v případě odolného nákladu, jsou systémy s intenzivním urychlováním. V tomto případě je zrychlení mnoho g a systém nelze použít pro přepravu lidí. Použil by se princip elektromagnetického děla (railgun), někdy označovaný jako kolejnicové elektromagnetické dělo. Další možností je Gaussovo dělo (coil gun), které se také označuje jako elektromagnetická puška nebo pulsní urychlovač feromagnetických projektilů. Zbraňová terminologie je v tomto případě využívána proto, že na konci urychlovacího systému má urychlované těleso rychlost srovnatelnou s rychlostí náboje opouštějícího ústí děla či pušky. V tomto případě se tak vracím k cestě na měsíc s využitím děla, které popsal ve své knize Jules Verne.
K urychlování se ovšem využívá elektromagnetické pole, takže v tomto směru je situace podobná urychlovači částic, jen urychlovaný objekt je o mnoho řádů těžší. Elektromagnetické dělo využívá Lorentzovy síly, která působí na pohybující se náboj a tedy i vodič, ve kterém teče proud, v případě, že jsou umístěny v magnetickém poli. Velký proud v jednotlivých kolejnicích hlavně elektromagnetického děla teče opačným směrem a mezi nimi se vytváří téměř homogenní magnetické pole, které intenzivní Lorentzovou silou působí na proud tekoucí v plazmě od jedné kolejnice ke druhé. Plazma pak žene urychlovaný objekt. V případě Gaussova děla je střela z magnetického materiálu urychlována elektromagnetickou indukcí pomocí elektromagnetických cívek.
V poslední době nastal v této oblasti hlavně díky zájmu americké armády značný rozvoj. Ta má zájem využívat děla na tomto principu k vystřelování nábojů s extrémními rychlostmi, takže by prorážely pancíře a ničily díky své vysoké rychlosti a kinetické energii. Při testech s elektromagnetickým dělem dosahují vystřelené náboje běžně rychlosti přes 6 000 km/h, podařilo se překonat hranici 7000 km/h, to už je téměř 2 km/s, a dosáhnout pro náboj o hmotnosti 3,2 kg i rychlosti 9000 km/h, což je 2,5 km/s. A například úniková rychlost z povrchu Měsíce je jen 2,36 km/s. Taková elektromagnetická děla by se tak v principu dala využívat k dopravě materiálu z povrchu Měsíce do kosmu. Menší hmotnosti už současné technologie dokáží urychlit i na vyšší rychlosti a v budoucnu jsou v principu dosažitelné i rychlosti 10 km/s.
Základní problémy, na které se naráží, je velmi vysoké mechanické a tepelné namáhání kolejnic. Působí na ně elektrický oblouk a jeho plazma vytvořené tokem proudu mezi kolejnicemi. Zároveň také urychlovaný náboj, který už v hlavni dosahuje extrémních rychlostí. Elektromagnetické dělo potřebuje velmi vysoký výkon. To je důvod, proč se v prototypových verzích objevuje až v posledních letech a jeho zavedení do výzbroje se teprve připravuje a je možné pouze na lodích s jaderné zdroje energie, které jsou schopné zajistit dostatečný elektrický výkon. Větší kapsle, které budou potřeba u vesmírného výtahu, budou klást ještě vyšší nároky.
Provoz přepravního systému vesmírného výtahu tak bude mít značné nároky na elektrický výkon. Nejjednodušším zdrojem elektřiny by mohly být fotovoltaické panely. Lano kosmického výtahu by se dalo využít i pro dopravu elektřiny vyrobené velkými fotovoltaickými elektrárnami na oběžné dráze na zemský povrch. Další možností získání dodatečného zdroje elektřiny je využití plazmy v okolí Země a pohybu dlouhých vodičů v magnetické poli Země.
Výtah mezi různými oběžnými drahami
Kromě klasického vesmírného výtahu využívajícího základnu na geostacionární dráze existují i jednodušší varianty těchto zařízení. Menší typ vesmírného výtahu může spojovat oblast těsně nad hranicemi hustších vrstev atmosféry a relativně nízké oběžné dráhy. V tomto případě je centrální stanice a gravitační střed systému na relativně nízké oběžné dráze. Od něj by pak vybíhalo jedno lano směrem k zemskému povrchu a jedno směrem opačným.
Při využití přepravy nákladu zachyceného koncem lana blízko povrchu Země se sníží orbitální rychlost, kterou je potřeba udělit tělesu při vypouštění. Takový výtah by se v principu mohl vybudovat už s využitím současných materiálů jen s pomocí rozšiřování tloušťky lana směrem k družicové základně. Výtah by pravidelně prolétal nad daným místem a zde by k němu byl ze zemského povrchu vypouštěn náklad. Byl by zachycen a přepraven na druhý konec výtahu. V tomto případě lze spojit využití vystřelování nákladu pomocí elektromagnetického děla a jeho přenesení na vyšší orbitu pomocí vesmírného výtahu.
Měsíční i marsovský výtah
Pro lehčí tělesa ve Sluneční soustavě, jako je například Měsíc, nemusí být lano až tak pevné a požadované vlastnosti už mají současné materiály. Jde například o kevlar s hustotu 1440 kg/m3. Měsíc je navíc velmi blízko Země. Pokud suroviny z něj budou uplatnitelné ve vesmíru, tak je jejich velmi přirozeným zdrojem. Je tak možné, že měsíční vesmírný výtah předběhne ten pozemský. Na druhé straně máme ovšem pro dopravu materiálů z měsíčního povrchu více konkurujících možností. Už bylo zmíněno elektromagnetické dělo, u něhož se už nyní daří dosahovat potřebných rychlostí projektilů a s výhodou se využije toho, že na Měsíci je vakuum.
Dalším tělesem, u kterého se nejen ve sci-fi uvažuje o vesmírném výtahu, je Mars. Zde je opět nejzajímavější výtah za základnou na synchronní dráze, tentokrát na aresynchronní. Takový je například popsán právě v cyklu Kim Staleye Robinsona o kolonizaci Marsu.
Další možností by byly kratší nesynchronní výtahy, jejichž základny by byly na měsících Marsu Phobosu a Deimosu. Ty by umožňovaly postupný efektivní přesun nákladu mezi různými orbitálními drahami okolo Marsu a nakonec doprava mezi povrchem Marsu a různými orbitami kolem něj.
Některá rizika a jak jim čelit
První možnost ohrožení se týká pozemní základny a vlivu katastrofických jevů vznikajících při prudkých změnách počasí, zemětřeseních nebo vlnách cunami. Z tohoto hlediska je výhodou to, že pro kosmický výtah je důležité mít pozemní stanici na rovníku. Rovník je totiž z hlediska povětrnostních výkyvů a dramatických událostí spíše stabilnější. Oceánské rovníkové proudy se většinou pohybují z východu na západ, kromě výjimky těsně u povrchu, kde protéká teplý rovníkový protiproud, který teče od západu na východ.
V rovníkových oblastech je i rychlost větrného proudění nižší a stabilnější. Teploty se tam také nemění v příliš velkém rozsahu. Pochopitelně, že mrazivé počasí a ledové krystalky či pokryv jsou i zde možné ve výškách 4 až 5 km. Konstrukce tak na to musí být připravena. Postupnou degradaci materiálů může způsobit atomární kyslík, ionosférické plazma, nabité částice v různých vzdálenostech od Země a také ultrafialové záření. Je však třeba připomenout, že s tímto jsme se dokázali vypořádat u řady současných družic a vesmírných sond. Vesmírný výtah by měl fungovat velmi dlouhou dobu, takže je potřeba počítat s jeho údržbou.
Jedním z největších rizik je kosmické smetí na oběžných drahách okolo Země a meteority. S rostoucí intenzitou využívání družic Země přibývá hlavně na nižších oběžných drahách velký počet menších i větších těles. V současné době se sleduje téměř deset tisíc objektů větších než 10 cm. Z nich je pouze něco mezi 300 až 400 fungujících zařízení. Zbytek jsou nefungující družice, zbytky nosných zařízení a pozůstatky různých srážek.
Malých kousků materiálů s průměrem menším než 1 mm je nespočetně. Mohou však způsobovat pouze postupnou erozi povrchu různých částí zařízení. Již zmíněná tělesa z rozměrem nad 10 cm lze sledovat a dostatečně včas lze před nimi varovat. Největším nebezpečím tak jsou právě tělesa mezi 1 mm až 10 cm. Jsou těžko pozorovatelná současnými technikami a mohou způsobit v případě srážky masivní poškození komponent vesmírného výtahu.
Konstrukce vesmírného výtahu je velmi masivní a představuje tak velkou plochu vystavenou riziku srážky se zmíněnými objekty. Před jeho stavbou tak bude potřeba vyřešit problém s čištěním nízkých oběžných drah od vesmírného odpadu.
V případě aktivních družic bude potřeba počítat s jejich koexistencí s vesmírným výtahem. Družice i vesmírný výtah tak musí mít možnost se aktivně kolizím vyhýbat. Družice na nižších oběžných drahách totiž kříží rovník několikrát za den. Lze předpokládat, že v budoucnu zvláště třeba s rozvojem GPS a vesmírných komunikací navíc jejich počet poroste a bude dosahovat tisíců. Vesmírná stanice ISS má například oběžnou dobu zhruba 90 minut a rovník kříží každých 45 minut, to znamená zhruba 32krát za den a 11 680krát za rok. Je tak jasné, že plánování různých vesmírných aktivit je třeba koordinovat. Znamená to, že dráhy družic a výtahu je třeba znát s vysokou přesností a na dlouho dopředu, aby bylo možné velikost nutného aktivního vyhýbání snížit na rozumnou míru. Celá konstrukce tak nesmí být úplně pevná a tuhá, ale musí umožňovat pohyb části konstrukce, případně jeho kmity, které umožní nejen zmíněné vyrovnávání posunu těžiště, ale také předcházení kolizím s družicemi a jinými tělesy.
Problémy spojené s riziky kolizí by měly být řešitelné. Je však třeba přesto počítat i s katastrofální destrukcí systému. Hlavně kabiny přepravující lidi by měly mít dostatečné rezervy v zásobování energií i vzduchu v případě uvolnění. Jejich autonomní záchranná pohonná jednotka by měla umožnit zakotvení na oběžné dráze okolo Země. To znamená zabránit zvýšením orbitální rychlosti nekontrolovanému pádu kabin, které budou ve vzdálenosti do 25 000 km od zemského povrchu, do zemské atmosféry. Tyto kabiny mohou být konstruovány tak, že dokáží samotné řízeně přistát nebo se usadí na dostatečně stabilní dráhu, aby vydržely do příletu záchranné mise. Vzdálenost kabiny od povrchu mezi 25 000 km a 47 000 km znamená, že zůstane na zemské orbitě. Kabiny ve vzdálenosti od povrchu větší než 47 000 km musí být naopak schopny snížit rychlost, aby se usadily na dráze vhodné pro záchrannou misi a neopustily zemské gravitační pole.
Závěr
„Ale všechno se zdálo probíhat tak dobře, jak jen si bylo možno přát; a v příštích hodinách skutečně neměl nic lepšího na práci než kochat se stále se šířícím rozhledem. Dosáhl už výše třiceti kilometrů a neslyšně a rychle stoupal tropickou nocí dál. Měsíc nebyl nad obzorem, ale zemský povrch pod ním se prozrazoval mihotavými souhvězdími svých měst a vesniček.“
A. C. Clark: Rajské fontány
Vesmírný výtah by byl jedním z největších konstrukčních děl, které jsou pro současnou civilizaci v principu v dosahu. Pokud by se realizoval, mohl by dramaticky snížit náklady přepravy materiálů na různé oběžné dráhy okolo Země i ven z jejího gravitačního pole. Tato doprava by byla na úrovni podobné železniční dopravě na zemském povrchu. Potřebný pokrok technologií pro jeho realizaci je sice značný, ale je dostupný v relativně blízké budoucnosti.
Obrovskou výhodou je, že většina potřebných technologií má uplatnění i v jiných oblastech a jejich vývoj neprobíhá jen kvůli vesmírnému výtahu. Superpevné materiály, jako je grafen, mohou znamenat zlom v konstrukcích i pozemských staveb. Maglev, elektromagnetické dělo a další elektromagnetické dopravní systémy by mohly znamenat zlom i v pozemské dopravě. Extrémně vysoké budovy a konstrukce jsou stále častější významnou součástí některých metropolí a řada architektů představila i velmi odvážné plány na celá města v jedné výškové budově. Velmi důležitý je i rozvoj schopností budovat velké vesmírné konstrukce na oběžné dráze.
Kosmický výtah není sice systémem, který umožňuje dopravu k nejbližším hvězdám. Je však jasné, že se budoucí hvězdolety budou stavět ve vesmírném prostoru a nelze o nich uvažovat bez vyřešení problému s dopravou materiálu ze Země a dalších těles Sluneční soustavy do vesmíru. I z tohoto důvodu je článek součástí cyklu, který se zabývá možností mezihvězdného cestování. Další články jsou zaměřeny na využití jaderných zdrojů, slunečních plachetnic, gravitačního praku, mikrovlnného pohonu, slunečních baterií, klasickým raketových motorů a ochraně před radiací.
Psáno pro servery Osel a Kosmonautix.
Doporučená literatura
D.V. Smitherman Jr.: Space Elevators, An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium, NASA/CP-2000-210429, 2000
M. L. Cosmo, E. C. Lorenzini: Tethers In Space Handbook, third edition, prosinec 1997, také předchozí vydání z roku 1989
Všem účastníkům děkuji za zajímavou a dlouhou diskuzi. Zvláště pak Pavlu Brožovi, který v obsáhlých, trpělivých a velice srozumitelně napsaných vysvětleních objasnil řadu problémů a nejasností u čtenářů. Pomohl mi tak korigovat i některé nepřesnosti a neobratnosti v textu článku, kterých jsem se dopustil. Hlavně jej však doplnil pro vážnější zájemce v řadě oblastí o přesnější fyzikální a matematický rozbor. A také hodnoty, které ukazují poměr sil, napětí a energií. Je tak možné si udělat lepší představu, co a jak bude pohyb výtahu a jeho parametry ovlivňovat. Na závěr bych si ještě dovolil doplnit graf ukazující, jakou energii je třeba dodat kabině o hmotnosti 20 tun, aby se dostala do různých částí výtahu. Tuto energii by měla kabina získávat ze svého elektrického pohonu a částečně také z rotace Země (ovšem tato energie je vůči celkové hodnotě energie rotace Země zanedbatelná).
A na úplný závěr bych chtěl zdůraznit. Vesmírný výtah je zatím v oblasti vědecké fantastiky. Ani já a ani Pavel Brož nevíme, jestli jej nakonec někdy v spíše daleké budoucnosti bude možné realizovat, nebo se ukáží nepřekonatelné technologické překážky v jeho konstrukci. Na druhé straně je to velmi zajímavý koncept a vize, která se dotýká řady technologických výzev zajímavých pro řadu oborů. Například i v našem ústavu (Ústav jaderné fyziky AV ČR) se zabýváme studiem vlastnosti grafenu pomocí jaderných analytických metod a snažíme se pomoci při hledání cest pro jeho výrobu v masivním měřítku pro využití jeho zajímavých vlastností.