Winda Kosmiczna

Wersja z 08:33, 11 cze 2012

Winda kosmiczna to proponowana megakonstrukcja, służąca do wynoszenia obiektów z powierzchni ciała niebieskiego w przestrzeń kosmiczną. W literaturze nazywana również:

• satelitą na uwięzi,
• kosmicznym mostem lub
• wieżą orbitalną.

Istnieje kilka koncepcji działania takiej windy. Najpopularniejsza zakłada opuszczenie z satelity na orbicie geostacjonarnej liny lub wstęgi, aż do powierzchni ciała niebieskiego. Odpowiednio zaprojektowane pojazdy mogłyby wspinać się po tej linie, osiągając orbitę znacznie taniej niż przy użyciu rakiet. Budowa takiej windy na Ziemi wymagałaby jednak liny, która nie zerwałaby się pod własnym ciężarem na długości 36 tysięcy kilometrów. Żadne współcześnie wytwarzane materiały nie spełniają tego wymagania. Potencjalnie jednak włókna wykonane z nanorurek węglowych mogłyby je spełnić, i obecnie trwają intensywne prace nad uzyskaniem takich włókien. Współczesna technologia umożliwia zbudowanie wind na ciałach o mniejszej grawitacji, takich jak Mars albo Księżyc

Konstrukcja

Większość projektów windy kosmicznej zawiera jako najistotniejsze elementy podstawę, linę, pojazdy wspinające i przeciwwagę.

Punkt zakotwiczenia

Środek ciężkości windy musi znajdować się na orbicie geostacjonarnej (około 35 786 km nad równikiem). Punkt zakotwiczenia liny powinien być zatem położony blisko równika, aby zminimalizować dodatkowe naprężenia. Tam też należy umieścić większość infrastruktury niezbędnej do obsługiwania windy, w szczególności załadunku i rozładunku pojazdów wspinających. Zasadniczo rozważa się dwa typy podstawy:

• mobilną (na ogół są projektowane jako wielkie pływające konstrukcje),
• stacjonarną (zwykle budowle umieszczone na dużych wysokościach nad poziomem morza).

Lina i jej kształt

Lina łącząca satelitę z podstawą musi zostać wykonana z materiału o gigantycznej wytrzymałości na rozciąganie i możliwie małej gęstości. Aby zrównoważyć naprężenia, grubość liny powinna powoli rosnąć wraz z wysokością i osiągać maksimum na wysokości orbity geostacjonarnej.

Z powodu różnicy naprężeń na różnych wysokościach, grubość liny będzie musiała się zmieniać w ściśle określony sposób, tak aby oprócz wynoszonego ładunku utrzymywać ciężar liny poniżej. Uwzględniając grawitację i siłę odśrodkową, można pokazać, że przekrój liny powinien zmieniać się z wysokością w ścisłej korelacji z parametrami orbitalnymi.

Aby koszty całej windy były akceptowalne, grubość nie może wzrosnąć zbyt wiele razy. Oznacza to, że potrzebny jest tani i lekki materiał o dużej wytrzymałości na rozciąganie (~30-50 MN·m/kgObecnie dla najlepszej stali współczynnik ten wynosi poniżej 1 MN·m/kg, dla Kevlaru do 2 MN·m/kg, natomiast dla włókna wykonanego z czystego diamentu wyniósłby około 6-8 MN·m/kg.

Nanorurki węglowe są obecnie jednymi z najwytrzymalszych znanych materiałów i teoretycznie mogłyby spełnić stawiane tu wymagania. Teoretyczne obliczenia wskazują na możliwość osiągnięcia powyżej 100 MN·m/kg.

Transport ładunków

Z uwagi na zmienną grubość liny, winda kosmiczna nie mogłaby wciągać ładunków w standardowy sposób, przez wciąganie całej liny. Zamiast tego proponuje się użycie samodzielnych pojazdów wjeżdżających po linie. Ich sposób wspinania się mógłby być różnoraki: od rolek obejmujących linę, przez różne rodzaje haków, do poduszki magnetycznej.

Dużym problemem będzie zasilanie takich pojazdów. Jeśli musiałyby zabierać ze sobą paliwo na całą drogę, zysk z użycia windy byłby niewielki. Rozważa się zasilanie ich za pomocą:

• wiązki laserowej lub mikrofalowej wysyłanej z powierzchni;
• przekazywania energii bezpośrednio za pomocą liny;
• przekazywanie części energii wjeżdżającym wagonom przez zjeżdżające.

Przeciwwaga

Są dwie główne metody uzyskania środka ciężkości windy na orbicie geostacjonarnej: przyholowanie na orbitę, nieco powyżej geostacjonarnej, dużego obiektu (np. asteroidy) i przymocowanie windy do niego, lub rozciągnięcie liny daleko poza tę orbitę. Druga możliwość wymaga znacznie więcej liny (144 000 km), ale jest też znacznie prostsza w realizacji. Dodatkowo daje możliwość użycia liny do wystrzeliwania pojazdów na odległe misje kosmiczne. Kontynuując wspinaczkę powyżej orbity geostacjonarnej, na przeciwległym końcu liny pojazdy opuszczałyby windę z prędkością pozwalającą na osiągnięcie II prędkości kosmicznej.

Zasada działania

Ładunek wjeżdżający windą nabierałby nie tylko wysokości, ale również prędkości w poziomie, proporcjonalnej do odległości od środka Ziemi. Tym samym uzyskiwałby moment pędu, zabierając go Ziemi. Wciągając się po linie, pojazd ciągnąłby ją dodatkowo lekko w kierunku zachodnim (przeciwnie do jej ruchu obrotowego). Przy prędkości 200 km/h oznaczałoby to odchylenie dolnej partii liny o około 1 stopień od pionu. Naprężona lina ciągnęłaby pojazd na wschód, przenosząc tę siłę na podstawę, ciągnąc ją na zachód. Odwrotne siły działałyby przy zjeżdżaniu ładunku z orbity. W obu przypadkach naciąg liny wywołany siłą odśrodkową działającą na przeciwwagę przeciwdziałałby odchyleniu windy od pionu.

Powyżej orbity geostacjonarnej ładunek byłby wypychany w górę liny przez samą siłę odśrodkową. Jeśli rozpędzałby się swobodnie do końca przeciwwagi, przekazany mu przez ten czas moment pędu przełożyłby się na prędkość pozwalającą opuścić pole grawitacyjne Ziemi i dolecieć aż do Saturna. Aby uzyskiwać jeszcze większe prędkości, można zaprojektować dłuższą przeciwwagę (np. z cieńszej liny). Należałoby przy tym jednak uwzględnić obecność Księżyca i jego wpływ na windę.

Możliwe problemy

Odniesienia w literturze SF

Zobacz też:

• megastruktura