تبدو فكرة تمهيد الطريق إلى السماء بالمعنى الحرفي للكلمة رومانسية جدًا لدرجة أن الكثيرين ، عندما سمعوا لأول مرة عن مصعد الفضاء ، اعتقدوا أن هذه هي حيل كتاب الخيال العلمي. في الواقع ، بين الخبراء (خاصة علماء المواد) لا يوجد حتى الآن تقييم واضح لجدوى مثل هذه المشاريع - على الأقل في العقود القادمة.
ومع ذلك ، فإن وكالة الفضاء الأمريكية ناسا تنفق الكثير من الأموال على التطورات في هذا الاتجاه. حتى أن هناك مسابقات خاصة في "الحبل" و "القطار الجبلي المائل" المصممة لتحديد مجموعات البحث التي من المنطقي تقديم المزيد من الدعم لها.
في السنوات الأخيرة ، واجهت الأحلام المعتادة للتوسع غير المحدود للفضاء للبشرية أزمة (أو بشكل أكثر دقة ، ركودًا) في تقنيات توصيل البضائع والأشخاص إلى الفضاء. لا يمكن الجمع بين متطلبات سلامة الطيران الصارمة والجدوى الاقتصادية. حتى أن الرؤساء الأكثر سخونة يطالبون بالتخلي عن الرحلات المأهولة تمامًا ، لأنها باهظة الثمن بشكل غير معقول ويصاحبها خسائر بشرية لا مفر منها. البديل الواقعي الوحيد للصواريخ الذي تم اختراعه خلال نصف القرن الماضي هو مصعد الفضاء - جسر أو حبل يمتد من سطح الأرض إلى المدار.
يمكن للقمر الصناعي في مدار منخفض أن يتحرك بسرعة حوالي 8 كم / ثانية وأن يدور حول الأرض في مدار 1.5 ساعة. ولكن كلما ارتفعنا فوق الأرض ، كلما ضعفت الجاذبية ، وكلما كان القمر الصناعي يتحرك بشكل أبطأ ، كلما استغرق الأمر وقتًا أطول للدوران حول الكوكب بأكمله. على ارتفاع 35786 كم فوق خط الاستواء ، تتم مقارنة الفترة المدارية للقمر الصناعي بفترة دوران الأرض - وهذا ما يسمى بالمدار الثابت بالنسبة للأرض. جسم في مثل هذا المدار يحوم بلا حراك فوق نقطة واحدة على سطح الأرض. إذا قمت بمد حبل طويل وقوي جدًا إليه ، فيمكنك الصعود إلى السماء والنزول مرة أخرى دون استخدام صواريخ باهظة الثمن وخطيرة.
بطبيعة الحال ، فإن وزن هذا "المقود" سوف يسحب مثل هذا الهيكل إلى الأرض. لذلك ، يجب تعويضه عن طريق توجيه الحبل أبعد من ذلك إلى الفضاء وتثبيت ثقل موازن في النهاية البعيدة. يدور حول الأرض ، مثل الحجر المضمن في حبال ، سيوفر توترًا مستقرًا للرباط بأكمله.
في الأرض ، يمكن ربط قاعدة الحبل ، على سبيل المثال ، ببرج عالٍ جدًا أو بمنصة عائمة في المحيط. لكل من هذه الخيارات مزاياها: يمكن للبرج أن ينقذ من تقلبات الغلاف الجوي السفلي المضطرب ، وستسمح لنا منصة المحيط بإجراء مناورات مراوغة إذا هدد إعصار أو عاصفة رعدية حبلنا. لكن تثبيت الكبل في الجزء السفلي على أي حال لا ينبغي أن يكون جامدًا ، بحيث لا ينفجر عند حدوث الاهتزازات.
كابل بسمك الكون
منذ بداية فكرة المصعد الفضائي ، كان من الواضح أن المواد الموجودة تحت تصرف الإنسان لن تصمد أمام الأحمال المجنونة التي قد يتعرض لها "نسيج العنكبوت" الذي يتم إطلاقه من الفضاء. وفقًا للمعادلات التي تم الحصول عليها ، فإن سماكة الرابطة المثلى مع المسافة من الأرض تنمو أولاً أضعافًا مضاعفة ، ثم على ارتفاع نصفين أو ثلاثة من نصف قطر الأرض ، حيث تعوض قوة الطرد المركزي عن الجاذبية ، يتباطأ نمو السُمك ، وأخيراً ، بالقرب من المدار الثابت بالنسبة للأرض ، تصبح السماكة ثابتة.
السؤال الرئيسي في تكنولوجيا المصاعد الفضائية هو مدى ثخانة الحبل في الأعلى. تظهر الحسابات أن سمكها يعتمد بشكل كبير على خصائص المادة - قوتها وكثافتها. إذا كنت تستخدم الفولاذ العادي (الكثافة 7 ، 8 جم / سم 3 ، قوة الشد 2 جيجا باسكال ، والتي تتوافق مع ضغط 20 ألف ضغط جوي) ، فإن السماكة المحسوبة ستتجاوز الأبعاد المرئية للكون ، الأمر الذي يحرم ببساطة حساب المادية المعنى.من غير الواقعي تمامًا بناء مصعد فضائي حتى من أفضل درجات الصلب (5 جيجا باسكال). ولكن إذا قمت بزيادة القوة عدة مرات وتقليل كثافة المادة ، فإن النتيجة تتغير بشكل كبير.
على سبيل المثال ، مع المواد المعروفة بالفعل للبشرية - حرير العنكبوت (1.3 جيجا باسكال بكثافة 1.2 جم / سم 3) ، ألياف الكربون الزجاجية (2-5 جيجا باسكال عند 1.9 جم / سم 3) ، كيفلر (3.6 جيجا باسكال ، 1 ، 4 جم / سم 3) - يتم الحصول على سمك الكابل في الجزء العلوي من مئات الكيلومترات إلى عشرة أمتار فقط. ومع ذلك ، من وجهة نظر هندسية واقتصادية ، فإن مثل هذا المشروع لا يزال غير واقعي. في الواقع ، كان الافتقار إلى المواد المناسبة هو بالضبط ما أدى إلى حقيقة أن المصاعد استقرت لفترة طويلة حصريًا على صفحات الأدب الخيالي.
حصلت فكرة المصعد الفضائي على رياحها الثانية مع ظهور مواد جديدة في الأساس عام 1991 - الأنابيب النانوية الكربونية. هذه هياكل أسطوانية ممتدة يبلغ قطرها بضعة نانومترات. يمكن وصفها بأنها صفائح مسطحة من الجرافيت بسمك أحادي الجزيء ملفوفة في أنبوب رفيع (على الرغم من أن الأنابيب النانوية في الواقع تتشكل بشكل مختلف). في مستوى طبقة الجرافيت ، ترتبط ذرات الكربون بشبكة سداسية (سداسية) مميزة ذات قوة عالية ، والتي ورثتها أيضًا الأنابيب النانوية. من حيث قوة شدها ، فهي تفوق على الفولاذ بأكثر من مرتبة من حيث الحجم ، وفي نفس الوقت ، لها كثافة أقل بست مرات. خيط بقطر مليمتر ، يتكون من أنابيب نانوية ، يمكنه نظريًا تحمل حمولة 60 طنًا (قوة الانهيار 60 جيجا باسكال) وأكثر - الرقم الأكثر تفاؤلاً الوارد في الأدبيات الخاصة هو 300 جيجا باسكال.
لكن المهم هو أنه لا أحد يعرف اليوم كيف يصنع الخيوط من الأنابيب النانوية. يتم قياس طول الأنابيب التي يمكن الحصول عليها بالميكرونات ، في أحسن الأحوال ، بالمليمترات ، وليس هناك ما يضمن أن معلمات خيوط الأنابيب النانوية ستصل أبدًا إلى القيم النظرية. أولاً ، حتى أفضل الخيط سيكون ، بالطبع ، أقل قوة بشكل ملحوظ من أليافه الفردية. ثانيًا ، تؤثر عيوب الشبكة البلورية على قوة الأنابيب بأكثر طريقة يرثى لها. وفقًا لبعض العلماء ، فإن هذه العيوب الحتمية ستصبح عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام مصعد الفضاء. في الواقع ، حتى لو تعلمنا في ظل الظروف المثالية صنع ألياف مثالية ، فإن الضرر الناجم عن النيازك الدقيقة والأشعة الكونية ، والتآكل تحت تأثير الأكسجين الجوي يمكن أن يبطل كل الجهود.
إذا حاولنا استبدال معلمات الأنابيب النانوية الكربونية في الصيغ ، فسيكون الجزء العلوي من الكبل أكثر سمكًا بنسبة 20-50٪ فقط من الجزء السفلي. وهذا يعني أن الحبل على شكل شريط بسماكة ورقة ، لن يتجاوز عدة عشرات من السنتيمترات ، حتى في أوسع نقطة له.
التسلق على شعاع الليزر
هناك مشكلة رئيسية أخرى يجب حلها وهي إنشاء مصاعد سريعة وخفيفة قادرة على تسلق كابل لا يقل عن 36 ألف كيلومتر (في ذروة المدار الثابت بالنسبة للأرض). في الواقع ، تكمن الصعوبة في عدم وجود إمدادات طاقة كثيفة الاستهلاك للطاقة بشكل كافٍ. بعد كل شيء ، فإن استهلاك الطاقة للتغلب على الجاذبية في الطريق إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض هو 49 ميغا جول لكل كيلوغرام (هذا لا يحسب خسائر الطاقة الحتمية). للمقارنة: عندما يتم حرق كيلوغرام من خليط وقود الهيدروجين والأكسجين ، يتم إطلاق 16 ميغا جول فقط. هذا لا يعني أن المصعد الفضائي لن يكون قادرًا على العمل على الوقود الكيميائي من حيث المبدأ ، ولكن من حيث كفاءته سيكون عندئذٍ مشابهًا للصواريخ نفسها ، التي تضطر إلى حرق كمية هائلة من الوقود وتفريغ المراحل المستهلكة. لإطلاق حمولة. بل هو أسوأ مع البطاريات ، والتي ، بالطبع ، لا يمكن التخلص منها في كل مرة في الطريق إلى النجوم. على الرغم من إمكانية وجود خدعة أيضًا: يمكن للكبائن المتدلية مشاركة الكهرباء المتولدة أثناء الهبوط مع نظيراتها.لكن كل هذا يفرض قيودًا صارمة للغاية على منظمي حركة الشحن.
لذلك ، سيتلقى المصعد الطاقة لعمله (على الأقل في البداية) بشكل أساسي من الأرض. اقترح مخترع مفهوم المصعد الفضائي ، يوري أرتسوتانوف ، توفير الكهرباء من خلال أشرطة معدنية منسوجة في الحبل. ومع ذلك ، في المرحلة الحالية ، لا تبدو هذه الفكرة جذابة للغاية ، لأنها تعقد تصميم الكابل.
أكثر الأمور الواعدة هو نقل الطاقة عن طريق الحزم الموجهة من الإشعاع المرئي أو إشعاع الميكروويف ، والذي يكون الغلاف الجوي للأرض شفافًا. لتقليل تباعد الحزمة ، من الممكن ، على سبيل المثال ، استخدام الليزر. ومع ذلك ، فإن نقل الطاقة هو نصف المعركة ، وعليك أيضًا قبولها. للقيام بذلك ، من الضروري تجهيز المصعد بمحولات كهروضوئية عالية الكفاءة.
من المثير للاهتمام أن العديد من الصعوبات الأساسية المرتبطة ببناء طريق من الأرض إلى المدار تختفي (أو تفقد حدتها) إذا بحث المرء عن تطبيق لـ "نظام المصعد" في الفضاء السحيق ، وهو ما تمت الإشارة إليه مرة أخرى بواسطة أرتسوتانوف. في الواقع ، قد يتم التعامل مع جاذبية الكويكبات والأقمار الصناعية للكواكب أو حتى المريخ من خلال المواد الحالية ومحطات الطاقة. من الممكن أن تظهر الهياكل الأولى من هذا النوع في مكان ما بالقرب من القمر. ومع ذلك ، فإن دورانه البطيء لا يسمح باستخدام نفس المخطط كما هو الحال مع مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض ، ولكن يمكن وضع نهاية الحبل مع الحمل ، على سبيل المثال ، عند نقطة الاهتزاز بين القمر والأرض. سيكون هذا المصعد أطول من المصعد الأرضي ، لكن متطلباته ليست صارمة للغاية.
نسج الفضاء
افترض أنه تم حل مشاكل المواد والطاقة بنجاح. لكنك ما زلت بحاجة إلى بناء مصعد الفضاء نفسه بطريقة ما. إذا كان الكبل مصنوعًا على الأرض ، فمن غير المرجح أن تسمح تكنولوجيا الصواريخ بإلقائه بالكامل في المدار. حتى لو وضعت الحبل في الفراغ في أجزاء ، فإن تكلفة المشروع ستجعل المصعد غير مربح لفترة طويلة - بعد كل شيء ، يمكن أن تصل كتلة المواد إلى عدة آلاف من الأطنان. حتى أرتسوتانوف اقترح البدء بـ "خيط" صغير تم إنزاله من السماء. ولكن كيف نخفض الخيط الأول ، وإن كان رفيعًا جدًا ، من المدار الثابت بالنسبة للأرض؟ من الضروري ، بالطبع ، إطلاق "شعيرات" في وقت واحد - في اتجاهين متعاكسين ، من وإلى الأرض - حتى لا يتحرك القمر الصناعي نفسه من المدار المرغوب في عملية حفر هذا الكابل. عند الحركة ، ستعمل قوة كوريوليس على الكابل ، وتحرفه عن الاتجاه الرأسي ، وفي القسم الأولي ، سيستقر الخيط عمومًا في الجاذبية الصفرية. لذلك ، قد يتعين التحكم في حركتها لبعض الوقت باستخدام محركات تصحيح صغيرة.
عندما يصل الخيط إلى الأرض ، سوف يتسلق عليه أول روبوتات بناء ، والتي ستبدأ في زيادة سمك الحبل الموجود بالفعل. من حيث المبدأ ، يمكن أن تكون هذه "العناكب" مجهرية جدًا في الحجم. ربما بحلول الوقت الذي يتكشف فيه بناء الفضاء ، فإن الروبوتات النانوية ، التي تبدو لنا اليوم أكثر روعة من المصعد نفسه من الأرض إلى الجنة ، ستصبح حقيقة واقعة ، وستكون كافية لبرمجتها ببساطة. يمكن لنفس عمال النانو غير المرئيين تجديد المواد ، والقضاء على العيوب والأضرار التي تحدث باستمرار. بالمناسبة ، إذا استمر تطوير تقنية النانو وفقًا للتوقعات المتفائلة ، فيجب أن تظهر الروبوتات النانوية ذاتية التكرار. سيتم بعد ذلك تحديد التكلفة الكاملة لمصعد الفضاء فقط من خلال خدمات المصممين والمبرمجين ، ومن خلال تصنيع الخيط الأساسي. ما عليك سوى القلق بشأن سلامة استخدام الروبوتات النانوية "في الهواء الطلق" - لاستبعاد التكاثر غير المنضبط ، والطفرات ، وما إلى ذلك. إذا تم ذلك ، ستصبح المصاعد بشكل عام "ذاتية التجميع" وذاتية الخدمة وستكون مناسبة عضويا في مشهد تكنولوجيا النانو للقرن القادم.
ومع ذلك ، لا يزال هناك عدد من المشاكل الخطيرة حتى بعد البناء الناجح لمصعد الفضاء - في مرحلة التشغيل.يمكن أن يكون هناك قلق معين للمتخصصين الذين يراقبون سلامة الخيوط بواسطة حطام فضائي مختلف. يمكن أن تؤدي العواصف الرعدية العادية المصحوبة بأعاصير أو الجليد إلى إتلاف الجزء السفلي والأنحف من الكابل ، وبما أنه يتكاثف فقط في الجزء العلوي ، فمن المستحيل استعادة الكسر ببساطة عن طريق خفض الكابل قليلاً. ومن بين المشاكل المحتملة الاهتزازات الطبيعية لـ "الوتر" العملاق ، والذي يمكن أن يؤدي إلى تدميره. مشكلة بناء طريق إلى الجنة لها جوانب عسكرية وسياسية معينة. يكفي أن نتخيل مدى جاذبية مثل هذه البنية الهشة العملاقة للإرهابيين!
إذا افترضنا للحظة أنه تم التحايل على جميع الصعوبات ، وبالنظر إلى الفوائد المحتملة لهذا المشروع ، فإننا نفهم على الفور حماس ناسا. في الواقع ، مع وصول المصاعد ، ستتراوح تكلفة رفع الكيلوغرام إلى ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض من بضعة دولارات (وفقًا لتقديرات متفائلة) إلى مئات الدولارات (وفقًا لأكثرها تشاؤمًا). قارن هذا بآلاف وعشرات الآلاف من الدولارات للكيلوغرام الواحد باستخدام تكنولوجيا الصواريخ الحديثة. وفقًا لبرادلي إدواردز ، أحد مؤسسي HighLift Systems ، التي خصصت ناسا تمويلًا لها للبحث في مصعد الفضاء ، سيتطلب المشروع ما بين 10 إلى 40 مليار دولار - مقارنةً بتطوير المكوكات الجديدة. إذا كنت تؤمن بهذا التقدير ، فسيتم تعويض التكاليف بأكثر من مجرد تعويض في العقود الأولى من تشغيل معجزة التكنولوجيا الجديدة.
غزو الرافعين
للعام الثاني على التوالي ، تتجمع مجموعات من المتحمسين من جميع أنحاء العالم لعرض تطوراتهم في مجال "بناء المصاعد الفضائية" ومحاولة الفوز بجائزة كأس X التي ترعاها وكالة ناسا. في الوقت نفسه ، تجلب بعض المجموعات "عربات" آلية تزحف على طول الحبل وتتلقى الطاقة من الخلايا الضوئية ، بينما يعرض البعض الآخر عينات من المواد خفيفة وقوية بما يكفي لتحمل وزنها ووزن الآليات التي تتحرك على طولها. كل هذه المشاريع متحدة بهدف واحد: تحضير الدرجات الأولى من الدرج الذي سنذهب فيه مباشرة إلى الجنة …
كان على المشاركين تقديم روبوت لا يزيد وزنه عن 50 كيلوجرامًا ، والذي يمكن أن يزحف على طول حبل عمودي رفيع طوله 50 مترًا بسرعة متر واحد في الثانية ، يعمل عن بُعد من ضوء كاشفي بقوة 10 كيلووات (المتطلبات لا تزال متواضعة جدًا) ، بالإضافة إلى عينة من مادة للكابل تتجاوز قوته ، عينة بالفعل تحت تصرف ناسا. لسوء الحظ ، لم يتمكن أحد خلال عامين من التعامل مع هذه المهام.
بعد أن أقيمت المرحلة الثانية من المسابقة في 20 و 21 أكتوبر 2006 ، وصل صندوق الجائزة بالفعل إلى 600 ألف دولار. على عكس العام الماضي ، تمكن فريق جامعة ساسكاتشوان ، ساسكاتون ، هذه المرة من الاقتراب من حل أولى المهام. استغرق روبوت التسلق بضع ثوان فقط للوصول إلى القمة في الوقت المناسب.
مع تصنيع الكابل ، يكون كل شيء أسوأ بكثير. للاختبار ، كان على الفرق تقديم حلقة بطول مترين مصنوعة من مادة شديدة القوة ، والتي من شأنها أن تختبر عملية التثبيت الخاصة من أجل التمزق. تم السماح لفريق واحد فقط بالاختبار ، وانفجر كابله تحت حمولة 606 كجم ، قبل ذلك بكثير من عينة من وكالة ناسا ، والتي لا يمكن كسرها - تم إيقاف التجربة عند حمولة 754 كجم ، لأن العناصر المعدنية من بدأ التثبيت في الانحناء.
لا تشارك شركة LiftPort Group الأمريكية ، التي اشتهرت بعد وعدها الصاخب بإطلاق مصعد فضائي بحلول عام 2018 ، في مسابقات X Prize Cup. (لاحقًا تم تأجيل الموعد النهائي إلى عام 2031). تجري الشركة تجاربها الخاصة ، والتي تبدو مثيرة للإعجاب ، لكن لا يزال من المستحيل وصفها بأنها ناجحة بشكل لا لبس فيه. لذلك ، في أوائل عام 2006 ، صعد مصعد آلي ، يعمل بالبطاريات ، إلى السماء على طول حبل قوي يسحبه ثلاثة بالونات.من مسافة كيلومتر ونصف ، تمكن الروبوت من التغلب على أول 460 مترًا فقط ، ومع ذلك ، تخطط الشركة لإجراء اختبارات متكررة قريبًا على حبل يبلغ ارتفاعه 3 كيلومترات.
وبالتالي ، فإن إنشاء مصعد فضائي لا يزال يفوق قدرات التقنيات الحديثة ، وليس من الواضح تمامًا ما إذا كان من الممكن بمرور الوقت حل جميع المشكلات التي تواجه المطورين. لذلك ، لا توجد إجابة واحدة على السؤال عما إذا كان الأمر يستحق استثمار أموال جادة في مشاريع المصاعد الفضائية أم أنه من الأفضل إنفاقها على التطوير الإضافي لتكنولوجيا الصواريخ.
