Vesmírný výtah Zpracoval: Marek Husák.

Prezentace na téma: "Vesmírný výtah Zpracoval: Marek Husák."— Transkript prezentace:

1 Vesmírný výtah Zpracoval: Marek Husák

2 Konstantin Ciolkovskij - ruský génius, na konci devatenáctého století načrtl moderní koncept vesmírného výtahu (přesněji vesmírní věže) Jurij Arcutanov publikoval svůj koncept vesmírného výtahu, ale jen v nedělní příloze sovětského deníku Pravda, zůstal tedy odbornou veřejností nepovšimnut Jerome Pearson - v roce 1975 publikoval, nezávisle na předchozích autorech, moderní studii o výtahu v časopise Acta Astronautica, koncept vešel do širšího povědomí odborné i laické veřejnosti

3 Vesmírný výtah je zařízení, které podle současného tempa rozvoje technologií bude již zanedlouho realizovatelné Poskytne nám revoluční zlevnění vynášení nákladu na oběžnou dráhu kolem Země Zlevnění přepravy nákladu k blízkým planetám

4 Fyzikální princip výtahu
Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem Země, musí mít dostatečnou rychlost. Na povrchu Země se tato rychlost rovná tzv. první kosmické rychlosti, rovné cca 7,9 km/s, při které bude odstředivá síla působící na takové těleso rovna gravitační síle, kterou na těleso působí Země. Čím výše jsme nad povrchem Země, tím více slábne gravitační přitažlivost Země a potřebná rychlost klesá. V určité výšce pak nastane situace, kdy oběžná rychlost klesne natolik, že bude rovna rychlosti otáčení se Země (zemského povrchu) pod družicí. Tato výška se nazývá geostacionární dráha a družice obíhající Zemi nad rovníkem po této dráze bude stále nad jedním místem na povrchu.

5 Teď si představme, že z takovéhle družice spustíme na Zemi lano tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Část lana pod geostacionární dráhou bude gravitačně přitahovaná k Zemi (jelikož bude obíhat nižší rychlostí než je potřebná na vykompenzování gravitace), zatímco část lana nad geostacionární dráhou bude mít díky převažující odstředivé síle snahu od Země uniknout. Gravitační a odstředivá síla působící na celé lano tedy působí proti sobě a lano tak při vhodné délce dokáže "levitovat" bez toho, že bychom museli použít dodatečný (např. raketový) pohon na to, aby lano zůstalo na oběžné dráze.

6 Při vytahování nákladu po laně začne působit také dodatečná síla směrem k Zemi.
Pádu lana zabráníme tím, že lano ukotvíme na Zemi (na to má sloužit veliká pohyblivá platforma na způsob plovoucích ropných plošin) Těžiště lana posuneme o něco výš než je geostacionární dráha. Výsledkem bude, že celková odstředivá síla působící na lano bude o něco větší než gravitační přitažlivá síla, a lano bude mít slabou tendenci uniknout od Země. Bude postačovat velice malý rozdíl těchto sil – řekněme několik desítek tun (závisí na projektované nosnosti výtahu). Bez problémů pak můžeme vytahovat náklad bez hrozby pádu nebo namotání lana na Zemi, jelikož tahle přebytečná odstředivá síla ho bude neustále udržovat ve stabilní pozici.  

7 Tímto se vyřeší také problém s tzv
Tímto se vyřeší také problém s tzv. Coriolisovou sílou, která bude působit na pohybující se náklad a tedy i na lano. Coriolisova síla působí na vytahovaný nebo klesající náklad díky tomu, že s výškou se mění oběžní rychlost nákladu - čím výše se náklad nachází, tím vyšší oběžní rychlost na výtahu má. Tuhle rychlost při výstupu mu však musí lano dodat (při klesání odebrat), a tedy náklad bude na lano působit sílou kolmou na lano (z energetického hlediska je vesmírný výtah zařízení využívající rotační energii Země). Coriolisova síla je však velice malá a způsobí pouze jistou malou a dopředu vypočítatelnou odchylku lana (nepřesáhne hodnotu 1 obloukového stupně).

8 Dostupné cíle Jak již bylo vzpomenuto, čím větší výšku na výtahu dosáhnete, tím větší oběžnou rychlost budete mít. Od jisté výšky nad povrchem bude možné uvolněním z výtahu uvést objekty na nízkou eliptickou dráhu. Ve výšce km zůstane těleso po odpoutání na kruhové geostacionární dráze. Z větší výšky bude možné vypouštět tělesa na vysokou eliptickou dráhu (navedení na konečnou dráhu žádoucí excentricity bude dosáhnuto dodatečným slabým raketovým pohonem). Ve výšce km dosáhne oběžná rychlost na výtahu hodnotu druhé kosmické rychlosti 11.2 km/s a teda vypuštěním tělesa nad touto výškou bude možné poslat objekty do meziplanetárního prostoru. S dalším zvětšováním výšky bude rychlost neustále narůstat a bude možné posílat tělesa do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy.

9 Přirozeně, s narůstající délkou výtahu rostou i nároky na pevnost materiálu a náklady na jeho vybudování. Kompromisním řešením je výtah o délce cca 91 tisíc kilometrů. S takto dlouhým lanem se bude dát bez použití urychlovací rakety dostat k Venuši, Měsíci, Marsu a při využití gravitačního zrychlení míjejících planet  také k jupiterově soustavě, což bohatě stačí. Delší lano by umožnilo cestovat i k dalším planetám, ale v současnosti by to nebylo rentabilní a ani příliš potřebné. Na cestování k vzdálenějším planetám bude efektivnější vynést na oběžnou dráhu sondu nebo kosmickou loď s vlastním raketovým pohonem.

10 Prvotní vypuštění na oběžnou dráhu
Existuje několik variant z nichž nejpropracovanější a nejjednodušší je varianta využívající současné technologie a raketové nosiče. Na vypuštění družice nesoucí prvotní lano spolu s raketovými motory a palivem potřebným na přesun na geostacionární dráhu bude stačit sedm startů raketoplánů a jeden start nosiče Centaurus. Z geostacionární dráhy se začne z družice odvíjet prvotní lano s nízkou nosností (protože jenom tak můžeme zabezpečit, že celé lano bude možné na jeden start dopravit na oběžnou dráhu. Skládání hrubšího lana z několika částí až na orbitě je riskantní, jelikož takové technologie nejsou na oběžné dráze odzkoušené a byly by velice náročné a nespolehlivé). Na konci bude umístěna malá sonda se slabým motorem, který dodá lanu prvotní impuls. Dále se lano bude odvíjet díky gravitaci Země. V průběhu odvíjení se bude družice synchronizovaně vzdalovat od Země tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Malá sonda na konci lana bude obsahovat i vysílač, díky kterému bude lano po dosáhnutí povrchu Země lehce identifikovatelné. Po zachycení a ukotvení konce lana na plovoucí plošinu se vyšlou speciální climbery ("šplhače" - vozidla vynášející po laně náklad) v předpokládaném počtu 207, vezoucí další vrstvy lana. Ty během svého výstupu lano postupně rozšíří na požadovanou nosnost 20 tun. Podobný princip se využívá např. při budování visutých mostů. Každý z climberů bude následně umístěn na konci lana a bude sloužit jako protiváha spolu s původní družicí nesoucí prvotní lano. Po dokončení celého procesu budou moci začít fungovat samotné climbery s nákladem. Ukotvení lana bude zabezpečeno plovoucí plošinou na oceáně, podobnou s dnešními mořskými ropnými plošinami.

11 Problémy a jejich navrhovaná řešení
Vesmírný výtah je úplně nová a převratná technologie vyžadující mnoho podrobného výzkumu a vývoje Vesmírný výtah však již přešel prvními kritickými fázemi seriozních studií  uskutečněných popřípadě organizovaných renomovanými vědci z Los Alamos National Laboratory, Marshall Space Flight Center, NASA Institute for Advanced Concepts, National Space Society, Institute for Scientific Research a podobně

12 0. Existence dostatečně pevného a lehkého materiálu o potřebné délce
Japonskéhý profesor Sumijo Iijimy v roce 1991 objevil tzv. uhlíkové nanotrubičky (angl. carbon nanotubes). Jde o novou strukturu uhlíkových atomů (po tuze, diamantu a např. C60) příbuznou fulerenům, ve které jsou, zjednodušeně řečeno, uhlíkové atomy stočené v jednoatomové vrstvě do jakési mikroskopické rourky stotisíckrát tenčí než lidský vlas. Tento materiál je extrémně pevný v tahu (60 x pevnější než ocel) a lehký (hustota jenom o něco větší než hustota vody). Tyto dvě vlastnosti mu umožňují vydržet i tah (a s dostatečnou rezervou) lana vesmírného výtahu Materiál už tedy máme, je však potřeba samozřejmě pokračovat ve výzkumu, aby bylo možné vyrobit ho v dostatečné délce několika desítek tisíc kilometrů, což jistě ještě přinese nejedno překvapení a potřebu výzkumu. Materiál však existuje a vývoj v téhle oblasti velice rychle pokračuje

13 1. Meteorologické vlivy (vítr, blesky, déšť)
V nejnižší výšce nad povrchem je samozřejmě problémem přítomnost atmosféry. Výpočtem, odvozeným od použitého designu lana (který závisí na parametrech jako např. potřebná pevnost lana, odolnost vůči mechanickému poškození vlivem pohybujícího se nákladu a podobně), se dá zjistit jaká je maximální přípustná rychlost větru, která ještě nezpůsobí přetrhnutí lana. Výsledek je podle očekávání poměrně optimistický - ohrozil by ho až hurikán. Řešením problému je výběr vhodné lokality na Zemi chudé na bouřky a prudké změny počasí. Podle dlouhodobých meteorologických a klimatologických záznamů a vzhledem k potřebě umístění vesmírného výtahu blízko rovníku nejvhodnější lokalitou na jeho umístnění je oblast západně od Galapágských ostrovů v Tichém oceáně. Tato oblast je vhodná i z důvodu úzce souvisejícího - oblačnosti. Pohon climberů bude totiž zabezpečen laserovým přenosem energie – součástí climberů bude také malý disk, který bude přijímat energii z vysílače na kotvící plošině. Tato technologie je již v značném stadiu rozpracování a úspěšně otestována. Blesky představují další riziko - i kdyby jsme totiž uhlíkové vlákna pokryly nevodivým materiálem, během bouřky a deště se voda na laně stává vodivou a blesk lano může zničit neboť vodivost takového předmětu bude větší než vodivost vzduchu. Proto výtah bude v oblasti, kde se blesky nevyskytují - tedy západně od Galapág. Ojedinělým bouřkám (které se samozřejmě nedají zcela vyloučit) se bude dát vyhnout přesunem plovající kotvící plošiny podle reálné meteorologické situace (monitorované samozřejmě satelitně).

14 2. Oxidace atmosférickým kyslíkem
Nejedná se o molekuly kyslíku v atmosféře, ale jedná se o nebezpečný jednoatomový kyslík ve výšce několika stovek kilometrů - je to velice agresivní látka. Experimenty ukazují, že i uhlíkové nanovlákna oxidují. Řešení - naneseme na ně tenkou vrstvu kovu (z dlouhodobých experimentů na oběžné dráze jsou prokazatelně odolné např. zlato i jiné materiály). Váhu lana to ovlivní jen minimálně, jelikož se jedná pouze o úsek několika sto kilometrů (což je málo ve srovnání s celkovou délkou cca km) a je postačující, aby vrstva měla tloušťku jen několika mikrometrů

15 3. Satelity na oběžné dráze
Je přirozené, že může dojít ke kolizi lana se satelity během jejich oběhu. Existuje přesná databáze satelitů, takže není problém na týdny dopředu vypočítat hrozbu srážky. Lano bude mobilní - právě z tohoto důvodu bude základna pohyblivá (plovoucí plošina) a manévry se budou provádět tak, aby se předešlo jakýmkoliv srážkám. Frekvence manévrů bude v rozumných mezích, protože satelitů je limitované množství

16 4. Odpad a trosky na obežné dráze. Mikrometeority.
V současnosti je na oběžné dráze množství odpadu, které je seriozní hrozbou nejen pro vesmírný výtah. Úlomky stupňů raket, trosky ze zaniknutých sond, staré nepoužívané satelity atd... Mnoho desítek tisíc objektů o velikosti nad 1 cm. Naštěstí se vyskytují pouze na nízké oběžné dráze (cca od 200 do 1000 km). Řešení je několik: monitorování trosek. Dneska jsou trosky mapovány do velikosti 10 cm. Kvůli mezinárodní vesmírné stanici ISS se za 100 milionů dolarů připravuje monitorování až do velikosti 1 cm. Podle teoretických výpočtů (NASA používá simulační programy kalibrované např. i pozorováními ISS a raketoplánů) vyplývá, že výtah se bude muset vyhýbat úlomkům větším než 1 cm přibližně jedenkrát denně. To je akceptovatelná frekvence v rámci únosnosti. Trosky menší než 1 cm spolu s mikrometeority nepředstavují vážný problém protože i když jejich počet narůstá a jejich kinetická energie je stále značná, nejsou pro výtah nebezpečné, a to díky druhému řešení: vhodný makroskopický a mikroskopický design lana V prvním řadě šířka lana bude v kritické výšce zdvojena. Velikou výhodou bude design lana realizován ne v podobě lana v běžném slova smyslu, nýbrž půjde spíše o stuhu - pás široký v průměru jeden metr a tenký pouze několik mikrometrů (tyto parametry se budou měnit v závislosti na výšce od povrchu). Kromě toho nebude pás plochý, ale bude tvarován do oblouku. Výpočty ukazují, že takovýhle design sníží nebezpečnost a velikost poškození až o několik řádů. Životnost lana bude při vhodném designu až 200 let, což je plně postačující

17 5. Oscilace lana Gravitačním a slapovým působením Měsíce a Slunce a taktéž vlivem stoupání a klesání pohybujícího se nákladu bude docházet k oscilacím. Řešením je vhodná frekvence a rychlost pohybujících se climberů spolu se synchronizovanou délkou lana. Výpočty ukazují, že např. lano o délce cca km by mělo veliké problémy díky rezonanční frekvenci s oběhem Měsíce/rotací kolem Země. Navrhované lano má však délku km - je to výhodné nejenom z hlediska oscilací, ale také z hlediska uváděných dostupných cílů v Sluneční soustavě.

18 6. Zahřívání lana Lano se bude přirozeně zahřívat jednak působením slunečního záření, tak i vystupujícími climbery a také oscilacemi a pnutím v laně. Výpočty ukazují, že lano uvažovaného designu bez problémů vyzáří všechno záření přirozeným tepelným vyzařováním do volného prostoru. Je však potřeba si uvědomit, že jestli půjdeme s climberem nad geostacionární dráhu (např. při vypouštění sond na Měsíc a k jiným planetám), energii nebudeme muset na šplhání dodávat, nýbrž energii budeme dostávat! Stejně jako i při snášení nákladu z oběžné dráhy na Zemi - climber bude muset brzdit a tedy energie se bude uvolňovat. Tento přebytek energie můžeme zužitkovat např. konverzí na energii elektrickou. Přebytek tepla se bude řešit vyzařováním, vedením, anebo případně i absorpcí do časti nákladu (např. vodní zásoba, jelikož voda má velikou tepelnou kapacitu, i když tohle řešení by představovalo snížení efektivního nákladu). Je zajímavé, že výtah z fyzikálního pohledu bude pracovat velice efektivně a energeticky úsporně. I v případě nevyužívání brzdné energie bude na provoz stačit zdroj s výkonem cca 20 MW. Není třeba vyvíjet žádnou novou technologii, podobné zdroje mají již i dnešní ropné plošiny.

19 7. Ionosféra a její vybíjení
Ionosféra je oblast atmosféry ve výšce cca od 20 do 2000 km nad povrchem, která obsahuje ionizované částice nesoucí elektrický náboj (o nezanedbatelném napětí přibližně 300 V/m). Jelikož lano bude mít jistou vodivost, může teoreticky tento náboj vybíjet. Hustota ionosféry je však nízká a analýza ukazuje, že vybíjení bude vzhledem k vlastnostem lana (např. nízká vodivost, malý průřez) a ionosféry velice malé, maximálně v okolí několika málo metrů od lana. Nehrozí tedy žádný problém s přílišným zahříváním lana díky tomuhle efektu ani vybití ionosféry z dlouhodobého hlediska. Samozřejmě, při konstrukci climberů (především pro lidi) se bude muset počítat s existencí ionosféry.

20 8. Teroristický útok, nehoda výtahu
Motivací pro teroristy nebudou škody na životech. Celé lano totižto váží pouze několik stovek tun, přičemž zaútočit můžou reálně jenom na jeho spodní část - i v případě útoku družicí dojde k přerušení lana maximálně do výšky 1000 km, což je jenom něco přes setinu celé jeho délky, takže na Zemi v nejhorším případě spadne několik tun lana. Jestli by však došlo k přerušení lana ve větší výšce, tak téměř všechno shoří v atmosféře ( jelikož lano je velice tenké a lehké), tedy celkový destrukční efekt je na úrovni padajícího cáru kancelářského papíru. Zdravotní účinky shořených uhlíkových nanotrubiček (např. při vdechnutí) by neměly být škodlivé, přesto výzkum v tomhle směru pokračuje. Motivace teroristů může být tedy jenom ekonomická - způsobit škody tím, že se zničí ekonomicky výhodný prostředek na dopravu na oběžnou dráhu. Jenomže - jestli se postaví první výtah (za cca 40 mld. $ v současných cenách), tak druhý a další výtahy budou podstatně levnější - jelikož již nebude potřebný složitý proces prvotního vynášení na oběžnou dráhu pomocí klasických raket. Bude možné vybudovat několik desítek výtahů v rychlém sledu, takže i kdyby některé z nich byli zničeny teroristickým útokem, znovunatáhnutí lana nebude velice nákladné vzhledem k existenci ostatních výtahů. Minimální destrukční následky se přirozeně vztahují i na případ nehody výtahu.

21 Použité zdroje: http://www.boinc.cz/view.php?cisloclanku=2006011501