Windą do nieba

https://xpil.eu/cpf 📋

Wpisuł dzisiejszego tytu...

A nie, wróć.

Tytuł dzisiejszego wpisu może być mylący jak ciemna śruba (w odróżnieniu od jasnego gwintu, gdzie przynajmniej coś widać).

Nie chodzi bowiem o to, że Kowalski spod siódemki zainstalował sobie najnowszą wersję Popularnego Systemu Operacyjnego, co wprawiło go w takie przerażenie, że zszedł na zawał.

Nie chodzi również o awarię elewatora w pewnym znanym chociaż niezbyt lubianym hotelu w Prząśnicy Górnej.

Ani nawet o ten oklepany do zwiędnięcia małżowin kawałek Dwa Plus Jeden.

Chodzi o windę kosmiczną.

Czemu tak?

Złe pytanie! Powinienem był zapytać retorycznie "a czemu by właściwie nie?" - co też niniejszym czynię.

Otóż winda kosmiczna to jest panaceum na największą bolączkę ludzkości (rzecz jasna po uprzednim wyeliminowaniu głodu, wojen, chorób, egoizmu, płaskoziemców i pani Krysi spod dziewiątki), czyli problemu taniego pokonywania naszej ziemskiej studni grawitacyjnej. Jednorazowy koszt wyniesienia czegokolwiek na orbitę jest obecnie abstrakcyjnie wielki. Co prawda Tesla dzielnie próbuje zmniejszyć ten koszt poprzez stosowanie rakiet wielokrotnego użytku, ale nie zmienia to zasady ogólnej: żeby się wydostać z Ziemi trzeba spalić mnóstwo paliwa, które trzeba ze sobą przecież zabrać, co sprawia, że rakieta więcej waży, a więc potrzebujemy więcej paliwa i się kółeczko zamyka. W efekcie ponad 95% masy rakiety to paliwo, które nie dość, że trzeba spalić, to jeszcze wywalić kosztujący kupę kasy zbiornik na jego przechowywanie (gdyby nie rakiety wielostopniowe, daleko byśmy pewnie nie zalecieli...)

No właśnie. A gdyby tak zamiast tego zbudować bardzo, ale to bardzo wysoką wieżę, która sięgałaby swoim czubkiem poza atmosferę, w okolice, w których ciążenie jest już względnie niewielkie, a co za tym idzie dałoby się stamtąd odlecieć o wiele mniejszym kosztem?

Pomysł jest zacny, ale niestety niewykonalny. Przy bardzo wysokich konstrukcjach te kawałki na samym dole są poddawane takim obciążeniom, że żaden znany nam obecnie materiał tego nie wytrzyma. W związku z tym choćbyśmy się nie wiem jak starali, choćbyśmy wynajęli tysiąc atletów i każdemu dali tysiąc kotletów i tak dalej, to się wszystko zaraz zawali i tyle z tego będzie.

No dobra... w takim razie skoro nie można poustawiać kamienia na kamieniu na odpowiednio dużą wysokość, może zrobić na odwrót? Wziąć szpulkę nici, wsadzić ją w rakietę (niechby już nawet i wielostopniową), wynieść na orbitę i stamtąd, za przeproszeniem, spuścić w dół? Żeby nie stała tylko wisiała?

Hmmm.

Podobnie jak w przypadku wysokiej wieży tutaj też mamy do czynienia z ogromnymi siłami, tyle tylko że nie pchającymi tylko ciągnącymi. Nitka przyczepiona na wysokości pi x oko 30,000km będzie ważyła dokładnie {liczu, liczu, liczu} w ciul i trochę kilogramów, a więc zarwie się pod swoim własnym ciężarem.

No to może zamiast nitki wziąć stalową rurkę? Taka rurka to ho, ho, wytrzymała jest.

Niestety, ho, ho, wytrzymałość stali na rozciąganie również jest niewystarczająca. Stalowy pręt o stałym przekroju, o długości ciut powyżej sześciu kilometrów urwie się na sto procent. Wytrzymałości materiału nie przeskoczysz. Trzeba by zrobić grubszy pręt, ale on będzie więcej ważył i się kolejne kółko zamyka.

A gdyby tak zrobić pręt, który się rozszerza ku górze? Tak, żeby te kawałki na górze, które są poddawane większym obciążeniom, były grubsze, a te na dole - cieńsze?

Pomysł jest zacny, ale daje się go stosować w dość ograniczonym zakresie. Jeżeli budujemy system wind w stupiętrowym wieżowcu, to jak najbardziej można stosować takie rozwiązania (i robi się to!). Jednak w kosmicznej skali okazuje się, że żeby lina stalowa zwisająca z orbity geostacjonarnej nie zerwała się pod własnym ciężarem, jej najszersza część musiałaby mieć średnicę przekraczającą wymiary znanego nam obecnie Kosmosu 10^60 krotnie, co z różnych przyczyn stawia pomysł pod znakiem zapytania.

Trzeba znaleźć jakiś lepszy materiał. Bardziej wytrzymały. Czy znamy coś takiego?

Oczywiście że tak: nanorurki węglowe.

Nanorurki węglowe są to "sznurki" zrobione z atomów węgla, o grubości pojedynczego atomu węgla. Brzmi to może jak sen wariata, ale faktycznie produkuje się już dziś takie cudeńka i to w skali makro, a konkretnie to w jeden poprzek makro, a w drugi - mikro.

Najdłuższe takie nanorurki mają około pół metra. Do 30,000 km jeszcze dość daleko, ale jeżeli się nad tym zastanowić...

Jeszcze 20 lat temu najdłuższe nanorurki węglowe, jakie umieliśmy produkować, miały około pięciu milimetrów. Przez 20 lat posunęliśmy się, za przeproszeniem, stukrotnie. Jeżeli zachowamy tę prędkość rozwoju, za 20 lat będziemy mieć nanorurki pięćdziesięciometrowe, a za lat 70 - coś z 50,000 km. I to już brzmi dość obiecująco - w czasie pi x oko 3 pokoleń ludzkość może dopracować się materiału, który umożliwia zbudowanie windy kosmicznej!

A czemu właściwie winda kosmiczna jest taka fajna?

Po pierwsze, jeżeli już będziemy mieli bardzo mocny sznurek łączący Ziemię z punktem na jej orbicie geostacjonarnej, będzie można po tym sznurku przemieszczać się w górę i w dół bez potrzeby wożenia ze sobą wielkiego zbiornika z bardzo silnymi materiałami wybuchowymi.

Po drugie, taki sznurek będzie się kręcił wraz z Ziemią, a więc jego koniec będzie miał całkiem solidną prędkość. Wystarczy się od niego odczepić i można lecieć na Księżyc, na Marsa... w zasadzie aż do Saturna, bo na tyle mniej więcej wystarczy rozpędu. Coś jakby kręcić sznurkiem z przyczepionym na końcu kamieniem, który się w pewnym momencie odczepia.

Po trzecie, można uzyskać na takiej windzie ogromne oszczędności energetyczne. Jeżeli bowiem wyślemy do góry kosmonautę... przepraszam, sznurkonautę, to on potem będzie chciał zejść z powrotem na dół^{[citation needed]}, a więc można na górze zamocować wielokrążek z liną, jeden koniec liny na Ziemi, drugi na górze, jeden sznurkonauta zjeżdża na dół, drugi leci po sznurku do góry. Bilans energii sprowadza się do różnicy mas sznurkonautów plus tarcie wielokrążka, czyli w zasadzie zero w porównaniu do obecnego siedzenia na serii bomb i modlenia się, żeby wybuchały one w odpowiednich momentach, kierunkach i z odpowiednią siłą.

Wracając jeszcze do kamienia na sznurku... Jeżeli okaże się kiedyś, że będziemy potrafili zbudować jeszcze dłuższe windy, to przy pewnej długości sznurka da się "wyrzucić" pojazd poza studnię grawitacyjną Słońca, a więc w gwiazdy! Co prawda uzyskana w ten sposób prędkość będzie upierdliwie mała, ale można tu już pomyśleć o skonstruowaniu silników jonowych, które kompletnie nie nadają się do startu z Ziemi, ale w większej odległości od ciał niebieskich są już zaskakująco wydajne. I tak dalej...

Wymieniłem główne zalety takiego urządzenia. A co z wadami?

Po pierwsze - koszt. Na dziś ocenia się, że koszt zbudowania pierwszej windy kosmicznej - o ile uda nam się najpierw rozwiązać kwestie wytrzymałości materiałów - wyniesie około 40 miliardów dolarów. Przy czym ponieważ jest to prognoza na dość odległą przyszłość, może oznaczać zarówno okolice 4 miliardów jak też 400 miliardów. Tak czy siak, kupa kasy. Pojedynczy człowiek raczej się za to nie zabierze.

Po drugie - pogoda. Na Ziemi mamy pogodę^{[citation needed]} co generalnie postrzegane jest jako coś pozytywnego (bez pogody nie byłoby życia i nie byłoby komu myśleć o kosmicznych windach), ale wiatry, deszcze, zmienne temperatury i przede wszystkim obecność tlenu oznaczają nieuchronną korozję. Dlatego też trzeba będzie jakoś tę windę zabezpieczyć, co podniesie jej masę i tak dalej.

Po trzecie - śmieci na orbicie! Człowiek wywalił już na różne orbity wokółziemskie takie ilości złomu, że nasza winda miałaby co chwilę styczność z uderzającymi w nią z kosmicznymi prędkościami mikroskopijnymi odłamkami, które powoli acz nieuchronnie niszczyłyby włókna nanorurek prowadząc w końcu do zerwania windy. Te większe śmieci dałoby się jeszcze od biedy "pozamiatać" laserem (skonstruowano już nawet prototyp "laserowej miotły" i przeprowadzono odpowiednie eksperymenty), ale poniżej pewnej wielkości są one już niewykrywalne i dupa blada. Jak to obejść? A no zamiast pojedynczego splotu włókien trzeba zrobić coś w rodzaju samoreperującej się siatki. Mechanizmy autonaprawcze powinny być na tyle wydajne, żeby "wygrywać" z uszkodzeniami pochodzącymi od kosmicznych śmieci. Póki co nie umiemy czegoś takiego zrobić, ale badania trwają...

Po czwarte - terroryści. Można sobie pomarzyć, że do czasu, gdy opanujemy produkcję naprawdę długich nanorurek problem terroryzmu zniknie, ale wydaje mi się, że to są marzenia ściętej, nomen-omen, głowy. A więc - nie zniknie, czyli trzeba będzie podstawę windy chronić przed różnymi idiotami, co dodatkowo zwiększy koszty i ryzyko. A nawet jeżeli nie terroryści, to już na pewno wojskowi - przecież skoro można sznurkiem wysłać na orbitę człowieka, to można też i bombę czy laser (czy nawet laserową bombę).

Po piąte - podróżując poza Ziemię trzeba przejść przez pasy Van Allena, które są niegroźne dla przelatujących przez nie błyskawicznie kosmonautów, ale mogą skosić śmiertelne żniwo wśród braci wolno wędrujących sznurkonautów. Pomysł na obejście problemu: wyposażyć sznurkonautę w odpowiednie ekrany zabezpieczające, co jednak zwiększy masę, a więc będzie wymagało odpowiednio mocniejszego sznurka.

Po szóste - człowiek nie wielbłąd, pić musi. I jeść. I wydalać. Przejechanie 30,000 kilometrów oznacza - nawet przy prędkości 1000 km/h - trzydzieści godzin w podróży. Tego to nawet najtwardszy pęcherz nie wytrzyma...

Jak widać problemów związanych z taką windą jest więcej, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Dlatego uważam, że zanim wybudujemy pierwszą działającą windę kosmiczną, minie co najmniej sto lat. No chyba że stanie się jakiś cud-przełom i przeskoczymy granice technologii jakimś niewiarygodnym skrótem. Historia zna takie przypadki.

Materiały do dzisiejszego wpisu wziąłem z Wikipedii oraz z tego oto artykułu: !KLIK! (aha, no i z "Lokomotywy" Tuwima...)

Dopisane parę dni później: najwyraźniej Japończycy robią już pierwsze przymiarki: https://www.space.com/41278-japan-space-elevator-cubesats-experiment.html

A tu jedenastoletni wywiad z Arthurem C. Clarkiem o kosmonautyce w ogólności (na końcu jest też o windach, ale nie za dużo): https://www.wprost.pl/123409/Winda-do-nieba

https://xpil.eu/cpf 📋