Ascensor espacial nueva tecnología de un viejo invento. Ascensor espacial: ¿fantasía o realidad? Ascensor a órbita: ciencia ficción o cuestión de tiempo

La idea de una estructura de astroingeniería para lanzar carga a la órbita planetaria o incluso más allá de ella. Konstantin Tsiolkovsky expresó por primera vez una idea de este tipo en 1895; la idea se desarrolló en detalle en las obras de Yuri Artsutanov. El hipotético diseño se basa en el uso de un cable tendido desde la superficie del planeta hasta una estación orbital ubicada en GEO. Presumiblemente, este método en el futuro podría resultar mucho más económico que el uso de vehículos de lanzamiento.
El cable se mantiene por un extremo en la superficie del planeta (Tierra) y por el otro en un punto estacionario sobre el planeta por encima de la órbita geoestacionaria (OSG) debido a la fuerza centrífuga. Un ascensor que transporta una carga útil sube a lo largo de un cable. Al ascender, la carga se acelerará debido a la rotación de la Tierra, lo que permitirá que sea enviada más allá de la gravedad terrestre a una altitud suficientemente alta.
El cable requiere una resistencia a la tracción extremadamente alta combinada con una baja densidad. Según cálculos teóricos, los nanotubos de carbono parecen ser un material adecuado. Si asumimos su idoneidad para la fabricación de un cable, entonces la creación de un ascensor espacial es un problema de ingeniería con solución, aunque requiere el uso de desarrollos avanzados y altos costos de otro tipo. La construcción del ascensor se estima en 7.000-12.000 millones de dólares. La NASA ya está financiando desarrollos relacionados en el Instituto Americano de Investigación Científica, incluido el desarrollo de un ascensor capaz de moverse de forma independiente a lo largo de un cable.
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1 Diseño
1.1 Fundación
1.2 cables
1.2.1 Engrosamiento del cable
1.3 Ascensor
1.4 Contrapeso
1.5 Momento angular, velocidad e inclinación
1.6 Lanzamiento al espacio
2 Construcción
3 Economía de un ascensor espacial
4 logros
5 literatura
6 Ascensor espacial en diversas obras.
7 Véase también
8 notas
9 enlaces
9.1 Organizaciones
9.2 Varios
Diseño

Hay varias opciones de diseño. Casi todos incluyen base (base), cable (cable), elevadores y contrapeso.
Base
La base de un ascensor espacial es el lugar de la superficie del planeta donde se fija el cable y comienza el levantamiento de la carga. Puede ser móvil y colocarse en un barco de alta mar.
La ventaja de una base móvil es la capacidad de realizar maniobras para evadir huracanes y tormentas. Las ventajas de una base estacionaria son fuentes de energía más baratas y accesibles, y la posibilidad de reducir la longitud del cable. La diferencia de unos pocos kilómetros de cable es relativamente pequeña, pero puede ayudar a reducir el espesor requerido de su parte media y la longitud de la parte que se extiende. para geoestacionario orbita.
Cable
El cable debe estar hecho de un material con una resistencia a la tracción extremadamente alta en relación a la gravedad específica. Un ascensor espacial estará económicamente justificado si es posible producir a escala industrial y a un precio razonable un cable con una densidad comparable al grafito y una resistencia de aproximadamente 65 a 120 gigapascales.
A modo de comparación, la resistencia de la mayoría de los tipos de acero es de aproximadamente 1 GPa, e incluso los tipos más fuertes no superan los 5 GPa, y el acero es pesado. El Kevlar, mucho más liviano, tiene una resistencia en el rango de 2,6 a 4,1 GPa, y la fibra de cuarzo tiene una resistencia de hasta 20 GPa y más. La resistencia teórica de las fibras de diamante puede ser ligeramente mayor.
Según la teoría, los nanotubos de carbono deberían tener una capacidad de estiramiento mucho mayor que la requerida para un ascensor espacial. Sin embargo, la tecnología para producirlos en cantidades industriales y tejerlos para formar cables apenas está comenzando a desarrollarse. En teoría, su resistencia debería ser superior a 120 GPa, pero en la práctica el alargamiento más alto de un nanotubo de pared simple fue de 52 GPa y, en promedio, se rompieron en el rango de 30 a 50 GPa. El hilo más fuerte, tejido con nanotubos, será más débil que sus componentes. Continúan las investigaciones para mejorar la pureza del material del tubo y crear diferentes tipos de tubos.
La mayoría de los proyectos de ascensores espaciales utilizan nanotubos de pared simple. Las multicapas tienen mayor resistencia, pero son más pesadas y tienen una menor relación resistencia-densidad. Una posible opción es utilizar la unión a alta presión de nanotubos de pared simple. En este caso, aunque se pierde fuerza debido a la sustitución del enlace sp² (grafito, nanotubos) por el enlace sp³ (diamante), las fuerzas de van der Waals los mantendrán mejor en una fibra y permitirán producir fibras. de duración arbitraria [fuente no indicada 810 días]

Los defectos de la red cristalina reducen la resistencia de los nanotubos
En un experimento realizado por científicos de la Universidad del Sur de California (EE.UU.), los nanotubos de carbono de pared simple demostraron una resistencia específica 117 veces mayor que la del acero y 30 veces mayor que la del Kevlar. Se logró alcanzar un valor de 98,9 GPa, el valor máximo de la longitud del nanotubo fue de 195 μm.
La tecnología para tejer dichas fibras está todavía en sus inicios.
Según algunos científicos, ni siquiera los nanotubos de carbono serán lo suficientemente fuertes como para fabricar un cable de ascensor espacial.
Los experimentos de los científicos. desde Tecnológico La Universidad de Sydney hizo posible la creación de papel con grafeno. Las pruebas de muestra son alentadoras: la densidad del material es de cinco a seis veces menor que la del acero, mientras que la resistencia a la tracción es diez veces mayor que la del acero al carbono. Al mismo tiempo, el grafeno es un buen conductor de corriente eléctrica, lo que permite utilizarlo para transmitir energía a un ascensor, a modo de bus de contacto.
Engrosando el cable

Consultar información.

El ascensor espacial debe soportar al menos su propio peso, que es considerable debido a la longitud del cable. El engrosamiento, por un lado, aumenta la resistencia del cable y, por otro, añade peso y, por tanto, la resistencia necesaria. La carga sobre él variará en diferentes lugares: en algunos casos, una sección de la correa debe soportar el peso de los segmentos que se encuentran debajo, en otros debe soportar la fuerza centrífuga que mantiene las partes superiores de la correa en órbita. Satisfacer Para esta condición y para conseguir la optimidad del cable en cada punto, su espesor será variable.
Se puede demostrar que teniendo en cuenta la gravedad y la fuerza centrífuga de la Tierra (pero sin tener en cuenta la menor influencia de la Luna y el Sol), la sección transversal del cable en función de la altura se describirá mediante la siguiente fórmula:

Aquí A ® es el área de la sección transversal del cable en función de la distancia r desde el centro de la Tierra.
La fórmula utiliza las siguientes constantes:
A0 es el área de la sección transversal del cable al nivel de la superficie terrestre.
ρ es la densidad del material del cable.
s es la resistencia a la tracción del material del cable.
ω es la frecuencia circular de rotación de la Tierra alrededor de su eje, 7,292×10−5 radianes por segundo.
r0 es la distancia entre el centro de la Tierra y la base del cable. es aproximadamente igual al radio de la Tierra, 6.378 km.
g0 es la aceleración de la gravedad en la base del cable, 9.780 m/s².
Esta ecuación describe una correa cuyo espesor primero aumenta exponencialmente, luego su crecimiento se desacelera a una altitud de varios radios de la Tierra y luego se vuelve constante, alcanzando finalmente la órbita geoestacionaria. Después de esto, el espesor comienza a disminuir nuevamente.
Por tanto, la relación entre las secciones transversales del cable en la base y en la OSG (r = 42,164 km) es:
Sustituyendo aquí la densidad y resistencia del acero y el diámetro del cable en el nivel del suelo de 1 cm, obtenemos un diámetro en el nivel GSO de varios cientos de kilómetros, lo que significa que el acero y otros materiales que conocemos no son adecuados para construir un ascensor.
De ello se deduce que hay cuatro maneras de lograr un espesor de cable más razonable a nivel OSG:
Utilice material menos denso. Dado que la densidad de la mayoría de los sólidos se encuentra en el rango relativamente pequeño de 1.000 a 5.000 kg/m³, es poco probable que se consiga algo aquí.
Utilice material más duradero. La investigación va principalmente en esta dirección. Los nanotubos de carbono son decenas de veces más resistentes que el mejor acero y reducirán significativamente el grosor del cable a nivel OSG.
Levante más la base del cable. Debido a la presencia de la exponencial en la ecuación, incluso una ligera elevación de la base reducirá en gran medida el grosor del cable. Se proponen torres de hasta 100 km de altura que, además de ahorrar en cable, evitarán la influencia de los procesos atmosféricos.
Haz la base del cable lo más delgada posible. Aún debe ser lo suficientemente grueso para soportar un levantamiento cargado, por lo que el grosor mínimo en la base también depende de la resistencia del material. Un cable hecho de nanotubos de carbono sólo necesita tener un milímetro de espesor en la base.
Otra forma es hacer que la base del ascensor sea móvil. Incluso moverse a una velocidad de 100 m/s dará un aumento en la velocidad circular del 20% y reducirá la longitud del cable entre un 20 y un 25%, lo que lo hará más liviano en un 50 por ciento o más. Si “anclas” el cable en supersónico no especificado 664 días] en un avión o tren, entonces la ganancia de masa del cable ya no se medirá en porcentajes, sino en decenas de veces (pero las pérdidas no se tienen en cuenta para la resistencia aire).
Elevar

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Dibujo conceptual de un ascensor espacial que se eleva entre las nubes.
Un ascensor espacial no puede funcionar como un ascensor normal (con cables en movimiento) porque el grosor de su cable no es constante. La mayoría de los proyectos utilizan un polipasto que sube por un cable fijo, aunque también se han propuesto pequeños cables móviles segmentados que corren a lo largo del cable principal.
Se proponen varios métodos para construir ascensores. En cables planos, se pueden utilizar pares de rodillos sujetos por fricción. Otras opciones son radios móviles con ganchos sobre placas, rodillos con ganchos retráctiles, levitación magnética (poco probable, ya que habrá que unir caminos engorrosos al cable), etc. [fuente no especificada 661 días]
Un problema grave con el diseño del ascensor es la fuente de energía [fuente no especificada 661 días]. Es poco probable que la densidad de almacenamiento de energía sea lo suficientemente alta como para que el ascensor tenga suficiente energía para subir por todo el cable. Las posibles fuentes de energía externas son rayos láser o microondas. Otras opciones son el uso de la energía de frenado de los ascensores que bajan; diferencia en las temperaturas de la troposfera; descarga ionosférica, etc. La opción principal [fuente no especificada 661 días] (rayos de energía) tiene serios problemas asociados con eficiencia y disipación de calor en ambos extremos, aunque si uno es optimista sobre los futuros avances tecnológicos, es factible.
Los ascensores deben sucederse a una distancia óptima para minimizar la carga sobre el cable y sus oscilaciones. y maximizar rendimiento. La zona menos fiable del cable está cerca de su base; no debe haber más de un levantamiento [fuente no especificada 661 días]. Los ascensores que se mueven sólo hacia arriba aumentarán la capacidad, pero no permitirán que se utilice la energía de frenado al bajar y no podrán devolver a las personas al suelo. Además, los componentes de dichos ascensores deben utilizarse en órbita para otros fines. En cualquier caso, los ascensores pequeños son mejores que los grandes porque su horario será más flexible, pero imponen más restricciones tecnológicas.
Además, el propio hilo del ascensor experimentará constantemente la acción tanto de la fuerza de Coriolis como de los flujos atmosféricos. Además, dado que el "ascensor" debe estar ubicado por encima de la altitud de la órbita geoestacionaria, estará sujeto a cargas constantes, incluidas cargas máximas, por ejemplo, sacudidas [fuente no especificada 579 días].
Sin embargo, si los obstáculos anteriores pueden eliminarse de alguna manera, entonces se podrá realizar un ascensor espacial. Sin embargo, un proyecto de este tipo será extremadamente caro, pero en el futuro puede competir con naves espaciales desechables y reutilizables [fuente no especificada 579 días].
Contrapeso

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Se puede crear un contrapeso de dos maneras: fijando un objeto pesado (por ejemplo, un asteroide) más allá de lo geoestacionarioórbita o continuación de la propia correa a lo largo de una distancia considerable para geoestacionario orbita. La segunda opción se ha vuelto más popular últimamente porque es más fácil de implementar y, además, es más fácil lanzar cargas a otros planetas desde el extremo de un cable alargado, ya que tiene una velocidad importante con respecto a la Tierra.
Momento angular, velocidad e inclinación

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A medida que el ascensor se mueve hacia arriba, se inclina 1 grado porque la parte superior del ascensor se mueve alrededor de la Tierra más rápido que la parte inferior (efecto Coriolis). Escala no guardada
La velocidad horizontal de cada tramo del cable aumenta con la altura en proporción a la distancia al centro de la Tierra, alcanzando en geoestacionarioórbita de la primera velocidad de escape. Por lo tanto, al levantar una carga, necesita ganar un momento angular adicional (velocidad horizontal).
El momento angular se adquiere debido a la rotación de la Tierra. Al principio, el ascensor se mueve un poco más lento que el cable (efecto Coriolis), "ralentizando" el cable y desviándolo ligeramente hacia el oeste. A una velocidad de ascenso de 200 km/h, el cable se inclinará 1 grado. Componente horizontal de tensión. en no vertical el cable tira de la carga hacia un lado, acelerándola en dirección este (ver diagrama); debido a esto, el ascensor adquiere velocidad adicional. Según la tercera ley de Newton, el cable frena ligeramente la Tierra.
Al mismo tiempo, la influencia de la fuerza centrífuga obliga al cable a volver a una posición vertical energéticamente favorable, de modo que se encontrará en un estado de equilibrio estable. Si el centro de gravedad del ascensor está siempre por encima de la órbita geoestacionaria, independientemente de la velocidad de los ascensores, no caerá.
Cuando la carga llega a la GEO, su momento angular (velocidad horizontal) es suficiente para poner la carga en órbita.
Al bajar la carga se producirá el proceso inverso, inclinando el cable hacia el este.
Lanzarse al espacio
Al final del cable, a una altitud de 144.000 km, la componente tangencial de la velocidad será de 10,93 km/s, más que suficiente para abandonar el campo gravitacional de la Tierra y lanzar naves hacia Saturno. Si se permitiera que el objeto se deslizara libremente a lo largo de la parte superior de la correa, tendría suficiente velocidad para escapar del sistema solar. Esto sucederá debido a la transición del momento angular total del cable (y de la Tierra) a la velocidad del objeto lanzado.
Para lograr velocidades aún mayores, puede alargar el cable o acelerar la carga mediante electromagnetismo.
Construcción

La construcción está en marcha desde geoestacionario estaciones. Esto es lo único un lugar donde una nave espacial puede aterrizar. Un extremo desciende a la superficie de la Tierra, estirado por la fuerza de la gravedad. Otro, por equilibrio, - en la dirección opuesta lado, siendo arrastrado por la fuerza centrífuga. Esto significa que todos los materiales para la construcción deben ser levantados. a geoestacionarioórbita de forma tradicional, independientemente del destino de la carga. Es decir, el coste de levantar todo el ascensor espacial. a geoestacionarioórbita: el precio mínimo del proyecto.
Economía de un ascensor espacial

Presumiblemente, el ascensor espacial reducirá en gran medida el coste de enviar carga al espacio. Los ascensores espaciales son costosos de construir, pero sus costos operativos son bajos, por lo que es mejor utilizarlos durante largos períodos de tiempo para grandes volúmenes de carga. Actualmente, el mercado para el lanzamiento de cargas puede no ser lo suficientemente grande como para justificar la construcción de un ascensor, pero la drástica reducción del precio debería conducir a una mayor variedad de cargas. Otras infraestructuras de transporte (autopistas y ferrocarriles) se justifican de la misma manera.
El costo de desarrollar un ascensor es comparable al costo de desarrollar un transbordador espacial [fuente no especificada 810 días]. Aún no hay respuesta a la pregunta de si el ascensor espacial devolverá el dinero invertido en él o si sería mejor invertirlo en el desarrollo de la tecnología de cohetes.
No debemos olvidarnos del límite en el número de satélites de retransmisión. en geoestacionarioórbita: actualmente los acuerdos internacionales permiten 360 satélites, un transpondedor por grado angular, para evitar interferencias durante la transmisión en la banda de frecuencia Ku. Para las frecuencias C, el número de satélites está limitado a 180.
Por tanto, el ascensor espacial es mínimamente adecuado para lanzamientos masivos. a geoestacionarioórbita [fuente no especificada 554 días] y es más adecuada para la exploración del espacio exterior y de la Luna en particular.
Esta circunstancia explica el verdadero fracaso comercial del proyecto, ya que los principales costes financieros de las organizaciones no gubernamentales se centran para retransmitir satélites, ocupando órbitas geoestacionarias (televisión, comunicaciones) o órbitas inferiores (sistemas de posicionamiento global, observación de recursos naturales, etc.).
Sin embargo, el ascensor puede ser un proyecto híbrido y, además de la función de poner carga en órbita, seguir siendo una base para otros programas comerciales y de investigación no relacionados con el transporte.
Logros

Desde 2005 se celebra en Estados Unidos la competición anual Space Elevator Games, organizada por la Fundación Spaceward con el apoyo de la NASA. En estos concursos hay dos categorías: “mejor cable” y “mejor robot (elevador)”.
En la competición de levantamiento, el robot debe superar una distancia determinada, trepando por un cable vertical a una velocidad no inferior a la establecida por las reglas. (en competiciones En 2007, los estándares eran los siguientes: longitud del cable - 100 m, velocidad mínima - 2 m/s). El mejor resultado de 2007 fue recorrer una distancia de 100 m con una velocidad media de 1,8 m/s.
El fondo total de premios para el concurso Space Elevator Games en 2009 fue de 4 millones de dólares.
En la competición de fuerza con cuerdas, los participantes deberán disponer de un aro de dos metros. hecho de resistente material que no pese más de 2 gramos, cuya resistencia a la tracción se prueba mediante una instalación especial. Para ganar el concurso, la resistencia del cable debe ser al menos un 50% mayor en este indicador que la muestra que ya tiene la NASA. Hasta ahora, el mejor resultado lo obtuvo el cable que soportó una carga de hasta 0,72 toneladas.
La competencia no incluye a Liftport Group, que ganó notoriedad por sus afirmaciones de lanzar un ascensor espacial en 2018 (luego pospuesto hasta 2031). Liftport lleva a cabo sus propios experimentos, por ejemplo, en 2006, un ascensor robótico trepó por una cuerda fuerte estirada con ayuda de globos. En un kilómetro y medio, el ascensor logró recorrer sólo 460 metros. En la siguiente etapa la empresa prevé realizar pruebas en un cable de 3 km de altura.
La competencia Space Elevator Games, organizada por la Fundación Spaceward y la NASA, se llevó a cabo del 4 al 6 de noviembre de 2009 en el sur de California, en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden, dentro de los límites de la famosa Base de la Fuerza Aérea Edwards. La longitud de prueba del cable fue de 900 metros y el cable se levantó con ayuda de un helicóptero. El liderazgo lo tomó LaserMotive, que presentó un ascensor con una velocidad de 3,95 m/s, muy cercana a la velocidad requerida. El ascensor recorrió toda la longitud del cable en 3 minutos 49 segundos y transportó una carga útil de 0,4 kg.
En agosto de 2010, LaserMotive demostró su último invento en la Conferencia de sistemas no tripulados AUVSI en Denver, Colorado. Un nuevo tipo de láser ayudará a transmitir energía a largas distancias de forma más económica; el láser consume sólo unos pocos vatios.
Literatura

Yuri Artsutanov “Al espacio - en una locomotora eléctrica" periódico "Komsomolskaya Pravda" del 31 de julio de 1960.
Alexander Bolonkin “Lanzamiento y vuelo espacial sin cohetes”, Elsevier, 2006, 488 págs. http://www.scribd.com/doc/24056182
Ascensor espacial en diversas obras.

Una de las obras famosas de Arthur C. Clarke, Las fuentes del paraíso, se basa en la idea de un ascensor espacial. Además, aparece un ascensor espacial y en la final partes de su famosa tetralogía Odisea en el espacio (3001: La odisea final).
Battle Angel presenta un ascensor espacial ciclópeo, en un extremo del cual se encuentra la Sky City de Salem (para ciudadanos) junto con una ciudad baja (para no ciudadanos), y en el otro extremo está la ciudad espacial de Yeru. Una estructura similar se encuentra al otro lado de la Tierra.
En Star Trek: Voyager episodio 3x19 "Rise", un ascensor espacial ayuda a la tripulación a escapar de un planeta con una atmósfera peligrosa.
Civilization IV tiene un ascensor espacial. Allí se encuentra uno de los “Grandes Milagros” posteriores.
La novela de ciencia ficción de Timothy Zahn "Silkworm" (1985) menciona un planeta capaz de producir superfibra. Una de las razas, interesada en el planeta, quería adquirir esta fibra específicamente para la construcción de un ascensor espacial.
En la dilogía de Sergei Lukyanenko "Las estrellas son juguetes fríos", una de las civilizaciones extraterrestres, en el proceso de comercio interestelar, entregó a la Tierra hilos superfuertes que podrían usarse para construir un ascensor espacial. Pero las civilizaciones extraterrestres insistieron exclusivamente en uso para el propósito previsto: ayudar durante el parto.
En el anime Mobile Suit Gundam 00 hay tres ascensores espaciales, a los que también se les ha colocado un anillo de paneles solares, lo que permite utilizar el ascensor espacial para generar electricidad.
En el anime Z.O.E. Dolores presenta un ascensor espacial y también muestra lo que podría suceder en caso de un ataque terrorista.
En la novela de ciencia ficción "Doomed to Victory" de J. Scalzi (inglés: Scalzi, John. Old Man's War), los sistemas de ascensores espaciales se utilizan activamente en la Tierra, en numerosas colonias terrestres y en algunos planetas de otras razas inteligentes altamente desarrolladas para comunicarse con los atracaderos de naves interestelares.
En la novela de ciencia ficción "El mañana será la eternidad" de Alexander Gromov, la trama se basa en el hecho de la existencia de un ascensor espacial. Hay dos dispositivos: una fuente y un receptor que, utilizando un "haz de energía", son capaces de poner la "cabina" del ascensor en órbita.
La novela de fantasía de Alastair Reynolds La ciudad del abismo ofrece una descripción detallada de la estructura. y funcionamiento Ascensor espacial, se describe el proceso de su destrucción (como resultado de un ataque terrorista).
La novela de ciencia ficción Strata de Terry Pratchett presenta la Línea, una molécula artificial extremadamente larga utilizada como ascensor espacial.
Mencionado en la canción del grupo Zvuki Mu “Elevator to Heaven”
El ascensor espacial se menciona en la serie de anime Trinity Blood, en la que la nave espacial Arc sirve como contrapeso.
Al comienzo del juego Sonic Colors, se puede ver a Sonic y Tails tomando el ascensor espacial para llegar al Dr. Eggman's Park.
ver también

arma espacial
Iniciar bucle
fuente espacial
Notas

http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html Ascensor espacial y nanotecnología
Al espacio, ¡en ascensor! // kp.ru
Órbitas de ascensores espaciales Sociopolítico y divulgación científica Revista espacial rusa No. 11, 2008
Los nanotubos de carbono son dos órdenes de magnitud más fuertes que el acero
MEMBRANA | Noticias del mundo | Los nanotubos no sobrevivirán a un ascensor espacial
El nuevo papel de grafeno resulta ser más resistente que el acero
Lemeshko Andrey Viktorovich. Ascensor espacial Lemeshko A.V./ Ascensor espacial Lemeshko A.V.
es: Televisión por satélite#Tecnología
El ascensor hacia el cielo bate récords con la vista puesta en el futuro
Desarrollan un láser que podría impulsar ascensores espaciales
LaserMotive hará una demostración de un helicóptero propulsado por láser en la feria Unmanned Systems North America 2010 de AUVSI

Hoy en día, la exploración espacial no es sólo una idea mundial, es un objetivo por el que se esfuerzan cada estado individual y sus coaliciones en su conjunto. Para una mayor exploración del espacio, así como para una colonización exitosa de los planetas, se requiere un desarrollo intensivo de tecnologías, lo que puede conducir al surgimiento de nuevas herramientas, medios y métodos de movimiento en el espacio ultraterrestre. En estaciones orbitales como la ISS o Tiangong se llevan a cabo experimentos que promueven el desarrollo de estas tecnologías.

Por esta razón, una parte impresionante de la investigación actual en el campo de la astronáutica tiene como objetivo aumentar la productividad de estas estaciones y sus tripulaciones, así como reducir el coste de operación de las estaciones y el mantenimiento de los recursos humanos. A continuación consideraremos uno de los proyectos más ambiciosos y de mayor escala en este ámbito: un ascensor espacial.

El objetivo principal de la construcción de un ascensor espacial es reducir el coste de llevar la carga a la órbita terrestre. El hecho es que entregar cualquier carga a una estación orbital mediante naves espaciales de transporte es bastante caro. Por ejemplo, una de las naves de transporte de la NASA, desarrollada por SpaceX - Dragon, requiere un costo de lanzamiento de alrededor de 133 millones de dólares, mientras que durante la última misión (SpaceX CRS-9) la nave fue cargada con 5000 libras (2268 kg). Así, si calculamos el coste de una libra, será de 58,6 mil dólares por 1 kg.

La impresión artística de un ascensor espacial.

ascensor espacial

Quien piense que con ayuda de la nanotecnología sólo es posible crear algo submicroscópico, invisible al ojo humano, probablemente se sorprenderá del proyecto desarrollado recientemente por especialistas de la NASA y que tanta atención ha despertado entre los científicos y el público en general. público. Estamos hablando del llamado proyecto de ascensor espacial.

Un ascensor espacial es un cable de varias decenas de miles de kilómetros de largo que conecta una estación espacial en órbita con una plataforma ubicada en medio del Océano Pacífico.

La idea de un ascensor espacial tiene más de un siglo. El primero en hablar de ello en 1895 fue el gran científico ruso Konstantin Tsiolkovsky, fundador de la cosmonáutica moderna. Señaló que el principio que subyace a la ciencia espacial moderna no permite que los vehículos de lanzamiento modernos sean un medio eficaz para transportar carga al espacio. Hay varias razones para esto:

En primer lugar, la eficiencia de los cohetes modernos es muy baja debido al hecho de que la mayor parte de la potencia de los motores de la primera etapa se dedica a superar la fuerza de gravedad.

En segundo lugar, se sabe que un aumento significativo en la masa de combustible varias veces produce solo un pequeño aumento en la velocidad.cohetes. Por eso, por ejemplo, el sistema de cohetes estadounidense Saturno-Apolo, con una masa de lanzamiento de 2900 toneladas, puso en órbita sólo 129 toneladas. De ahí el coste astronómico de los lanzamientos espaciales utilizando cohetes (el coste de lanzar un kilogramo de carga a una órbita baja promedia unos 10.000 dólares).

Y, a pesar de los repetidos intentos de reducir el costo del lanzamiento de cohetes, parece que el costo del transporte de bienes y personas a la órbita se reduce radicalmente al costo del transporte aéreo estándar basado en modernas tecnologías de cohetes.

fundamentalmente imposible.

Para enviar carga al espacio de forma más económica, los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos propusieron crear un ascensor espacial. Según estimaciones preliminares, el coste de lanzar la carga mediante un ascensor podría bajar de decenas de miles de dólares a 10 dólares por kilogramo. Los científicos creen

que el ascensor espacial podría literalmente poner el mundo patas arriba, brindando a la humanidad oportunidades completamente nuevas.

Básicamente, el ascensor será un cable que conectará la estación orbital con una plataforma en la superficie de la Tierra. Cabinas montadas sobre orugas se moverán hacia arriba y hacia abajo a lo largo del cable, transportando satélites y sondas que deben ponerse en órbita. Con la ayuda de este ascensor, en la parte superior será posible construir una plataforma de lanzamiento en el espacio para naves espaciales que se dirijan a la Luna, Marte, Venus y asteroides. El problema del suministro de energía a las propias “cabinas” de los ascensores se ha resuelto de forma original: el cable se cubrirá con paneles solares o las cabinas se equiparán con pequeños paneles fotovoltaicos, que serán iluminados por potentes láseres terrestres.

Los científicos proponen colocar la base terrestre del ascensor espacial en el océano, en las aguas ecuatoriales del Océano Pacífico, a cientos de kilómetros de las rutas de vuelos comerciales. Se sabe que los huracanes nunca cruzan el ecuador y aquí casi no hay rayos, lo que proporcionará protección adicional al ascensor.

El ascensor espacial se describe en las obras de Tsiolkovsky, así como en las del escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke, y el proyecto para la construcción de dicho ascensor fue desarrollado por el ingeniero de Leningrado Yuri Artsutanov en 1960. Durante muchos años, un promotor activo de la idea de un ascensor espacial fue el Astrakhan.

científico G. Polyakov.

Pero hasta ahora nadie había podido ofrecer un material tan ligero y resistente que pudiera utilizarse para fabricar un cable espacial. Hasta hace poco, el material más duradero era el acero. Pero no es posible fabricar un cable de acero de varios miles de kilómetros de largo, ya que incluso cálculos simplificados indican que un cable de acero de la resistencia requerida colapsaría por su propio peso ya a una altitud de 50 km.

Sin embargo, con el desarrollo de la nanotecnología ha surgido una verdadera oportunidad de producir un cable con las características requeridas a partir de fibras de nanotubos de carbono ultrarresistentes y ultraligeros: hasta el momento nadie ha conseguido fabricar ni siquiera un metro de longitud. cable de nanotubos, pero, según los desarrolladores del proyecto, las tecnologías de producción de nanotubos mejoran cada día, por lo que un cable de este tipo podría estar listo en unos pocos años.

El elemento principal del ascensor es un cable, un extremo del cual está unido a la superficie de la Tierra y el otro se pierde en el espacio a una altitud de unos 100 mil km. Este cable no sólo “colgará” en el espacio exterior, sino que se estirará como una cuerda, gracias a la influencia de dos fuerzas multidireccionales: el centro

huidizo y centrípeto.

Para comprender su naturaleza, imagina que atas un objeto a una cuerda y comienzas a desenredarlo. Tan pronto como adquiere una cierta velocidad, la cuerda se tensará, porque sobre el objeto actúa una fuerza centrífuga y sobre la propia cuerda actúa una fuerza centrípeta, que tira de él. Algo parecido ocurrirá con un cable elevado al espacio. Cualquier objeto en su extremo superior, o incluso en el propio extremo libre, girará, como un satélite artificial de nuestro planeta, sólo que "atado" con una "cuerda" especial a la superficie terrestre.

El equilibrio de fuerzas se producirá cuando el centro de masa de la cuerda gigante se encuentre a una altitud de 36 mil kilómetros, es decir, en la llamada órbita geoestacionaria. Es allí donde los satélites artificiales cuelgan inmóviles sobre la Tierra y hacen una revolución completa con ella en 24 horas. En este caso, no solo estará tenso, sino que también podrá ocupar constantemente una posición estrictamente definida: vertical al horizonte terrestre, exactamente hacia el centro de nuestro planeta.

Figura 24. El ascensor espacial imaginado por el artista Pat Rawlings*

Reimpreso de http://flightprojects.msfc.nasa.gov

Para comenzar la construcción de un ascensor espacial, será necesario realizar un par de vuelos del transbordador espacial. Ellos y una plataforma especial con su propio motor autónomo entregarán 20 toneladas de cable a la órbita geoestacionaria. Luego se supone que debe bajar un extremo del cable a la Tierra y fijarlo en algún lugar de la zona ecuatorial del Océano Pacífico en una plataforma similar a la actual plataforma de lanzamiento de cohetes.

Luego planean colocar elevadores especiales a lo largo del cable, que agregarán cada vez más capas de recubrimiento de nanotubos al cable, aumentando su resistencia. Este proceso debería llevar un par de años y el primer ascensor espacial estará listo.

Coincidencias curiosas: en 1979, el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke, en su novela "Las fuentes del paraíso", propuso la idea de un "ascensor espacial" y propuso sustituir el acero por un cierto "pseudo-uno" ultrarresistente. -cristal de diamante dimensional”, que se convirtió en el principal material de construcción de este dispositivo. Lo más interesante es que Clark casi lo adivina: la etapa actual de interés en el proyecto de construcción de un ascensor espacial está relacionada precisamente con los cristales de carbono, los nanotubos, que tienen propiedades notables que ya conocemos.

Y lo que es absolutamente sorprendente: el físico, uno de los participantes en el desarrollo del ascensor espacial, se llama Ron Morgan. Morgan también era el nombre del personaje de la novela de Arthur C. Clarke, ¡el ingeniero que construyó el ascensor espacial!

Un viaje en un ascensor espacial probablemente recordará a un vuelo en globo aerostático: sin el rugido de las toberas, sin una columna de llamas furiosas. La Tierra se hunde suavemente. Las casas son cada vez más pequeñas, las carreteras se convierten en hilos apenas perceptibles y las cintas plateadas de los ríos se adelgazan. Finalmente, el mundo inferior y vano se oculta en las nubes y el mundo superior y trascendental se revela. La atmósfera ha pasado, detrás del cristal hay una negrura cósmica. Y la cabina se desliza cada vez más alto a lo largo de un cable, invisible contra el fondo azul verdoso del planeta y adentrándose en el vacío sin fondo.

Tsiolkovsky también describió un diseño que podría conectar la órbita con la superficie de la Tierra. A principios de la década de 1960, la idea fue desarrollada por Yuri Artsutanov y Arthur Clarke la utilizó en la novela Las fuentes del paraíso. "World of Fantasy" vuelve al tema del ascensor espacial y trata de imaginar cómo debería funcionar y qué se necesita para ello.

Órbita geoestacionaria

¿Es posible que un satélite se quede inmóvil sobre la cabeza del observador? Si la Tierra estuviera inmóvil, como en el sistema ptolemaico del mundo, la respuesta sería "no"; después de todo, sin la fuerza centrífuga, el satélite no permanecería en órbita. Pero, como sabemos, el propio observador no está inmóvil, sino que gira junto con el planeta. Si el período orbital del satélite es igual a un día sidéreo (23 horas 56 minutos 4 segundos) y su órbita se encuentra en el plano ecuatorial, el aparato flotará sobre el llamado "punto de reposo".

La órbita en la que el satélite está estacionario con respecto a su punto estacionario se llama geoestacionaria. Y es extremadamente importante para la exploración espacial. Es donde se encuentran la mayoría de los satélites de comunicaciones, y las comunicaciones son el principal ámbito de uso comercial del espacio. Las transmisiones a través de un repetidor colgado sobre el ecuador se pueden recibir en “placas” estacionarias.

También existe la idea de colocar una estación tripulada en órbita geoestacionaria. ¿Para qué? En primer lugar, para el mantenimiento y reparación de satélites de comunicaciones. Para que los satélites sirvan durante varios años más, a menudo sólo es necesario repostar los micromotores que garantizan la orientación de los paneles solares y la antena. La estación tripulada podrá maniobrar a lo largo de la órbita geoestacionaria, descender (al mismo tiempo su velocidad angular será mayor que la de los satélites "fijos"), alcanzar al vehículo que necesita mantenimiento y volver a ascender. Esto no requerirá más combustible del que consume una estación de órbita baja cuando supera la fricción con la atmósfera enrarecida.

Parecería que el beneficio es enorme. Pero abastecer un puesto de avanzada tan remoto sería demasiado caro. Cambiar tripulaciones y enviar barcos de transporte requerirá vehículos de lanzamiento cinco veces más pesados que los que se utilizan actualmente. Una idea mucho más atractiva es utilizar una estación de gran altitud para construir un ascensor espacial.

cables

¿Qué pasará si se lanza un cable desde un satélite geoestacionario hacia la Tierra? Primero, la fuerza de Coriolis lo llevará hacia adelante. Después de todo, obtendrá la misma velocidad que el satélite, pero estará en una órbita más baja, lo que significa que su velocidad angular será mayor. Pero después de un tiempo el cable ganará peso y colgará verticalmente. El radio de rotación disminuirá y la fuerza centrífuga ya no podrá equilibrar la fuerza de gravedad. Si continúas grabando la cuerda, tarde o temprano llegará a la superficie del planeta.

Para evitar que el centro de gravedad del sistema se desplace, se necesita un contrapeso. Algunas personas sugieren utilizar satélites gastados o incluso un pequeño asteroide como lastre. Pero hay una opción más interesante: grabar el cable en la dirección opuesta a la Tierra. También se enderezará y estirará. Pero ya no por su propio peso, sino por la fuerza centrífuga.

El segundo cable será más útil que un simple lastre. La entrega barata y sin cohetes de carga a la órbita geoestacionaria es útil, pero por sí sola no cubre el costo del ascensor. La estación situada a 36.000 kilómetros de altitud se convertirá únicamente en un punto de transferencia. Además, sin consumo de energía, aceleradas por la fuerza centrífuga, las cargas se moverán a lo largo del segundo cable. A una distancia de 144.000 kilómetros de la Tierra, su velocidad superará la segunda velocidad cósmica. El ascensor se convertirá en una catapulta y enviará proyectiles a la Luna, Venus y Marte utilizando la energía de la rotación del planeta.

El problema es el cable, que no debe romperse por su propio peso a pesar de su fantástica longitud. Con un cable de acero, esto sucederá a una longitud de 60 kilómetros (y posiblemente mucho antes, ya que los defectos son inevitables durante el tejido). Puede evitar romperse si el grosor de la cuerda aumenta exponencialmente con la altura; después de todo, cada sección posterior debe soportar su propio peso más el peso de todas las anteriores. Pero habrá que interrumpir el experimento mental: más cerca del extremo superior, el cable alcanzará tal grosor que las reservas de hierro en la corteza terrestre simplemente no serán suficientes para él.

Incluso el polietileno más fuerte "Dyneema", del que se fabrican chalecos antibalas y líneas de paracaídas, no es adecuado. Tiene una densidad baja, con una sección transversal de un milímetro cuadrado puede soportar una carga de dos toneladas y se rompe por su propio peso sólo a una longitud de 2.500 kilómetros. Pero el cable Dainima debe tener una masa de unas 300.000 toneladas y un espesor de 10 metros en el extremo superior. Es casi imposible poner dicha carga en órbita y el ascensor solo se puede construir desde arriba.

La esperanza la dan los nanotubos de carbono descubiertos en 1991, que en teoría son 30 veces más resistentes que el Kevlar (en la práctica, la cuerda de polietileno es aún más resistente). Si se confirman las estimaciones optimistas sobre su potencial, se podrá fabricar una cinta con una sección constante de 36.000 kilómetros de longitud, un peso de 270 toneladas y una capacidad de carga de 10 toneladas. Y si se confirman incluso las estimaciones pesimistas, un ascensor con un cable de 1 milímetro de espesor cerca de la Tierra y 25 centímetros en órbita (masa 900 toneladas sin tener en cuenta el contrapeso) ya no será ciencia ficción.

Elevar

Crear un ascensor para un ascensor espacial no es una tarea trivial. Para fabricar un cable, basta con desarrollar una nueva tecnología. Aún no se ha inventado un mecanismo capaz de trepar por este cable y poner la carga en órbita. El método "terrenal", cuando la cabina está unida a una cuerda enrollada en un tambor, no resiste las críticas: la masa de la carga será insignificante en comparación con la masa de la cuerda. El ascensor tendrá que subir solo.

Parecería que esto no es difícil de implementar. El cable se sujeta entre los rodillos y la máquina sube, sostenida por la fricción. Pero esto es sólo en la ciencia ficción un ascensor espacial: una torre o una columna poderosa dentro de la cual se mueve la cabina. En realidad, un hilo apenas visible llegará a la superficie de la Tierra, en el mejor de los casos: una cinta estrecha. La zona de contacto de los rodillos con el soporte será despreciable, lo que significa que el rozamiento no puede ser grande.

Hay una limitación más: el mecanismo no debe dañar el cable. Por desgracia, aunque la nanotela es increíblemente resistente a los desgarros, esto no significa que sea difícil de cortar o deshilachar. Reemplazar un cable roto será muy difícil. Y si explota a gran altura, la fuerza centrífuga arrastrará la estación al espacio, arruinando todo el proyecto. Para mantener el centro de gravedad del sistema en órbita en caso de emergencia, será necesario colocar pequeñas minas a lo largo de todo el cable. Si una de las ramas se rompe, inmediatamente saldrán disparadas una parte igual de la rama opuesta.

Hay muchos otros problemas interesantes que es necesario resolver. Por ejemplo, la divergencia de los ascensores que se acercan entre sí y el rescate de pasajeros de cabinas "atascadas".

El problema más difícil es el suministro de energía al ascensor. El motor requerirá mucha energía. La capacidad de las baterías, tanto las existentes como las que se están desarrollando, no es suficiente. El suministro de combustible químico y oxidante convertirá el ascensor en un sistema de tanques y motores de varias etapas. Este maravilloso diseño, por cierto, no necesita un cable costoso; existe ahora y se llama "cohete propulsor".

La forma más sencilla es incorporar hilos de contacto en el cable. Pero el cable no resistirá el peso del cableado metálico, lo que significa que habrá que “enseñar” a los nanotubos a conducir corriente eléctrica. El suministro autónomo de energía mediante paneles solares o una fuente de radioisótopos es bastante débil: según las estimaciones más optimistas, su aumento tardará décadas. Un reactor nuclear con una mejor relación masa-potencia tardaría años en poner la cabina en órbita. Pero en sí mismo es demasiado pesado y además requerirá dos o tres reabastecimientos de combustible a lo largo del camino.

Quizás la mejor opción sea transferir energía mediante un láser o una pistola de microondas, irradiando el dispositivo receptor del ascensor. Pero no está exento de defectos. Con el nivel actual de la tecnología, sólo una pequeña parte de la energía recibida puede convertirse en electricidad. El resto se convertirá en calor, que será muy problemático de eliminar en un espacio sin aire.

Si un cable se daña, será difícil llevar a los reparadores al área dañada. Y si se rompe, será demasiado tarde (fotograma del juego Halo 3: ODST)

Protección de radiación

Malas noticias para quienes quieran viajar ligeros: el ascensor atravesará los cinturones de radiación de la Tierra. El campo magnético del planeta captura las partículas del viento solar (protones y electrones) y evita que la radiación peligrosa llegue a la superficie. Como resultado, la Tierra está rodeada en el plano ecuatorial por dos toros colosales, dentro de los cuales se concentran partículas cargadas. Incluso las naves espaciales intentan evitar estas zonas.

El primer cinturón, la trampa de protones, comienza a una altitud de 500 a 1.300 kilómetros y termina a una altitud de 7.000 kilómetros. Detrás de él, hasta una altitud de aproximadamente 13.000 kilómetros, se encuentra una zona relativamente segura. Pero aún más lejos, entre 13.000 y 20.000 kilómetros, se extiende el cinturón de radiación exterior de electrones de alta energía.

Las estaciones orbitales giran debajo de los cinturones de radiación. Las naves espaciales tripuladas los cruzaron sólo durante las expediciones lunares y solo pasaron unas pocas horas en ellas. Pero el ascensor necesitará alrededor de un día para superar cada uno de los cinturones. Esto significa que la cabina deberá estar equipada con una importante protección antirradiación.

Torre de amarre

La base de un ascensor espacial suele imaginarse como un complejo de estructuras aéreas ubicadas en algún lugar de Ecuador, las selvas de Gabón o un atolón de Oceanía. Pero la solución más obvia no siempre es la mejor. Una vez liberada de la órbita, la correa se puede asegurar a la cubierta de un barco o a la cima de una torre colosal. El barco evadirá los huracanes, que pueden, si no romper el ascensor, que tiene una considerable resistencia al viento, arrojar los ascensores desde él.

Una torre de 12 a 15 kilómetros de altura protegerá el cable de la violencia de la atmósfera y también acortará algo su longitud. A primera vista, el beneficio parece insignificante, pero si la masa del cable depende exponencialmente de su longitud, incluso un pequeño aumento permitirá lograr ahorros notables. Además, la torre de amarre permite aproximadamente duplicar la capacidad de carga del sistema eliminando la sección más delgada y vulnerable del hilo.

Sin embargo, erigir un edificio de tal altura sólo es posible en las páginas de novelas de ciencia ficción. En teoría, una torre de este tipo se puede construir con un material con la dureza del diamante. En la práctica, ninguna base soportará su peso.

Sin embargo, es posible construir una torre de amarre a una altura de muchos kilómetros. Sólo que el material de construcción no debe ser hormigón, sino gas: globos llenos de helio. Tal torre será un "flotador", cuya parte inferior está sumergida en la atmósfera y, debido a la fuerza de Arquímedes, sostiene la parte superior, que ya se encuentra en un espacio casi sin aire. Esta estructura se puede construir desde abajo, a partir de bloques individuales, de pequeño tamaño y completamente reemplazables. No existen obstáculos fundamentales para que la “torre inflable” alcance una altura de 100 o incluso 160 kilómetros.

Incluso sin un ascensor espacial, una "torre flotante" tiene sentido. Como una central eléctrica, si la capa exterior está cubierta con paneles solares. Como un repetidor que da servicio a un área con un radio de mil quinientos kilómetros. Finalmente, como observatorio y base para el estudio de las capas superiores de la atmósfera.

Y si no se aspira a una altura de cientos de kilómetros, se puede utilizar como estación de atraque un globo en forma de anillo "anclado" a una altitud de 40 kilómetros. Un dirigible gigante (o varios dirigibles situados uno encima del otro) descargará el cable del ascensor, asumiendo su peso en las últimas decenas de kilómetros.

Pero las ventajas más significativas vendrían de una plataforma móvil en forma de dirigible de gran altitud que volaría sobre el ecuador a una velocidad de 360 km/h (lo cual es bastante alcanzable cuando el motor funciona con paneles solares y un reactor nuclear). . En este caso, no es necesario que el satélite flote sobre un punto. Su órbita se situará a 7.000 kilómetros por debajo de la geoestacionaria, lo que reducirá la longitud del cable en un 20% y la masa en 2,5 veces (teniendo en cuenta los beneficios del uso de la “torre de amarre”). Queda por resolver el problema de la entrega de carga al propio dirigible.

catapulta de gravedad

El ascensor espacial es el proyecto más ambicioso, pero no el único, que utiliza correas para lanzar naves espaciales. Algunos otros planes se pueden realizar con el nivel actual de tecnología.

¿Qué sucederá, por ejemplo, si una carga atada con un cable es empujada “hacia arriba” desde el transbordador que está en órbita, alejándolo de la Tierra? Según la ley de conservación del impulso, la propia nave se desplazará a una órbita más baja. Y empezará a caer. La carga, que arrastra consigo el cable que se está desenrollando, primero será desviada hacia atrás por la fuerza de Coriolis, pero luego se precipitará hacia “hacia arriba”. De hecho, con un aumento en el radio de rotación, la gravedad se debilitará y la fuerza centrífuga aumentará. El sistema funcionará como una catapulta, una antigua máquina arrojadiza. La lanzadera asumirá el papel de una jaula con piedras, el cable se convertirá en una eslinga y el eje será el centro de masa general del sistema, que se encuentra en estado de ingravidez en la órbita inicial de la nave. Al girar con respecto al eje, el cable se enderezará en dirección vertical, se estirará y arrojará la carga.

La diferencia entre una catapulta gravitacional y un ascensor espacial es que el papel de "jaula" en el ascensor lo desempeña el propio planeta, "cayendo" a una altura indistinguiblemente pequeña en relación con el centro de masa del "proyectil terrestre". sistema. En este caso, se gastará la energía cinética de la lanzadera. La nave transferirá parte de su impulso a la carga, digamos, una estación interplanetaria automática, perderá velocidad y altitud y entrará en las densas capas de la atmósfera. Lo cual también es bueno, ya que normalmente para salir de órbita el transbordador tiene que ser frenado por sus motores, quemando combustible.

Con la ayuda de una catapulta de cable, el transbordador podrá enviar entre 2 y 3 veces más carga a Marte o Venus que de forma tradicional. Esto, sin embargo, todavía no permitirá que el sistema de lanzadera compita en términos de eficiencia con un vehículo de lanzamiento convencional. Después de todo, para un lanzamiento "catapulta" será necesario poner en órbita no solo la carga útil, sino también un cable gigantesco con un "contrapeso". Otra cosa es que el contrapeso de la catapulta se puede encontrar directamente en órbita; por ejemplo, un barco de transporte que haya completado su misión servirá. Además, alrededor de nuestro planeta gira una masa de “basura espacial” que será necesario recoger en un futuro previsible.

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Los problemas asociados con la construcción de un ascensor espacial están lejos de resolverse. No aparecerá pronto una alternativa rentable a los cohetes y lanzaderas. Pero por el momento, la “escalera al vacío” es el proyecto más fantástico y de mayor escala en el que está trabajando la ciencia. Incluso si la estructura, cuya longitud es una docena de veces el diámetro del planeta, resulta ineficaz, marcará el comienzo de una nueva etapa en la historia de la humanidad. La misma “salida de la cuna” de la que habló Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky hace más de un siglo.

Mucha gente conoce la historia bíblica de cómo las personas se propusieron llegar a ser como Dios y decidieron erigir una torre tan alta como el cielo. El Señor, enojado, hizo que todo el pueblo hablara diferentes idiomas y la construcción se detuvo.

Es difícil decir si esto es cierto o no, pero después de miles de años, la humanidad volvió a pensar en la posibilidad de construir una supertorre. Después de todo, si logras construir una estructura de decenas de miles de kilómetros de altura, ¡puedes reducir el costo de entregar carga al espacio casi mil veces! El espacio dejará de ser de una vez por todas algo lejano e inalcanzable.

Querido espacio

El concepto de ascensor espacial fue considerado por primera vez por el gran científico ruso Konstantin Tsiolkovsky. Supuso que si se construye una torre de 40.000 kilómetros de altura, la fuerza centrífuga de nuestro planeta sujetará toda la estructura, evitando que se caiga.

A primera vista, esta idea huele a manilovismo a kilómetros de distancia, pero pensemos con lógica. Hoy en día, la mayor parte del peso de los cohetes es combustible, que se gasta en vencer la gravedad de la Tierra. Por supuesto, esto también afecta al precio de lanzamiento. El coste de llevar un kilogramo de carga útil a la órbita terrestre baja es de unos 20.000 dólares.

Por eso, cuando los familiares regalan mermelada a los astronautas de la ISS, puedes estar seguro: es el manjar más caro del mundo. ¡Ni siquiera la Reina de Inglaterra puede permitírselo!

El lanzamiento de un transbordador le costó a la NASA entre 500 y 700 millones de dólares. Debido a problemas en la economía estadounidense, la dirección de la NASA se vio obligada a cerrar el programa del transbordador espacial y subcontratar la función de entrega de carga a la ISS a empresas privadas.

Además de los problemas económicos, también los hay políticos. Debido a los desacuerdos sobre la cuestión ucraniana, los países occidentales han introducido una serie de sanciones y restricciones contra Rusia. Desgraciadamente, esto también afectó a la cooperación en astronáutica. La NASA recibió una orden del gobierno estadounidense de congelar todos los proyectos conjuntos, a excepción de la ISS. En respuesta, el viceprimer ministro Dmitry Rogozin dijo que Rusia no está interesada en participar en el proyecto ISS después de 2020 y tiene la intención de pasar a otras metas y objetivos, como el establecimiento de una base científica permanente en la Luna y un vuelo tripulado a Marte.

Lo más probable es que Rusia lo haga junto con China, India y, posiblemente, Brasil. Cabe señalar: Rusia ya estaba a punto de completar el trabajo en el proyecto y las sanciones occidentales simplemente aceleraron este proceso.

A pesar de planes tan grandiosos, todo puede quedar en el papel a menos que se desarrolle una forma más eficiente y económica de transportar carga más allá de la atmósfera terrestre. ¡En total se gastaron más de 100 mil millones de dólares en la construcción de la misma ISS! Incluso da miedo imaginar cuántos "verdes" se necesitarán para crear una estación en la Luna.

Un ascensor espacial podría ser la solución perfecta al problema. Una vez que el ascensor esté operativo, los costos de envío podrían bajar a dos dólares por kilogramo. Pero primero tendrás que devanarte los sesos sobre cómo construirlo.

Margen de seguridad

En 1959, el ingeniero de Leningrado, Yuri Nikolaevich Artsutanov, desarrolló la primera versión funcional de un ascensor espacial. Como es imposible construir un ascensor de abajo hacia arriba debido a la gravedad de nuestro planeta, propuso hacer lo contrario: construirlo de arriba hacia abajo. Para ello, fue necesario lanzar un satélite especial a una órbita geoestacionaria (a unos 36.000 kilómetros), donde debía posicionarse por encima de un determinado punto del ecuador terrestre. Luego comience a ensamblar los cables en el satélite y bájelos gradualmente hacia la superficie del planeta. El propio satélite también desempeñaba la función de contrapeso, manteniendo constantemente tensos los cables.

El público en general pudo conocer en detalle esta idea cuando, en 1960, Komsomolskaya Pravda publicó una entrevista con Artsutanov. La entrevista también fue publicada por los medios occidentales, tras lo cual el mundo entero se vio sometido a la “fiebre de los ascensores”. Los escritores de ciencia ficción fueron especialmente entusiastas y pintaron imágenes optimistas del futuro, cuyo atributo indispensable era el ascensor espacial.

Todos los expertos que estudian la posibilidad de crear un ascensor coinciden en que el principal obstáculo para la realización de este plan es la falta de material suficientemente resistente para los cables. Según los cálculos, este hipotético material debería soportar una tensión de 120 gigapascales, es decir. ¡Más de 100.000 kilogramos por metro cuadrado!

La resistencia del acero es de aproximadamente 2 gigapascales, para opciones particularmente fuertes es de un máximo de 5 gigapascales, para la fibra de cuarzo es ligeramente superior a 20. Esto es simplemente monstruosamente bajo. Surge la eterna pregunta: ¿qué hacer? Desarrollar la nanotecnología. El candidato más prometedor para el papel de cable de ascensor pueden ser los nanotubos de carbono. Según los cálculos, su potencia debería ser mucho mayor que el mínimo de 120 gigapascales.

Hasta ahora, la muestra más fuerte ha podido soportar una tensión de 52 gigapascales, pero en la mayoría de los demás casos se han roto en el rango de 30 a 50 gigapascales. Durante largas investigaciones y experimentos, los especialistas de la Universidad del Sur de California lograron un resultado inaudito: ¡su tubo pudo soportar un voltaje de 98,9 gigapascales!

Desafortunadamente, esto fue un éxito excepcional y existe otro problema importante con los nanotubos de carbono. Nicolas Pugno, científico de la Universidad Politécnica de Turín, llegó a una conclusión decepcionante. Resulta que incluso debido al desplazamiento de un átomo en la estructura de los tubos de carbono, la resistencia de un área determinada puede disminuir drásticamente en un 30%. Y todo ello a pesar de que la muestra de nanotubos más larga obtenida hasta el momento mide sólo dos centímetros. Y si tenemos en cuenta que la longitud del cable debe ser de casi 40.000 kilómetros, la tarea parece sencillamente imposible.

Escombros y tormentas

Otro problema muy grave está relacionado con la basura espacial. Cuando la humanidad se instaló en la órbita cercana a la Tierra, comenzó uno de sus pasatiempos favoritos: contaminar el espacio circundante con productos de su actividad vital. Al principio, esto no nos preocupaba especialmente. “¡Después de todo, el espacio es infinito! - razonamos. “¡Tiras el trozo de papel y éste continuará explorando la inmensidad del Universo!”

Aquí es donde cometimos un error. Todos los escombros y restos de aviones están condenados a dar vueltas alrededor de la Tierra para siempre, capturados por su poderoso campo gravitacional. No hace falta ser ingeniero para descubrir qué pasaría si uno de estos pedazos de basura chocara con un cable. Por lo tanto, miles de investigadores de todo el mundo se están devanando los sesos sobre la cuestión de la eliminación de un vertedero cercano a la Tierra.

La situación con la base del ascensor en la superficie del planeta tampoco está del todo clara. Inicialmente, se planeó crear una base estacionaria en el ecuador para garantizar la sincronización con un satélite geoestacionario. Sin embargo, entonces no se pueden evitar los efectos nocivos sobre el elevador de los vientos huracanados y otros desastres naturales.

Entonces surgió la idea de unir la base a una plataforma flotante que pudiera maniobrar y “evitar” tormentas. Pero en este caso, los operadores en órbita y en la plataforma se verán obligados a realizar todos los movimientos con precisión quirúrgica y sincronización absoluta, de lo contrario toda la estructura se irá al infierno.

¡Mantener la cabeza en alto!

A pesar de todas las dificultades y obstáculos que se encuentran en nuestro espinoso camino hacia las estrellas, no debemos agacharnos y dejar en un segundo plano este proyecto, sin duda único. Un ascensor espacial no es un lujo, sino algo vital.

Sin él, la colonización del espacio cercano se convertirá en una tarea costosa y que requerirá mucha mano de obra y puede llevar muchos años. Por supuesto, hay propuestas para desarrollar tecnologías antigravedad, pero esta es una perspectiva demasiado lejana y el ascensor será necesario en los próximos 20 a 30 años.

Un ascensor es necesario no sólo para subir y bajar cargas, sino también como “megaeslinga”. Con su ayuda, es posible lanzar naves espaciales al espacio interplanetario sin gastar grandes cantidades de combustible tan preciado, que de otro modo podría utilizarse para acelerar la nave. De particular interés es la idea de utilizar un ascensor para limpiar la Tierra de residuos peligrosos.

Digamos que el combustible nuclear gastado de una central nuclear puede colocarse en cápsulas selladas y luego enviarse al fuego directo hacia el Sol, para lo cual quemar semejante moco es pan comido.

Pero, aunque parezca extraño, la implementación de tal idea no es más bien una cuestión de economía o ciencia, sino de política. Tenemos que afrontar la verdad: ningún país del mundo puede hacer frente de forma independiente a un proyecto tan grandioso. No hay manera de prescindir de la cooperación internacional.

En primer lugar, es importante la participación de Estados Unidos, la Unión Europea, China, Japón, India, Brasil y, por supuesto, Rusia. Así que, no importa cómo se mire, tendrán que sentarse a la mesa de negociaciones y fumar la pipa de la paz. Por lo tanto, muchachos, vivamos juntos y ¡todo nos saldrá bien!

Adilet URAIMOV