Vesmírný výtah – pokus o odpovědi na otázky  
Proč stoupající náklad nepotřebuje žádné urychlovací rakety? Jak by bylo lano chráněno proti atmosférickým vlivům a také na případnou kolizi s odpadem pohybujícím se vysokou rychlostí po oběžné dráze Země?

Na úvod si opět oživme téma vesmírného výtahu videem a položme si otázku, zda skutečně není ten pravý čas se zamyslet nad nějakou změnou v tradičním způsobu dopravy materiálu na oběžnou dráhu. Podotýkám, že současný systém se od dob druhé světové války a Wernher von Brauna téměř nezměnil.



 

Jaký vliv bude mít urychlování nákladu na lano?
Asi nejčastěji kladenou a diskutovanou otázkou je problematika urychlení nákladu stoupajícího po laně. Jak k němu dojde a jak je možné, že  nestáhne lano s sebou dozadu?

 

Pravdou je, že každý náklad putující po laně vzhůru bude potřebovat energii ke svému urychlení z 0,46km/s (rychlost na povrch Země v oblasti rovníku) na 3,07km/s (rychlost na geostacionární dráze). Je nutné pochopit, že se rotující lano nachází v poloze s nejmenší potencionální energií - polohou kolmé k ose rotace. Ostatní polohy jsou pro lano labilní – mají více potenciální energie a je známo, že se těleso v labilní poloze snaží zaujmout pozici stabilní.

 

 

 

Ukažme si to na příkladu. Přestavme si provázek v gravitačním poli, na jehož konci je připevněno závaží. Podržme provázek za druhý konec. Závaží nám napne provázek kolmo k zemi, čímž zaujme polohu s nejmenší potenciální energií. Pokud závaží vychýlíme do strany, tak po chvíli opět zaujme původní polohu. Při tomto procesu bude tato soustava nepozorovatelně působit na naši ruku silou opačnou ke svému vyrovnání. Nahradíme-li v našem experimentu sílu gravitační silou odstředivou, o vychýlení se nám postará stoupající náklad a energii k rotaci pak bude dodávat Země. Země tedy předává svou rotační energii lanu a nákladu na něm umístěném a obojí urychluje tak dlouho, dokud nedojde k opětovnému dosažení stabilní polohy. K namotání lana tedy nedojde, neopak ve srovnání s jinými prostředky zde máme minimální energetický nárok na dopravu, protože řešíme pouze polohovou energii zdviže a ne její urychlení. Vedlejším důsledkem poté ovšem je mikroskopické zpomalení Zemské rotace.

 

 


Jaký vliv budou mít na lano atmosférické jevy?
Další okruh otázek se týká atmosférických jevů a jejich důsledků. Jak budou na lano působit blesky, bouře nebo hurikány? Jak bude docházet k vyrovnání potenciálu mezi ionosférou a zemí? Co koroze působená atmosférickým kyslíkem?

 

 

Základním předpokladem pro umístění lana je výběr lokality v oblasti rovníku s nízkou atmosférickou aktivitou a také užití pohyblivé kotvy. Tato kotva by měla sloužit k manipulaci se základnou lana v rámci několika stovek kilometrů a včas se tak vyhnout případným bouřím. Před ostatními atmosférickými vlivy, korozí a atmosférickým kyslíkem by měl lano chránit ochranný film nanesený na jeho povrchu. Dále se předpokládá, že by bylo lano vytvořeno z uhlíkových nanotrubiček a to z konfigurace, která je velmi dobrým izolantem. Toto by mělo účinně zabránit tvorbě elektrických proudů po celé délce, což současně vylučuje případné vytvoření zdroje elektrické energie.

 

Jaký vliv na lano budou mít vibrace?
Lano výtahu bude v neustálem pohybu a to ve všech směrech. Tento stav bude zapříčiněn pohybem nákladu, posunem kotvy, atmosférickými vlivy, slapovými jevy a také slunečním větrem. Současným názorem je, že by koordinace pohybu stoupajících zdviží, protiváhy a kotvy měla být dostatečným řešením. Samozřejmě teorie a případná praxe se může hodně lišit.


Následující video dobře ilustruje jeden z možných případů ohrožující realizaci celé stavby:

 

 

 


Jak by probíhala konstrukce lana?
Jak vyrobit 100.000 km dlouhou uhlíkovou nanotrubičku? A jak to celé dostat na oběžnou dráhu?
Opravdu není potřeba vyrobit trubičku o délce 100.000 km. Tak jako je upleten běžný provaz, tak i naše lano by se skládalo z vláken nanotrubek pouhých několik milimetrů dlouhých. Výsledné lano bude mít díky tření mezi vlákny srovnatelnou pevnost jako součet pevnosti jednotlivých vláken.

 

K zahájení konstrukce výtahu bude potřeba vynést jeho základní část klasickými raketami na chemický pohon. Takový základní výtah je zatím odhadován 100t na lano + 50t na protiváhu a při této konfiguraci by měl být schopen užitného zatížení 2t. Takové množství materiálu by měla být schopna vynést na geostacionární dráhu například raketa Ares V na dva starty. Pokud bychom chtěli vybrat z některých aktuálních nosičů nebo alespoň nosičů, jejichž vývoj bude v rozumné době dokončen, tak vyvíjená Ariane 5 ECB by musela s tímto nákladem letět zhruba 13x.

 

 

Jak by probíhala stavba na oběžné dráze? Současnou představou je, že by se lano skládalo z mnoha částí spojených k sobě lepením, mechanicky nebo kombinací obou. Rozdělení lana na jednotlivé části je jedním z navrhovaných způsobů, jak by mohlo lano “růst“. Po vynesení základní části raketovými nosiči by už sama zdviž začala vynášet silnější části lana, které by se přidávaly do středové části a současně by se na okrajích slabší segmenty zase odebíraly. Tato konstrukce by také měla umožnit případnou obnovu konkrétních částí lana.
 
 

Jaká je pravděpodobnost kolize s vesmírným odpadem na oběžné dráze?

Na oběžné dráze se za roky letů do vesmíru nashromáždilo množství drobného odpadu. V posledních letech vzniká iniciativa o podrobné sledování tras kusů větších 1 cm. Pokud by tento systém v budoucnu fungoval, tak bychom měli být schopni riziko srážky předpovědět a výtah včas bezpečně přemístit. V případě objektů menších 1cm a mikro-meteoritů je bohužel možnost včasné detekce mizivá. Toto riziko je velmi malé, ale i tak se s touto eventualitou v rámci návrhu konstrukce počítá a přidaný bezpečnostní faktor současně s navrhovaným profilem lana by pak měl možné poškození pokrýt. Nakonec je riziko kolize s takovými objekty započítáno v rámci opotřebení lana do jeho životnosti.

 

Kolik to bude stát?
Na stránkách věnujících se stavbě a problematice vesmírného výtahu je umístěn možný návrh nákladů na celou stavbu. Pro realizaci projektu se pak počítá s cenou do 10mld$ (Japonská agentura počítá s 5mld$). Jakkoliv se tato suma může zdát astronomická, tak je dobré si uvědomit, že například rozpočet NASA pro rok 2010 je 18,724mld$. Dalším názorným příkladem je start raketoplánu, který v průměru vyjde na 1,8mld$.

 

Nyní se podívejme, co je do zmiňovaných 10mld $ započítáno:


  1. Cena materiálu a výroba lana – při velmi konzervativních 1000$/kg – 1mld$

  2. Cena stanice pro přenos energie – mělo by jít o přestavěný teleskop a laser – tyto komponenty by měly stát výrazně méně než 1mld$

  3. Výstavba kotevní stanice, nákladových prostor a střediska pro kontrolu lana – opět méně než 1mld$

  4. Cena prvních 100 zdviží – při ceně sériové výroby 10m$/ks – 1mld$

  5. Cena vynesení lana – zde stránky uvádí 4 lety těžkého nosiče při 250m$ za let – 1mld$. Protože žádný takový nosič není v provozu, tak při použití nejtěžší Ariane 5 ECB a její průměrné ceně 120m$ za let bychom se u 13ti startů dostali na 1,5mld$

  6. Cena vývoje a výzkumu včetně jednoho testu na oběžné dráze – 1mld$

  7. Režie – 1mld$

 

Z výpočtu je patrné, že by se cena stavby i s rozumnou rezervou mohla dostat pod 10mld$.


 

Organizace aktivně se věnující problematice výstavby výtahu
Problematika stavby výtahu je velmi široká a některé otázky zodpovězené v tomto článku přirozeně vzbuzují další otázky. Své místo zde tentokrát nedostaly například otázky z oborů práva, financování výstavby a provozu, vědeckého a komerčního využití, návratnosti, stavby orbitální stanice a mnoha jiných. Z tohoto důvodu bych rád čtenáře odkázal na stránky http://www.spaceward.org, http://www.isec.info/http://www.sea.jp/ (Japonsky) -  organizací zabývajících se vesmírným výtahem na profesionální úrovni, které jsou nyní vedoucími průkopníky v tomto oboru.

 

 

Zvětšit obrázek
Trable ve vesmírném výtahu.

Závěrem mi dovolte zmínit ještě aktivity pořádané společností The International Space Elevator Consortium Foundation. Tato společnost pro letošní rok vypsala soutěž o dvě ceny a to Personovu na téma „Ochrana před vesmírným smetím“ určenou pro studenty vysokých škol a Artsutanovu cenu na libovolné téma vztahující se k vesmírnému výtahu. Personova cena je ohodnocena na 1.500$ a Artsutanova na 2.500$ s pozvánkou na prezentaci výsledků práce při konání výroční konference organizace. V případě, že by někdo měl zájem reprezentovat Českou republiku, zkuste se kontaktovat přes stránky zmiňované v předchozím odstavci, nebo následně v diskusi pod článkem.


Zdroje:
www.firstscience.com
http://thevialuna.blogspot.com/
http://en.wikipedia.org/wiki/Werner_Von_Braun
http://www.newscientist.com/article/dn13552?feedId=online-news_rss20

Autor: Jan Bílek
Datum: 21.04.2010 09:02
Tisk článku

Vetřelec - Probuzení - Lebbon Tim
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 299 Kč
Vetřelec - Probuzení
Lebbon Tim
Související články:

Na cestě k vesmírnému výtahu     Autor: Vladimír Wagner (17.08.2017)



Diskuze:

Řešením je

Ondřej Vomáčka,2010-05-01 10:01:17

Nabití lana rázovými vlnami, které putují v Newtonově houpačce a uzamčení těch to vln. Tím dojde k vypružení lana po celé délce, které bude způsobené vnitřním pnutím a cirkulací energie v krystalové mřížce kovového lana. Takto může být lano ztopořeno do pevnosti tyče.

Odpovědět

Xavier Vomáčka,2010-04-26 09:58:50

Naopak já si myslím, že vibrace bude atmosféra potlačovat.

Odpovědět

V ibrácie

Milan Závodný,2010-04-23 21:27:08

Myslím, že lano by sa po pár minútach po inštalácii roztrhalo na kusy. Vibrácie spôsobené atmosférou a zosilené ťahom budú nezvládnuteľné.

Odpovědět

Lano

Ondi Vo,2010-04-23 18:11:45

Lano je jeden z nevyřešených a současnou technologií neřešitelných problémů. Musíme si uvědomit, že geostationérní bod na orbitu je ve výšce skoro 36 tisíc kilometrů nad rovníkem, že musí být tedy ono lano dlouhé kolem 70 tisíc kilometrů. Toto lano je vystaveno jak kosmickému záření a chladu Vesmíru, tak agresivnímu prostředí zemské atmosféry.
Romantici používají opětovně výrazy "nanotrubičky" aniž by existovala možnost z nich sestrojit ono lano. A také se jaksi přehlíží fakt, že ono tisíce tun hmotné lano musí být po částech vynešeno na geostacinérní dráhu klasickými nosiči a pak pospojováno a raketovými motory stabilizováno ve vhodné poloze, dokud nedojde k ukotvení na zemském povrchu. Nevím kolik stojí vynést kilo do této polohy. Odhaduji, že to budou statisíce dolarů.
Lano ale není všechno, během stavby lana by musely být na tomto orbitu ubikace pro pracovníky se včím všudy, včetně ochraný proti kosmickému záření. Leda, že by byli vyvinuti roboti tuto práci zvládající.
Nevím, mě připadá tento projekt asi tak realizovatelný, jako stavba verneovského kanónu schopného vystřelit člověka na Měsíc.

Odpovědět

Dnes jsem o tom popřemýšlel

Tomáš Bartoň,2010-04-22 19:38:21

když jsem šel přes město domů ;-) Geostacionární dráha není žádné orákulum a už vůbec ne pendulum, je to orbit jako každý jiný, akorát že jeden oběh se rovná době jedné otočky Země. Nic víc. Převedeno do konkrétnějšího obrazu: co by se stalo, kdybychom přihákli na ISS lano a po něm by začal šplhat náklad nahoru? No, každým "přitažením" nahoru by "stáhl" ISS o něco níž, v poměru řekněme hmotností a pohybových energií. Čili ISS by klesala a nic by jí nevracelo nikam nahoru... to samé by čekalo základnu výtahu byť na geostac. dráze. Už první náklad (zanedbáváme-li lano a problémy s ním) by jí počal přitahovat dolů a za čas už by byla mimo synchronizaci, začala by se nejspíš předbíhat a korekce polohy by byla nevyhnutelná. Nakonec by to mohlo dopadnout tak, že palivo spotřebované na vrácení stanice do původní výšky by se mohlo rovnat palivu, které by vyneslo ten šplhající náklad nahoru (přijde mi to logické, akce a reakce se ošidit nedá) takže vlastně by výsledek mohl být stejný jako vytahnout to tam raketou :-)) Ale jen usuzuju... Kdo ví...ať poví. Až to uvidím fungovat, uvěřím :-)

Odpovědět


Re: Dnes jsem o tom popřemýšlel

Stanislav Brabec,2010-04-22 21:12:27

Lano musí sahat poměrně vysoko nad geostacionární dráhu, jinak by spadlo vlastní vahou zpět i bez nákladu.

Nad úrovní geostacionární dráhy už odstředivá síla převažuje nad přitažlivostí, a lano by tak napínala.

Kdybychom k ISS přihákli lano, nic byste na něj na při rychlosti 8km/s nepřivázal.

Odpovědět


Odstředivá síla?

Tomáš Bartoň,2010-04-23 18:06:52

Tu ISS jsem zmínil jen pro příklad, že žádná oběžná dráha není stabilní pokud na ní bude působit nějaká - jakákoli - síla.

Odpovědět


Vím a povím

Pan Neznámý,2010-04-26 20:28:58

Pravý princip a hlavní myšlenka výtahu jsou v tom, že lano je "ukotvené" k protizávaží vysoko nad geostacionární drahou. V takové výšce by obíhalo volné závaží na orbitální dráze pomaleji, než je zemská rotace. Pokud ale závaží urychlíme na stejnou úhlovou rychlost jako se otáčí Země a ukotvíme jej lanem (zvětšíme dostředivou sílu), překvapivě se bude nacházet na stabilní dráze, přitom ale bude napínat lano odstředivou silou. Pokud tedy po laně bude šplhat náklad, sice stáhne závaží níž, to ale díky odstředivé síle opět vystoupá na svojí stabilní orbitu, přižemž energii získáme z rotační energie Země. Závaží je sice na stabilní dráze, ale přesto existují stabilní oscilace, pokud by náklad stoupal moc rychle (stahování lana a následné napínání a tak pořád dokola), proto v závislosti na délce lana a hmotnosti závaží a nákladu existuje mezní rychlost výtahu.

Odpovědět

Nemohu si pomoci,

Tomáš Bartoň,2010-04-21 17:20:24

nějak se mi to pořád nezdá. Výrok "Země tedy předává svou rotační energii lanu a nákladu na něm umístěném a obojí urychluje tak dlouho, dokud nedojde k opětovnému dosažení stabilní polohy." mi přijde zcestný...

Odpovědět


hmm

Petr K,2010-04-22 10:47:17

taky mi to vysvetleni na 3 radky pripade jako ne zrovna dostatecne... Tim nechci rict, ze je nepravdive. Preci jenom, je to cele dost odlisne od vsech "skolnich" prikladu a prirovnani a tudiz dost neintuitivni. Priznavam, ze v tom mam poctivy zmatek. Na jedne strane se tu a tam operuje s tezistem, ale na druhe se zduraznuje, ze se v tomhle meritku musi zohlednit zmena gravitacniho pole. Navic kazdy bod lana chce obihat po jine orbite. A do toho vseho po tom zacne splhat nejaky vechtl :)
Asi budu muset pocitve projit link, co se objevoval i v minule diskuzi - http://www.zadar.net/space-elevator/

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace