Kłopoty z windą do nieba

Winda kosmiczna to bardzo prosta koncepcja na tani sposób by dostać się w przestrzeń kosmiczną. Gdzieś na równiku, najlepiej na oceanie, konstruujemy platformę do której przyczepiamy kabel tak długi, że dzięki rotacji Ziemi siła odśrodkowa utrzymuje go “w pionie”. Większość propozycji windy kosmicznej zakłada, że ponad orbitą geostacjonarną umieszcza się przeciwwagę, na przykład asteroidę, do której przyczepiony zostaje drugi koniec kabla. Następnie po tym niedorzecznie długim cięgnie wspinają się specjalne pojazdy, windy, które niewielkim kosztem mogą umieszczać na orbicie dowolne ładunki - satelity, części statków kosmicznych, komponenty stacji orbitalnych itd.

Choć ta hipotetyczna konstrukcja znana jest z fantastyki naukowej, jej ideę pisarzom zaszczepili naukowcy. Konkretnie pionier astronautyki, ojciec rakiety kosmicznej, Konstanty Ciołkowski, który wyobrażał sobie wieżę sięgającą orbity geostacjonarnej. Z jej wierzchołka można by zeskoczyć i nigdy nie spaść na Ziemię. Lata później inny Rosjanin, Artsutanov, zaproponował opuszczenie kabla z geostacjonarnego satelity… Pomysł jednocześnie rozpala wyobraźnię i brzmi kompletnie absurdalnie. Na drodze do jego realizacji stoi cała masa wyzwań, ja postanowiłem całkowicie subiektywnie wybrać tylko pięć z nich.

(kliknij, by zobaczyć cały obrazek)

Tydzień w windzie

Tak jest - wyprawa w windzie na orbitę geostacjonarną (czyli na wysokość ponad 35 tysięcy kilometrów) według obecnych szacunków trwałaby około siedmiu dni. Dla porównania tranzyt na orbitę rakietą to niecałe dziesięć minut. Pojazdy byłyby prawdopodobnie zasilane z zewnątrz, na przykład wiązkami lasera lub mikrofal. Jeśli podróżowaliby nimi ludzie, trzeba by uwzględniać dodatkowe zapasy na drogę. Dlatego niektórzy sądzą, że nawet gdyby winda powstała, ludzie i tak dostawaliby się na orbitę rakietami. Tygodniowy tranzyt łączy się też z innymi kłopotami…


Pasy Van Allena

Pole magnetyczne Ziemi łapie wysokoenergetyczne cząstki w obszarach podobnych do dwóch pierścieni wokół naszej planety. Tak zwane Pasy Van Allena są groźne zarówno dla elektroniki jak i dla żywych organizmów. Krótki przelot nie jest wielkim kłopotem; spędzenie sporej części tygodnia w tych regionach wręcz przeciwnie. W związku z tym konieczne byłyby prawdopodobnie osłony, by podróż nie zabiła ludzi i nie usmażyła sprzętu. Istnieją też pomysły na to by “rozładować” pasy Van Allena i co ciekawe nie są one związane z windą kosmiczną - usunięcie tych pasów udostępniłoby orbity obecnie wykluczone dla satelitów. Według fizyków stukilometrowe kable mogłyby skutecznie rozwiązać problem. To bagatelka biorąc pod uwagę, czego wymagałaby konstrukcja windy kosmicznej...


Materiały

… Czyli cięgno, które miałoby około dziewięćdziesiąt sześć tysięcy kilometrów i było ponad pięćdziesiąt razy wytrzymalsze od stali i dziesięć razy wytrzymalsze od diamentu. Lata temu oznaczało to, że konstrukcja windy kosmicznej jest po prostu fizycznie niemożliwa. Pojawiły się jednak węglowe nanorurki a wraz z nimi nadzieja. W tym roku odkryto też diamentowe nanowłókna, które mogą być jeszcze bardziej wytrzymałe. Jednak nie ma co do tego pewności - te które uzyskano są za małe by eksperymentalnie potwierdzić ich wytrzymałość obliczoną teoretycznie. Trzymajmy się zatem nanorurek, bo w ich przypadku wiemy, że spełniają wymogi. Sęk w tym, że najdłuższe mają obecnie maksymalnie trzy centymetry długości. Kiedy będziemy mogli skonstruować cięgno trzy miliardy razy dłuższe? Jaki będzie koszt, skoro nanorurki to materiał znacznie droższy od czystego złota?


Przeciwwaga

Środek ciężkości windy ma znaleźć się na orbicie geostacjonarnej. Można to osiągnąć na dwa sposoby. Pierwsza propozycja to wydłużenie kabla do 144 tysięcy kilometrów. Wtedy ciężar samej liny załatwi sprawę, ponadto na tej wysokości jeszcze łatwiej byłoby wystrzeliwać misje w głęboki kosmos. Druga opcja to umieszczenie na końcu cięgna przeciwwagi. Na przykład niewielkiej asteroidy przeciągniętej z orbity okołosłonecznej. Kamyczek, o masie rzędu dziesięciu milionów kilogramów. Nad naszymi głowami. Pamiętacie jak niektórzy panikowali przed uruchomieniem Wielkiego Zderzacza Hadronów? Obawiano się stworzenia czarnej dziury i końca świata. Jak opinia publiczna zareagowałaby na to? A to przecież tylko wierzchołek góry lodowej...


Scenariusze w przypadku katastrofy

… Co jeśli coś pójdzie nie tak? Winda kosmiczna to materiał na nie jeden, ale kilka filmów Michaela Baya. Kilkadziesiąt tysięcy kilometrów absurdalnie wytrzymałego kabla powinno się spalić przy wejściu do atmosfery. A jeśli nie? Co będzie gdy najdłuższa lina na świecie okręci się dwa razy wokół planety - gilotynując satelity i strącając samoloty - i położy się na powierzchni? Czy można wyobrazić sobie lepszy cel dla terrorystów? A co z meteorytami, których nie obowiązują zakazy lotów w określonych obszarach?


Epilog

Jak wspominałem - to tylko kilka przykładowych problemów. Jest ich więcej. Niektóre z powyższych na pewno da się przezwyciężyć. Wątpliwości podobne do paniki wokół zderzacza hadronów, można zignorować lub rozwiać. Bardziej wytrzymałe materiały można opracować. Zagrożenia polityczno-terrorystyczne wyeliminować. Jeśli jednak ktoś mnie pyta czy taka winda powstanie w najbliższym czasie, zaryzykowałbym odpowiedź przeczącą. To cholernie trudne wyzwanie, a jednocześnie pod naszymi nosami SpaceX zbliża się do konstrukcji rakiet wielokrotnego użytku, które zmniejszą koszt lotów w kosmos co najmniej dziesięciokrotnie (według Elona Muska nawet stukrotnie). W takiej sytuacji winda kosmiczna stanie się rozwiązaniem nieopłacalnym i zbyt kłopotliwym.


Źrodła:
http://www.space.com/27225-space-elevator-technology.html?cmpid=514630_20140922_32066186
http://www.engadget.com/2014/09/22/obayashi-space-elevator-2050/
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator_safety
http://en.wikipedia.org/wiki/Van_Allen_radiation_belt
http://www.star-tech-inc.com/papers/lse_iaf/LSE_IAF_04_Paper_Final.pdf
http://cosmoquest.org/forum/showthread.php?142286-Straightening-out-misconceptions-about-space-elevators

Kryształ Aquamana

Zakochałem się we wzorze chemicznym “krystalicznych soli serii kationicznych multimetalicznych kompleksów kobaltu”. Wygląda on tak:

[{(bpbp)Co₂^II(NO₃)}₂(NH₂bdc)](NO₃)₂·2H₂O

Zapewniam, że nie mam pojęcia co się dzieje w powyższej linijce. Istotne jest natomiast to, że media okrzyknęły go już “kryształem Aquamana”, gdyż działa na tlen jak gąbka i potencjalnie mógłby zastąpić ciężkie butle tlenowe nurków i osób z chorobami płuc.

Media już zdążyły trochę wykrzywić informacje, pisząc, że łyżeczka tego niezwykłego materiału może wyssać cały tlen z pokoju. Jeśli sięgniemy do publikacji w Chemical Science, przekonamy się, że potrzeba wiaderka (10 litrów, rozmiaru pokoju w metrach sześciennych nie podano). To wciąż imponujące, bo według Christine McKenzie z University of Southern Denmark, substancja przechowuje tlen trzy razy lepiej niż butla z czystym sprężonym tlenem (nie sprecyzowano rozmiarów i masy, ale można się domyślać, że chodzi o porównywalny rozmiar kryształu Aquamana, który pewnie byłby znacznie lżejszy).

Największą zaletą jest jednak to, że kryształ może absorbować duże ilości tlenu i je oddawać wielokrotnie bez ulegania uszkodzeniom. Stąd porównanie do gąbki, która może być wielokrotnie zanurzana w wodzie i wyciskana. W większości przypadków tlen nieodwracalnie niszczy materiały - stal rdzewieje, jedzenie jełczeje itd… Kryształ działa zarówno w powietrzu jak i w wodzie.

Za wiązanie tlenu odpowiedzialne są atomy kobaltu umieszczone w organicznej cząsteczce. O ile absorbowanie tlenu jest spontaniczne, tak jego uwolnienie wymaga dostarczenia ciepła lub podciśnienia. Naukowcy badają teraz możliwość uwalniania go światłem. Proces wytwarzania kryształu Aquamana jest bardzo trudny i produkowanie go w dużych ilościach będzie kłopotliwe (przynajmniej na początku), więc jeszcze nie badano go w większej skali. Według publikacji kilka ziaren może utrzymać dość tlenu na jeden oddech.

Innymi słowy, całkiem prawdopodobne, że chorzy skazani na noszenie ciężkich butli z tlenem i nurkowie mogliby zamienić je na znacznie lżejsze urządzenia, ograniczone jedynie żywotnością baterii.


Dziękuję Mikołajowi Dunikowskiemu za cynk o tym materiale!


Zródła:
New material steals oxygen from air
Scientists Have Found A Crystal That Can Let You Breathe Underwater
New Crystal Could Let Divers Breathe Underwater
Oxygen chemisorption/desorption in a reversible single-crystal-to-single-crystal transformation