مصعد الفضاء

الندوة التاسعة حول تقنيات الرفع والسلالم المتحركة ستصل إلى مستويات أعلى في سبتمبر.

ملاحظة المحرر: سيكون الدكتور بريان لاوبشر من الاتحاد الدولي لمصاعد الفضاء (ISEC) المتحدث الرئيسي في الندوة التاسعة حول تقنيات المصاعد والسلالم المتحركة ، التي ستعقد في سبتمبر ، وفي محاضرة مفتوحة في جامعة نورثهامبتون (UoN) في الأمسية السابقة. سيتحدث لاوبشر عن "مفهوم وديناميكيات مصعد الفضاء." كمعاينة ، تقدم هذه المقالة بعض المعلومات الأساسية للتكنولوجيا وتطلعات المشروع. يمكنك العثور على مزيد من المعلومات حول محاضرة الجامعة وندوة المصعد والسلالم المتحركة على www.liftsymposium.org.

إن المصعد الفضائي حلم جديد في عالم السفر إلى الفضاء. ورغم أنه لم يتحقق بعد، فإن التكنولوجيا القائمة كافية لجعله يبدو قابلاً للتحقيق. وباعتبارها فكرة من بنات أفكار العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي في القرن السابع عشر، فقد كانت فكرة الاتصال الملموس بالفضاء الخارجي تتقدم على مدى قرون. ففي عام 17، اقترح مواطنه الروسي يوري أرتسوتانوف فكرة معاصرة لبناء شاهق لا يعتمد على قوة الضغط، بل على قوة الشد. وسوف يرسل القمر الصناعي في مدار متزامن مع الأرض حبلاً عبر الغلاف الجوي إلى الأرض. ومنذ ذلك الحين، وجدت هذه الفكرة موطناً لها: ففي مجلة علمية أميركية في عام 1959، كتب أربعة علماء عن "خطاف سماوي"؛ وفي عام 1966، اقترح جيروم بيرسون "برجاً مدارياً"، الذي نضجت الفكرة من خلال العمل على الرياضيات وراء النظرية؛ وأخيراً، تم ترويجها في رواية آرثر سي كلارك عام 1975 بعنوان "أسس الجنة".

للوهلة الأولى، قد يبدو من غير الضروري تطوير مثل هذه الطريقة المبتكرة للوصول إلى الفضاء، حيث يزعم البعض أنها تحولت بالفعل إلى موطن: كانت محطة الفضاء الدولية موطنًا دائمًا لرواد الفضاء منذ عام 2000. ويبدو أن السبب الأساسي هو تحسين إمكانية الوصول. فالفضاء بعيد المنال بالنسبة لجميع البشر تقريبًا، تمامًا كما كانت غالبية القارات قبل أن تربط السكك الحديدية الممتدة بين الأراضي البعيدة. ليس هذا فحسب، بل إن السفر إلى الفضاء لم يصبح تجاريًا أو ميسور التكلفة بعد، ووسائل النقل ليست عالية الجودة ولا آمنة. من المؤكد أن كل هذا يقودنا إلى اقتراح أننا ربما كنا نبحث عن حل في المكان الخطأ، باستخدام التكنولوجيا الخاطئة.

يشبه مصعد الفضاء الحديث فكرة أرتسوتانوف بنفس المبدأ الأساسي: حبل رأسي رفيع يمتد من الأرض إلى الفضاء. هذا ، مع ذلك ، هو المكان الذي تنتهي فيه أوجه التشابه. تتطلب الرؤية الأخيرة وجود حبل متصل بالأرض عند خط الاستواء ، يمتد إلى ثقل موازن بعيدًا عن مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض. يقع هذا المدار فوق خط الاستواء بالضبط وله نصف قطر يوفر الثورات بالسرعة الصحيحة لضمان بقاء القمر الصناعي بشكل دائم فوق نفس النقطة الجغرافية على الأرض. تصعد عربات المصاعد المعروفة باسم "المتسلقين" وتنزل بسرعة القطارات السريعة ، مع ربط العديد من المتسلقين بحبل في وقت واحد لنقل البضائع أو الركاب. تشير التقديرات إلى أن الرحلة ستستغرق 4-5 أيام قبل الوصول إلى مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض ، وسيتم تقديم متسلق جديد على أساس يومي.

لكن المصعد الفضائي لديه القدرة على أكثر بكثير من مجرد نقل الحمولات من الغلاف الجوي للأرض. يمكن استغلال الحركة الدورانية في جوهر هذه الفكرة ولها وظيفة منفصلة: ضخ الحمولات في مدارات النقل الكوكبي. ببساطة عن طريق تغيير مكان التخلص من الشحنة من الحبل ، يمكن تحقيق مدار مختلف. إذا تم إطلاقها بعد 2,000 كيلومتر ، فستحصل الحمولة على مدار أرضي منخفض. الإطلاق بعد أربعة إلى خمسة أيام سيعطي مدارًا أرضيًا ثابتًا بالنسبة إلى الأرض. أبعد من ذلك يسمح للحقن عبر الكواكب ، لأن السفر الإضافي على طول الحبل يزيد من سرعة الشحنة حتى تتحرك بسرعة كافية للهروب من مدار الأرض. يقترح أعضاء ISEC القمر والمريخ كأهداف أولية للسفر بين الكواكب والأمل في استخدام المصعد الفضائي كنظام توصيل للبنية التحتية المطلوبة من قبل المستوطنين الأوائل.

بالنسبة لفيزياء مصعد الفضاء ، يتم تثبيت الحبل في وضع مستقيم بواسطة قوة طرد مركزي تعمل من دوران الأرض لسحب الحبل المشدود (بعيدًا عن الأرض) وقوة الجاذبية المركزية التي تسحب الحبل نحو الأرض ، مثل كتلة تتأرجح في دوائر على سلسلة. يتطلب هذا قوة هائلة على الحبل ، لذا فإن خصائص مادة تكوين الحبل لها أهمية كبيرة ؛ وهي قوتها الخاصة. القوة المحددة للمادة هي نسبة قوتها وكثافتها ، وقد تم الترحيب بالأنابيب النانوية الكربونية باعتبارها المستقبل لهذا المشروع (الشكل 1). تسمح قوة الشد العالية والكثافة المنخفضة لهذا التآصل للكربون بدعم وزنه لأطوال أكبر بكثير من أي مادة أخرى متاحة. يأمل علماء ISEC في الحصول على قوة محددة من 30-40 MYuri ، وهي وحدة جديدة تم إنشاؤها تكريمًا لـ Yuri Artsutanov (1MYuri = 1 مليون باسكال / (كجم / م 3)). هذه قيمة أكبر من كونها ضرورية لإنشاء حبل ، ولكن لسهولة التطبيق العملي ، اختار المهندسون زيادة القوة المحددة ، وهو أمر يمكن تحقيقه بسهولة وفقًا لتوقعات الأنابيب النانوية الكربونية. أما بالنسبة لتصميم الحبل ، فيجب أن يتناقص سمكه إلى أسفل باتجاه الأرض من نقطة التوتر الأكبر (في مدار الأرض المتزامن مع الأرض) ، حيث يكون الحبل أكثر سمكًا ، إلى نقطة أقل توتر (على السطح) ، حيث سيكون في أنحف.

الأنابيب النانوية الكربونية مرنة جدًا أيضًا ، مما قد يتيح لها المرونة في التعامل مع قوة كوريوليس الناتجة أثناء صعود المتسلقين: مع زيادة سرعة الحبل مع زيادة المسافة بعيدًا عن الأرض مع صعود كل متسلق ، سوف يسافرون حولها الكوكب أبطأ من ذلك الجزء من الحبل الذي يتسلق عليه. هذا يعني أنه مع دوران الأرض للأمام ، ستعمل قوة كوريوليس للخلف. ستكون هذه العملية هي نفسها ولكن يتم عكسها خلال مرحلة نزول كل متسلق. الدكتور Bryan E. Laubscher هو مؤسس Odysseus Technologies ، وهي شركة تهدف إلى تطوير مواد الأنابيب النانوية عالية القوة. لقد ابتكر أوديسيوس بالفعل طريقة جديدة لتركيب مثل هذه المواد ، مع استكمال تجارب إثبات المبدأ. أيضًا في مجلس إدارة ISEC ، يسعدنا أنه سيقدم حول هذا الموضوع في الندوة.

هناك حاجة إلى ثقل موازن تم وضعه على مسافة تقدر بـ 100,000 كيلومتر في الفضاء بسبب قوى الجاذبية غير المنتظمة وقوى الطرد المركزي التي تعمل على الحبل عندما يمتد بعيدًا عن الأرض ، وكانت هناك اقتراحات متعددة بشأن ما يمكن استخدامه ، بدءًا من الكويكب الذي تم التقاطه إلى الكويكب المستخدم المتسلقين إلى رصيف الفضاء.

سيتم تشغيل مصعد الفضاء بواسطة الخلايا الشمسية على المتسلقين ، كل منها يولد الكهرباء إما من ضوء الشمس أو ضوء الليزر المنبعث من قاعدة الحبل في المحطة الأرضية. تتمثل إحدى الفوائد العديدة لترتيب القوة هذا في أن المتسلقين غير مثقلين بوزن الوقود الذي يجب أن تحمله الصواريخ - في حين أن 90٪ من الصاروخ مخصص للوقود الدافع ، يجب أن يأخذ الوزن الإضافي للمتسلقين في الاعتبار البضائع والركاب فقط. فائدة أخرى هي زيادة سلامة المشروع التي تحققت من خلال القضاء على خطر الانفجار الذي يأتي مع وقود الصواريخ.

يمتلك المتسلقون مجموعة واسعة من التصميمات المقترحة ، ولكن يأمل معظمهم في استخدام بكرات تسمح لهم بصعود الحبل باستخدام الاحتكاك.

سيكون الحفاظ على وظائف الحبل وضمان سلامته مهمة متسلقي الصيانة ، والتي ستتعامل مع أضرار الحطام الصغير وتوفر عمليات فحص مستمرة. ومع ذلك ، يتم تزويد جميع المتسلقين بأنظمة الدفع الخاصة بهم للحماية من الأقمار الصناعية التي لا مفر منها والقطع الكبيرة من النفايات الفضائية. من المأمول أن يكون هذا التصميم كافيًا لدفع الحبل بعيدًا عن الأذى (وأن الحبل سينثني لاستيعاب هذه الحركة).

يعد بناء مصعد الفضاء تحديًا ، حيث إن السؤال عن كيفية تعليق أميال من شريط الحبل من الفضاء الخارجي إلى الأرض ليس له إجابة بسيطة (الشكل 2). سوف يتطلب مراحل متعددة. تستخدم المرحلة الأولى الصواريخ لرفع شريط بذرة من الأنابيب النانوية الكربونية التي تزن 80 طنًا إلى مدار أرضي منخفض. من هناك ، سيتم تجميع شريط البذور في شريط أطول قبل أن يتم تعزيزه بواسطة صواريخ إضافية إلى مدار أرضي متزامن مع الأرض ويسمح له بأن يصبح مستقرًا. من هذا الشريط الأولي ، ستتم إضافة المزيد والمزيد من المواد ، مما يؤدي إلى تمديد الحبل لأعلى في الفضاء الخارجي ولأسفل باتجاه الأرض حتى يتم سحب نهاية الجزء السفلي من الشريط لأسفل بواسطة الجاذبية. سيتم بعد ذلك التقاط الحبل وتثبيته في المحطة الأرضية.

من هذا السُمك الأولي ، سيتم توسيع الحبل باستمرار. تتمتع بقدرة رفع كبيرة لدرجة أنه حتى سمك 7 سم يمكن أن يؤدي إلى نقل 1,000 طن من المواد يوميًا - مقارنة بثلاث محطات فضاء دولية كاملة كل يوم. إن انخفاض سعر الكيلوغرام الواحد أمر هائل. يكلف حاليًا ما يقرب من 20,000 دولار أمريكي لكل كيلوغرام يتم إرساله إلى الفضاء لكل حمولة. يمكن لمصعد الفضاء أن يخفض ذلك إلى مجرد دولارات.

في الوقت الحالي ، ومع ذلك ، فإن عملية التنمية هي المفتاح. مهمة Pathfinder هي أولاً ، ببساطة تجربة التقنيات المعروفة - على سبيل المثال ، Kevlar® - حول جدوى تحريك الكتل لأعلى وأسفل الشريط. تمت محاولة ذلك لأول مرة في عام 2006 من قبل مجموعة LiftPort ، والتي قامت بتمديد شريط الكربون لمسافة 1 ميل. في السماء باستخدام البالونات وأرسل الروبوتات ليصعدها (وهو اختبار اعتبر نجاحًا إلى حد ما). من هناك ، تقترح ISEC الانتقال إلى حبل البذور بهدف أنه بحلول عام 2031 ، يجب نشر الشريط والتقاطه بالطريقة الموضحة مسبقًا. يتم بعد ذلك تصور اختبار أحادي السلسلة لفحص التدفق المقترح للمتسلقين كمحاكاة ، بينما يتم تقوية الحبل باستمرار. سوف يتحقق الاختبار من صحة أداء النظام وفقًا لمعايير التشغيل ويؤدي إلى قدرة تشغيلية محدودة يبدأ فيها مصعد الفضاء بالفعل في التبلور. في هذه المرحلة ، سيتم نشر جميع الأجهزة الأساسية ، وسيكون الموظفون جاهزين للتقييم. قبل السعة التشغيلية الكاملة مباشرة ، سيتم توسيع خدمات المصعد الفضائي ؛ تحسن؛ وتأمل ISEC أن يتم إضافة وظائف جديدة.

ستكون البنية الفوقية للمصعد الفضائي توسعية (الشكل 2). المحطة الأرضية ، المعروفة باسم ميناء الأرض ، عبارة عن مجمع يرسو الحبل على الأرض ويوفر مكانًا لتحميل وتفريغ البضائع والركاب. يُنظر أيضًا إلى عقدة مدار الأرض المستقرة بالنسبة إلى الأرض على أنها معقد لأنشطة المصعد الفضائي جزئيًا أعلى الحبل. في النهاية البعيدة سيكون مرساة القمة ، المكونة من ثقل موازن ومجمع آخر لأنشطة المصعد الفضائي.

بالطبع ، يجب أن يكون لمشروع بهذا الحجم حماية ، لذا فإن حجم المساحة حول كل منفذ وعقدة ، وعمود الحبل نفسه ، سيكون لهما مراقبة مماثلة للمجال الجوي. ستمتد المنطقة المحيطة بميناء الأرض من قاع المحيط وحتى فراغ الفضاء. وبالنسبة للمدار الأرضي الثابت بالنسبة للأرض والعقد الرئيسية ، ستكون هناك منطقة محمية تشمل أي حجم يكتسحها الحبل أثناء دوران الأرض.

قد يبدو الأمر وكأن أحد القيود التي تواجه هذه المغامرة هو تحميل وتفريغ البضائع والركاب، حيث يقتصر الحبل على الإرساء على طول خط الاستواء. لقد اعتاد البشر على فكرة أن وسائل النقل، مثل القطارات، يمكن الوصول إليها في غضون دقائق من منازلهم، وترغب البلدان في إنشاء محطات خاصة بها داخل حدودها. وهذا ممكن لأن الجزء الوحيد من الحبل أو العقدة المرغوب في أن يظل ثابتًا يجب أن يظل فوق خط الاستواء، وبالتالي فمن الممكن أن يكون هناك حبلان أو أكثر منعكسين على أي من جانبي خط المرآة لخط الاستواء (الشكل 3).

لا ينبغي أن يكون التلوث البصري مصدر قلق كبير. في حين أن توسع العديد من المطارات الحديثة وبناء محطات القطارات يمكن أن يسبب الذعر ، يجب أن يكون تأثير منفذ أرضي ضئيلًا. سيكون أصغر بكثير من مطار ، ومصعد الفضاء وأي منافذ في الفضاء لن تكون مرئية إلا إذا تم التقاطها في الضوء المناسب.

هناك رؤية لمصعد فضائي يمكن أن يكون مكانًا للسياحة أو ميناءًا للسفر بين الكواكب. قد يوفر القدرة على توليد الطاقة من الألواح الشمسية التي يمكن الوصول إليها بالكامل أو القدرة على الوصول إلى الموارد من تعدين القمر. الحالمون يأملون في المستشفيات والمصانع. ربما ستصبح جبهة جديدة.

مراجع حسابات
[1] Aravind، PK "The Physics of the Space Elevator،" American Journal of
الفيزياء ، ص. 125-130 (2007).
[2] آرثر ، آي. "Upward Bound: Space Elevators" (2018 ، 4 أبريل).
[3] Donahue ، MZ "لا يزال الناس يحاولون بناء مصعد فضائي."
تم الاسترجاع من مجلة سميثسونيان (www.smithsonianmag.com/
الابتكار / الناس ما زالوا يحاولون بناء-مصعد-الفضاء-180957877)
(2018 ، 4 أبريل).
[4] Fitzgerald، M.، Hall، V.، Swan، PA & Swan، CW "Design Considerations
من أجل Space Elevator Apex Anchor و GEO Node ، "Irvine (Lulu.com)
(2017).
[5] Smitherman، Jr.، DV "مصاعد الفضاء: أرض-فضاء متقدم
البنية التحتية للألفية الجديدة ، "هنتسفيل: ناسا (2000).
[6] "مصعد الفضاء". تم الاسترجاع من ويكيبيديا (en.wikipedia.org/wiki/)
Space_elevator) (2018 ، 4 أبريل).
[7] "هندسة المصاعد الفضائية" ، تم الاسترجاع من ISEC (isec.org/wp-content/
التحميلات / 2017/05 / SEArchitectures_rev0.pdf) (2018 ، 4 أبريل).
[8] "الأسئلة الشائعة حول مصعد الفضاء." تم الاسترجاع من ISEC (isec.org/space-elevator-faq)
(2018 ، 4 أبريل).
[9] "ما هو مصعد الفضاء (في 500 كلمة أو أقل)؟" تم الاسترجاع من ISEC
(isec.org/2016-05-29-06-04-13/what-is-a-space-elevator-in-500-wordsor-
أقل) (2018 ، 4 أبريل).
[10] "بقلم Original Hochgeladen von Schwarzm am 30." Selbst gemacht ميت
C4D/Cartoonrenderer, GNU FDL - German Wikipedia, original upload
29 ديسمبر 2004 ، بواسطة APPER، CC BY-SA 3.0 (commons.wikimedia.
org / w / index.php؟ curid = 350208).