L'ascensore spaziale

Il nono simposio sulle tecnologie di ascensori e scale mobili raggiungerà livelli maggiori a settembre.

Nota dell'editore: Il Dr. Bryan Laubscher dell'International Space Elevator Consortium (ISEC) sarà il relatore principale al nono Simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili, che si terrà a settembre, e alla conferenza aperta dell'Università di Northampton (UoN) la sera prima. Laubscher parlerà su "The Space Elevator Concept and Dynamics". In anteprima, questo articolo fornisce alcune informazioni sulla tecnologia e sulle aspirazioni del progetto. Puoi trovare maggiori informazioni sulla conferenza UoN e sul Simposio su ascensori e scale mobili su www.liftsymposium.org.

L'ascensore spaziale è un nuovo sogno nei viaggi spaziali. Sebbene non sia ancora stato realizzato, esiste una tecnologia sufficiente per renderlo raggiungibile. Frutto dell'ingegno dello scienziato russo del XVII secolo Konstantin Tsiolkovsky, l'idea di una connessione tangibile con lo spazio esterno è in evoluzione da secoli. Nel 17, il collega russo Yuri Artsutanov propose l'idea contemporanea di una struttura imponente che non si basava sulla resistenza alla compressione, ma sulla resistenza alla trazione. Un satellite in orbita terrestre geosincrona avrebbe inviato un cavo attraverso l'atmosfera fino a terra. Da allora, questa idea ha trovato più case: una rivista scientifica americana nel 1959, in cui quattro scienziati hanno scritto di un "gancio celeste"; una visione di "torre orbitale" nel 1966 di Jerome Pearson, che ha maturato l'idea lavorando sulla matematica alla base della teoria; e, infine, è stata persino resa popolare nel romanzo del 1975 di Arthur C. Clark The Foundations of Paradise.

A prima vista, sembrerebbe superfluo sviluppare un modo così innovativo per raggiungere lo spazio, poiché alcuni sostengono che sia già stato trasformato in un habitat: la Stazione Spaziale Internazionale è una casa permanente per gli astronauti dal 2000. La ragione fondamentale, a quanto pare, è migliorare l'accessibilità. Lo spazio è tanto irraggiungibile, per quasi tutta la razza umana, quanto lo erano la maggior parte dei continenti prima che l'estensione delle ferrovie rendesse collegate terre lontane. Non solo, ma i viaggi spaziali devono ancora essere resi commerciali o accessibili, e il trasporto pubblico non è né di qualità né sicuro. Sicuramente tutto ciò porta a suggerire che forse stavamo cercando una soluzione nel posto sbagliato, utilizzando la tecnologia sbagliata.

Il moderno ascensore spaziale è molto simile all'idea di Artsutanov con lo stesso principio fondamentale: un sottile cavo verticale teso dal suolo allo spazio. Questo, tuttavia, è dove finiscono le somiglianze. L'ultima visione richiede un cavo attaccato alla Terra all'equatore, che si estende fino a un contrappeso lontano dall'orbita geostazionaria della Terra. Tale orbita è precisamente sopra l'equatore e ha un raggio che fornisce rivoluzioni alla velocità corretta per garantire che un satellite rimanga permanentemente esattamente sullo stesso punto geografico sulla Terra. I vagoni ascensore noti come "scalatori" salgono e scendono alla velocità dei treni veloci, con più scalatori attaccati a un cavo in qualsiasi momento che trasportano merci o passeggeri. Si stima che il viaggio impiegherebbe 4-5 giorni prima di raggiungere l'orbita geostazionaria della Terra e che ogni giorno verrebbe introdotto un nuovo alpinista.

Ma l'ascensore spaziale ha il potenziale per molto di più del semplice trasferimento di carichi utili fuori dall'atmosfera terrestre. Il movimento rotatorio al centro di questa idea potrebbe essere sfruttato e avere una funzione separata: iniettare carichi utili nelle orbite di trasferimento planetario. Semplicemente cambiando il punto in cui il carico viene scaricato dal tether, è possibile ottenere un'orbita diversa. Se rilasciato dopo 2,000 km, il carico utile otterrebbe l'orbita terrestre bassa. Il rilascio dopo quattro o cinque giorni darebbe un'orbita terrestre geostazionaria. Oltre a ciò consente l'iniezione transplanetaria, possibile perché un ulteriore viaggio lungo il cavo aumenta la velocità del carico fino a quando non si muove abbastanza velocemente da sfuggire all'orbita terrestre. I membri dell'ISEC suggeriscono la Luna e Marte come obiettivi iniziali per i viaggi interplanetari e sperano nell'uso dell'ascensore spaziale come sistema di consegna per l'infrastruttura richiesta dai primi coloni.

Per quanto riguarda la fisica dell'ascensore spaziale, il cavo è tenuto in posizione verticale dalla forza centrifuga che agisce dalla rotazione della Terra per tirare il cavo teso (lontano dalla Terra) e la forza centripeta tirando il cavo verso la Terra, proprio come una massa oscillata in cerchi su una stringa. Ciò richiede una forza tremenda sul cavo, quindi le proprietà del materiale di composizione del cavo sono di grande importanza; vale a dire, la sua forza specifica. La forza specifica di un materiale è il rapporto tra la sua forza e densità, e i nanotubi di carbonio sono stati acclamati come il futuro di questo progetto (Figura 1). Un'elevata resistenza alla trazione e una bassa densità consentono a questo allotropo di carbonio di sostenere il proprio peso per lunghezze molto maggiori rispetto a qualsiasi altro materiale disponibile. Gli scienziati dell'ISEC sperano in una forza specifica di 30-40 MYuri, una nuova unità creata in omaggio a Yuri Artsutanov (1MYuri = 1 milione Pa/(kg/m3)). Questo è un valore più grande dell'essenziale per la creazione di un cavo, ma, per praticità, gli ingegneri hanno optato per una maggiore resistenza specifica, qualcosa che è facilmente ottenibile secondo le previsioni per i nanotubi di carbonio. Per quanto riguarda il design del cavo, dovrebbe assottigliarsi di spessore verso la Terra dal punto di massima tensione (nell'orbita geosincrona terrestre), dove il cavo sarebbe più spesso, al punto di minor tensione (in superficie) , dove sarebbe più sottile.

I nanotubi di carbonio sono anche molto elastici, il che può consentire loro la flessibilità necessaria per affrontare la forza di Coriolis prodotta mentre gli scalatori salgono: poiché la velocità del cavo aumenta con la distanza dalla Terra mentre ogni scalatore sale, viaggeranno intorno il pianeta più lento di quella parte del cavo su cui si sta arrampicando. Ciò significa che quando la Terra ruota in avanti, la forza di Coriolis agirà all'indietro. Questo processo sarà lo stesso ma invertito durante la fase di discesa di ogni scalatore. Il Dr. Bryan E. Laubscher è il fondatore di Odysseus Technologies, un'azienda con l'obiettivo di sviluppare questi materiali di nanotubi ad alta resistenza. Ulisse ha già inventato un nuovo modo di sintetizzare tali materiali, completo di esperimenti di prova di principio. Anche nel consiglio di amministrazione dell'ISEC, siamo lieti che presenterà questo argomento al simposio.

È necessario un contrappeso posizionato a circa 100,000 km nello spazio a causa delle forze gravitazionali e centrifughe non uniformi che agiscono sul cavo mentre si estende lontano dalla Terra, e ci sono stati molteplici suggerimenti su cosa potrebbe essere usato, che vanno da un asteroide catturato a usato scalatori a un molo spaziale.

L'ascensore spaziale sarà alimentato da celle solari sugli scalatori, ciascuna delle quali genererà elettricità dalla luce solare o dalla luce laser irradiata dalla base del cavo alla stazione di terra. Uno dei molti vantaggi di questa disposizione di potenza è che gli scalatori non sono gravati dal peso del carburante che i razzi devono trasportare - mentre il 90% di un razzo è dedicato al propellente, il peso aggiuntivo degli scalatori deve considerare solo il carico e i passeggeri. Un altro vantaggio è la maggiore sicurezza dell'impresa realizzata eliminando il rischio di esplosione che deriva dal carburante per missili.

Gli scalatori hanno una vasta gamma di design suggeriti, ma la maggior parte spera di utilizzare rulli che consentano loro di risalire la fune usando l'attrito.

Mantenere le funzioni del cavo e garantirne la sicurezza sarebbe compito degli arrampicatori di manutenzione, che si occuperebbero di piccoli danni da detriti e fornirebbero ispezioni costanti. Tutti gli scalatori, tuttavia, sono dotati di propri sistemi di propulsione per proteggersi dagli inevitabili satelliti e da grossi pezzi di spazzatura spaziale. Si spera che questo design sia sufficiente per allontanare il cavo dal pericolo (e che il cavo si pieghi per adattarsi a questo movimento).

Costruire l'ascensore spaziale è una sfida, poiché la domanda su come sospendere miglia di nastro di collegamento dallo spazio esterno fino alla Terra non ha una risposta semplice (Figura 2). Richiederà più fasi. La prima fase consiste nell'utilizzare i razzi per sollevare un nastro di semi di nanotubi di carbonio del peso di 80 T nell'orbita terrestre bassa. Da lì, il nastro seme verrà assemblato in un nastro più lungo prima di essere potenziato da razzi aggiuntivi verso l'orbita terrestre geosincrona e lasciato stabile. Da questo nastro iniziale, verrà aggiunto sempre più materiale, estendendo il cavo nello spazio esterno e giù verso la Terra fino a quando l'estremità della parte più bassa del nastro viene tirata verso il basso per gravità. Il cavo verrà quindi catturato e ancorato alla stazione di terra.

Da quello spessore iniziale, il cavo sarà continuamente espanso. Ha una capacità di sollevamento così grande che anche uno spessore di 7 cm potrebbe portare al trasferimento di 1,000 T di materiale al giorno, paragonabile a tre stazioni spaziali internazionali complete ogni giorno. La riduzione del prezzo al chilogrammo è fenomenale. Attualmente costa circa US $ 20,000 per chilogrammo inviato nello spazio per ogni carico utile. L'ascensore spaziale potrebbe ridurlo a soli dollari.

Per ora, tuttavia, il processo di sviluppo è fondamentale. Una missione esploratrice è innanzitutto quella di sperimentare tecnologie note, ad esempio Kevlar®, sulla fattibilità di spostare masse su e giù per un nastro. Questo è stato tentato per la prima volta nel 2006 da LiftPort Group, che ha allungato il nastro in carbonio per 1 mi. in cielo usando palloncini e inviando robot per farlo salire (un test che è stato considerato un successo, in una certa misura). Da lì, ISEC suggerisce di passare al seed tether con l'obiettivo che, entro il 2031, un nastro dovrebbe essere dispiegato e catturato nel modo precedentemente descritto. Viene quindi previsto un test a corda singola per esaminare il flusso proposto di scalatori come una simulazione, mentre il cavo viene continuamente rinforzato. I test convalideranno le prestazioni del sistema secondo gli standard operativi e porteranno a una capacità operativa limitata in cui l'ascensore spaziale inizierà davvero a prendere forma. A questo punto, tutto l'hardware essenziale sarà stato distribuito e il personale sarà pronto per la valutazione. Poco prima della piena capacità operativa, verranno ampliati i servizi dell'ascensore spaziale; migliorato; e, l'ISEC spera, verranno aggiunte nuove funzioni.

La sovrastruttura dell'ascensore spaziale sarà espansiva (Figura 2). Una stazione di terra, nota come porto terrestre, è un complesso che ancora il cavo al suolo e fornisce un luogo per il carico e lo scarico di merci e passeggeri. Un nodo geostazionario dell'orbita terrestre è anche concepito come un complesso per le attività dell'ascensore spaziale a metà del cavo. In fondo ci sarebbe l'ancora di punta, composta dal contrappeso e da un altro complesso per le attività dell'ascensore spaziale.

Naturalmente, un progetto di queste dimensioni deve avere una protezione, quindi un volume di spazio attorno a ciascuna porta e nodo, e la colonna stessa del tether, avrà un monitoraggio simile a quello dello spazio aereo. La regione intorno al porto terrestre si estenderà dal fondo dell'oceano fino al vuoto dello spazio. E, per l'orbita terrestre geostazionaria e i nodi dell'apice, ci sarà una regione protetta che comprende qualsiasi volume spazzato via dal cavo mentre la Terra ruota.

Potrebbe sembrare che una delle limitazioni di questa impresa sia il carico e lo scarico di merci e passeggeri, poiché il vincolo è limitato all'ancoraggio lungo l'equatore. Gli esseri umani si sono abituati all'idea che i trasporti, come i treni, siano accessibili a pochi minuti dalle loro case, e i paesi vorrebbero avere i propri terminal all'interno dei propri confini. Ciò è fattibile perché l'unica parte del vincolo o nodo che si desidera sia stazionaria deve rimanere sopra l'equatore, quindi è concepibile avere due o più vincoli riflessi su entrambi i lati della linea speculare dell'equatore (Figura 3).

L'inquinamento visivo non dovrebbe preoccupare molto. Mentre l'espansione e la costruzione di terminal ferroviari di molti aeroporti moderni può causare costernazione, l'impatto di un porto terrestre dovrebbe essere minimo. Sarebbe significativamente più piccolo di un aeroporto e l'ascensore spaziale e tutti i porti nello spazio sarebbero visibili solo se catturati nella giusta luce.

C'è una visione di un ascensore spaziale che può essere un luogo di turismo o un porto per viaggi interplanetari. Può offrire la capacità di generazione di energia da pannelli solari completamente accessibili o la possibilità di accedere alle risorse dall'estrazione mineraria della Luna. I visionari sperano in ospedali e fabbriche. Forse diventerà una nuova frontiera.

Referenze
[1] Aravind, PK "La fisica dell'ascensore spaziale", American Journal of
Fisica, pag. 125-130 (2007).
[2] Arthur, I. "Upward Bound: Space Elevators" (2018, 4 aprile).
[3] Donahue, MZ "Le persone stanno ancora cercando di costruire un ascensore spaziale".
Estratto da Smithsonian Magazine (www.smithsonianmag.com/
innovazione/le persone-stanno-ancora-cercando-di-costruire-ascensore-spaziale-180957877)
(2018, 4 aprile).
[4] Fitzgerald, M., Hall, V., Swan, PA & Swan, CW “Considerazioni di progettazione
per l'ancoraggio Apex dell'ascensore spaziale e il nodo GEO", Irvine (Lulu.com)
(2017).
[5] Smitherman, Jr., DV "Ascensori spaziali: uno spazio-terra avanzato
Infrastrutture per il nuovo millennio", Huntsville: NASA (2000).
[6] "Ascensore spaziale". Estratto da Wikipedia (en.wikipedia.org/wiki/
Space_elevator)(2018, 4 aprile).
[7] "Architetture degli ascensori spaziali", estratto da ISEC (isec.org/wp-content/
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[8] "Domande frequenti sugli ascensori spaziali". Estratto da ISEC (isec.org/space-elevator-faq)
(2018, 4 aprile).
[9] "Cos'è un ascensore spaziale (in 500 parole o meno)?" Estratto da ISEC
(isec.org/2016-05-29-06-04-13/what-is-a-space-elevator-in-500-wordsor-
meno)(2018, 4 aprile).
[10] “Di Original Hochgeladen von Schwarzm am 30.” Selbst gemacht con
C4D/Cartoonrenderer, GNU FDL - Wikipedia tedesca, caricamento originale
29 dicembre 2004, di APER, CC BY-SA 3.0 (commons.wikimedia.
org/w/index.php?curid=350208).