Era spaziale del trasporto verticale

Dalla fantascienza a una valida soluzione ingegneristica e un mercato emergente

di Yuval Valiano-Rips e Maya Glickman-Pariente

Questo documento è stato presentato all'International Elevator & Escalator Symposium 2022 a Barcellona, ​​in Spagna. 

1. Estratto

Lo Space Elevator è un concetto ben noto per un veicolo di trasporto verticale (VT) basato su cavo da terra fino all'orbita geostazionaria. Per il secolo scorso, autori e scienziati di fantascienza hanno discusso di questa sfida che deve ancora essere vinta.

Sebbene il mercato possibile per un ascensore spaziale sia enorme, i materiali necessari per la costruzione devono ancora essere commercializzati e la tecnologia deve maturare.

Parallelamente, nei primi anni '2030 emergerà un nuovo mercato per il trasporto verticale con missioni sulla Luna e su Marte, in cui le aziende di ascensori devono assumere un ruolo di primo piano.

Pochi programmi spaziali sono già stati avviati e finanziati per costruire insediamenti umani sulla Luna, su Marte e oltre. Il programma principale è la missione internazionale "Artemis", guidata dalla NASA, che prevede la costruzione di campi base abitati sulla superficie della Luna entro il 2025 e su Marte entro il 2035.

Questi nuovi insediamenti avranno bisogno di diversi tipi di soluzioni VT, sia per le persone che per le merci.

Affrontare sfide, come portare enormi quantità di equipaggiamento giù (e salire) dalle astronavi che atterrano verticalmente alla superficie, trasportare verticalmente i materiali necessari per sostenere il campo dalle miniere sotterranee o semplicemente viaggiare dalla superficie alla sicurezza dell'habitat sotterraneo, richiedono noi a reinventare gli ascensori: diversa forza di gravità, diversa densità e composizione dell'atmosfera, radiazioni più forti e altre sfide che il nostro settore dovrebbe iniziare ad affrontare. 

A questi nuovi casi d'uso del trasporto verticale si aggiungono nuovi hotel dell'era spaziale già pianificati da diverse aziende. Anche le stazioni spaziali costruite per vacanze fantasiose in Low Earth Orbits (LEO) attorno alla terra avrebbero bisogno di soluzioni per trasportare persone in giro.

Le industrie legate allo spazio, le industrie ferroviarie o automobilistiche o altre società tecnologiche potrebbero risolvere questi problemi. Ma crediamo che l'industria del trasporto verticale debba essere pronta a soddisfare le esigenze dei prossimi decenni prima che qualsiasi altra industria prenda l'iniziativa.

Nel nostro documento, abbiamo ricercato le sfide per questo nuovo mercato (ambiente spaziale, opportunità di mercato, architetture attuali, ecc.) e proponiamo diverse soluzioni con una tabella di marcia per le aziende di ascensori che vogliono lanciare la loro attività nello spazio.

Il ruolo degli ascensori nella nuova era spaziale è attualmente affrontato solo da aziende legate allo spazio che comprendono lo spazio, ma non gli ascensori.

La conclusione principale del documento è che ora è il momento migliore per le aziende di ascensori per iniziare la ricerca e lo sviluppo del rapporto tra ascensori e ambiente spaziale per realizzare moduli per ascensori collaudati nello spazio pronti per l'installazione.

Questo documento è un invito all'azione per il nostro settore.

2. Motivazione della carta: ascensori e nuovo spazio 

Negli ultimi 20 anni, c'è stata una costante presenza umana nello spazio. Nei prossimi decenni, entreremo nell'era in cui gli esseri umani inizieranno i loro primi passi come specie multiplanetaria. Gli habitat umani sulla Luna e su Marte sono già in fase di pianificazione. Queste strutture avranno bisogno di soluzioni VT per scaricare attrezzature, rifornimenti e persone dai lander in crateri, tubi di lava e grotte sotto la superficie e per svolgere attività sotterranee, dove raccoglieremo il suolo della Luna e di Marte per ghiaccio sotterraneo e materiali da costruzione. Navi spaziali e stazioni spaziali sempre più grandi - alcune progettate come enormi "hotel spaziali" - dovranno anche trasportare persone per lunghe distanze sia verticalmente che orizzontalmente.

2.1 La nostra visione olistica

Nei prossimi anni, assisteremo a una crescente domanda di soluzioni VT utilizzate in ambienti extraterrestri: Luna, Marte e hotel spaziali. Pertanto, crediamo che ora sia il momento di costruire i concetti, trovare i materiali e creare i progetti che soddisfino tutti i requisiti di quegli ascensori.

Un ambiente commerciale per materiali e componenti per ascensori collaudati nello spazio inizierà a evolversi in questo decennio e l'industria degli ascensori in tutto il mondo deve far parte di questo importante sforzo. Se non prenderemo l'iniziativa, un'altra industria assumerà il ruolo di pianificazione e costruzione di queste soluzioni di trasporto: industrie spaziali, compagnie ferroviarie o altre industrie tecnologiche o di trasporto.

Inoltre, la creazione e il collaudo di materiali e prodotti relativi agli ascensori per l'industria spaziale riporteranno un boomerang (spin-in) agli ascensori "normali" qui sulla terra introducendo materiali, componenti e processi per ascensori più resistenti, più leggeri ed efficienti qui sul campo .

2.2 Cosa è già in costruzione?

Ogni compagnia o organizzazione spaziale che prevede di far atterrare esseri umani o merci su un altro corpo celeste costruisce la propria soluzione VT in base ai requisiti definiti per adattarsi ai propri veicoli e missioni. Alcune delle attuali architetture spaziali che avranno bisogno di una sorta di ascensore extraterrestre sono SpaceX (prevede di far sbarcare esseri umani sulla Luna entro il 2025 e su Marte entro il 2035 utilizzando la sua flotta "Starship"), NASA (prevede di far sbarcare esseri umani sulla Luna nel 2024) e molto altro ancora.

Altri piani visionari includono hotel spaziali che avranno bisogno di una sorta di soluzioni di trasporto verticali e orizzontali. In futuro, impiegheranno sicuramente la gravità artificiale usando le forze centripete, e quindi le soluzioni VT saranno cruciali.

3. La sfida

Quando le persone pensano allo spazio e agli ascensori, viene sempre in mente il concetto di Space Elevator (o Moon Elevator). Ma c'è una soluzione di trasporto molto più urgente che sarà implementata in questo decennio: soluzioni VT per i lander sulla Luna e su Marte. Questi lander, che atterrano verticalmente, sono alti 30-50 m e possono avere molti livelli di stoccaggio, avranno bisogno di soluzioni VT per caricare e scaricare attrezzature e persone sulla superficie della Luna e di Marte.

Nel decennio successivo, prevediamo di vedere basi spaziali sempre più grandi e persino colonie sulla Luna e su Marte, probabilmente parzialmente sotterranee o in grandi grotte e tubi di lava. Questi habitat umani avranno bisogno di ascensori adatti agli ambienti e alle esigenze difficili. Queste colonie estrarranno e raccoglieranno quanti più materiali possibile dal terreno locale poiché la consegna delle merci dalla Terra è molto costosa. Anche questi campi di lavoro e cave richiederanno soluzioni VT.

Più avanti nel futuro, entro la fine di questo decennio, potremmo aspettarci la costruzione di strutture spaziali più grandi, anche per la ricreazione, con o senza gravità artificiale. Anche loro avranno bisogno di ascensori e marciapiedi mobili.

4. Sfide dell'ambiente spaziale

Lo spazio è uno degli ambienti più estremi che si possano immaginare. Al di fuori dell'atmosfera protettiva della Terra, gli oggetti sono soggetti a temperature estreme, sia calde che fredde, gradienti di temperatura rapidi e una minaccia significativamente maggiore di effetti delle radiazioni. Il vuoto nello spazio è anche una grande sfida per gli esseri umani e i materiali a causa di un fenomeno chiamato "degassamento". 

La prima condizione estrema che un veicolo spaziale deve affrontare è quella del lancio. Tutti i veicoli spaziali e gli esseri umani vengono lanciati nello spazio dai razzi. I razzi e le navicelle spaziali devono trasportare tonnellate di propellenti per fornire loro energia sufficiente per sfuggire all'attrazione gravitazionale della Terra. A causa dell'attrazione della gravità terrestre, più grandi e pesanti sono gli oggetti che vuoi portare nello spazio, più grandi e pesanti saranno i razzi e il propellente. Il razzo che mette in orbita il veicolo spaziale e/o il satellite genererà anche shock e vibrazioni meccaniche e lo colpirà con onde sonore estremamente forti.

Le temperature nello spazio, o sulla Luna, possono variare da estremamente fredde, vicine allo zero assoluto, a molte centinaia di gradi al di sopra quando sono esposte alla luce solare diretta. Inoltre, i gradienti di temperatura sono estremi, raggiungendo circa 200°C/min.

Le radiazioni del nostro Sole e di altre stelle nell'universo possono essere estremamente pericolose per le apparecchiature elettroniche a causa di particelle energeticamente cariche come elettroni, protoni, particelle alfa e raggi gamma, e possono anche causare lo spostamento dell'atomo o una ionizzazione totale di lunga durata effetti della dose

4.1 Materiali nello spazio

Gli effetti ambientali dello spazio (o della Luna e di Marte) sui materiali sono molto gravi e complessi a causa dell'interazione sinergica di ambienti orbitali come particelle di radiazioni ad alta energia, ossigeno atomico, micrometeoroidi, detriti orbitali e irradiazione ultravioletta che interagiscono sinergicamente, insieme all'esposizione termica . Inoltre, il degrado della superficie associato alla contaminazione può influire negativamente sulle prestazioni dell'ottica. In un caso di ascensore, i cavi di sospensione, l'auto e altri componenti saranno tutti influenzati dal duro ambiente spaziale. Pertanto, i progettisti di ascensori devono avere una profonda conoscenza dell'ambiente specifico in cui opererà l'ascensore, consentendo la selezione appropriata dei materiali per massimizzare la sicurezza e le prestazioni ingegneristiche, aumentare la durata della missione e ridurre i rischi.

Le missioni spaziali richiedono materiali in grado di preservare l'integrità funzionale in condizioni di calore estremo, gradienti termici, impatti e radiazioni. Alcuni dei materiali utilizzati nello spazio sono alluminio, nichel, titanio e loro leghe, acciaio e materiali d'apporto; Kevlar, silice e materiali a base di silice, polimeri a base di polimeri acrilici e metacrilici, policarbonato e alcuni tipi di polistirene.

5. Invito all'azione

Durante la stesura di questo articolo, abbiamo incontrato alcune delle persone più dominanti nelle organizzazioni extraterrestri legate agli ascensori. Tutti hanno convenuto che questo è il momento per le importanti aziende di ascensori di intervenire e assumere un ruolo essenziale nella progettazione di queste nuove e rivoluzionarie soluzioni VT e aprire la strada alla costruzione dell'ecosistema di componenti e materiali per ascensori collaudati nello spazio per supportare il futuro di VT nell'era del Nuovo Spazio.

6. L'ascensore spaziale: storia e stato della scienza 

6.1 Che cos'è un ascensore spaziale?

Non possiamo scrivere questo articolo senza ricordare il concetto di Space Elevator che ha entusiasmato le menti di ricercatori e autori di fantascienza per decenni e fino al punto in cui scriviamo questo articolo, era l'unico collegamento tra ascensori e campi spaziali. 

Lo Space Elevator è un concetto di 100 anni per un veicolo VT basato su cavo (tethered), ancorato al suolo e allungato fino all'orbita geostazionaria, che si trova a circa 35,800 km sopra l'equatore terrestre. A questa altitudine, un oggetto in orbita apparirà stazionario, il che significa che rimarrà quasi sopra lo stesso punto sulla superficie terrestre.

Pertanto, un cavo leggero e abbastanza forte (tether) calato da un oggetto nell'orbita geostazionaria e ancorato alla superficie della terra rimarrà sotto tensione costante e l'oggetto ruoterà proprio sopra l'ancora.

In passato, l'ascensore spaziale era considerato nient'altro che un'idea di fantascienza, ma a causa delle numerose ricerche condotte nell'ultimo decennio e dei miglioramenti tecnologici, ora siamo più vicini al momento in cui questa idea può diventare realtà.

6.2 Perché l'umanità non può continuare a usare i razzi per sempre?

Attualmente, l'unica alternativa dell'umanità per elevare i carichi utili in orbita è usare i razzi, che è rischioso, estremamente inquinante e costoso.

La tabella 1 mostra un'ipotesi dei requisiti di consegna spaziale dell'umanità in tonnellate metriche all'anno per alcuni grandi progetti stimati che dovrebbero raggiungere la maturità in quegli anni.

Domanda in tonnellate metriche	2031	2035	2040	2045
Energia solare spaziale	40,000	70,000	100,000	130,000
Smaltimento di materiali nucleari	12,000	18,000	24,000	30,000
Estrazione di asteroidi	1,000	2,000	3,000	5,000
Voli interplanetari	100	200	300	350
Missioni innovative per GEO	347	365	389	400
Colonizzazione del Sistema Solare	50	200	1,000	5,000
Marketing e pubblicità	15	30	50	100
Tende da sole a L-1	5,000	10,000	5,000	3,000
Satelliti GEO attuali + LEO	347	365	389	400
Tonnellate metriche totali all'anno	58,859	101,160	134,128	174,250

Anche se i razzi diventano sempre più efficienti, devono tutti rispettare l'equazione del razzo di Tsiolkovsky: 

Dove:

Δ è la variazione massima di velocità del veicolo (senza l'azione di forze esterne).
₀ è la massa totale iniziale, compreso il propellente, "massa bagnata".
è la massa totale finale senza propellente, nota anche come massa secca.
è la velocità di scarico effettiva, dove:
è l'impulso specifico nella dimensione temporale.
₀ è la gravità standard.
è la funzione logaritmo naturale.

Pertanto, tutti i razzi richiedono ancora una grande quantità di carburante per portare nello spazio una frazione della massa del razzo. Possiamo guardare al prossimo esempio per un razzo per l'atterraggio sulla luna:

Massa totale del razzo al decollo = 100%, di cui:

• Gli stadi di richiamo + carburante per raggiungere LEO è di circa il 95%
• La massa del carburante e del motore per raggiungere la GEO (Geostationary Earth Orbit) è di circa l'1.6%
• La massa di carburante per l'inserimento nell'orbita della Luna è di circa l'1.5%
• La massa per la deorbitazione e l'atterraggio sulla Luna è di circa l'1.4%

La massa finale sulla Luna è solo lo 0.5% della massa iniziale del razzo!

Inoltre, i razzi contribuiscono al riscaldamento globale a causa della CO₂ emissione in atmosfera.

Molte ricerche sono state condotte sull'argomento negli anni precedenti da molte agenzie, aziende, università e altre organizzazioni legate allo spazio, come l'International Space Elevator Consortium (ISEC), che oggi è leader nel settore, LiftPort Group che guida la luna- ancorato concetto e ricerca di Space Elevator, NSS (National Space Society), NASA, European Space Agency, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) e molti altri, che si sono uniti allo sforzo ingegneristico per un Space Elevator.

Nel 2018, JAXA, insieme all'Università di Shizuoka in Giappone, ha inviato nello spazio un esperimento di Space Elevator basato su satellite cubico che includeva la guida di un'auto in miniatura tra due satelliti utilizzando un cavo.

Negli ultimi 15 anni, ci sono stati molti concorsi per lo sviluppo di componenti per ascensori spaziali, guidati da X Prize, JSEA (Japan Space Elevator Association), BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge) e molti altri.

6.3 Architetture di ascensori spaziali

Poiché lo Space Elevator è stato originariamente suggerito, molte architetture diverse sono state ricercate e pubblicate. Quasi tutti includono gli stessi quattro componenti di base:

1. La stazione base: un'ancora alla superficie
2. Il contrappeso: una stazione spaziale orbitale.
3. Il cavo di collegamento (il cavo principale)
4. Lo scalatore (la cabina dell'ascensore)

Una delle sfide principali è stata trovare un materiale per cavi in ​​grado di sostenere le forze di tensione estreme, ma anche di resistere al duro ambiente spaziale. Fino agli ultimi anni, il principale materiale bersaglio erano i nanotubi di carbonio. Questi trefoli simili a tubi di nanometri, se sono puri e senza difetti, potrebbero soddisfare i requisiti di tensione. Ma, anche dopo decenni di ricerca e sviluppo in molti laboratori di ricerca in tutto il mondo, non c'è ancora nessuno che sappia produrre un materiale abbastanza puro per una lunghezza superiore a poche decine di centimetri, per non dire migliaia di chilometri. Tuttavia, i nanotubi di carbonio sono oggetto di ricerca e i metodi di produzione stanno migliorando nel corso degli anni.

Poiché il cavo dell'ascensore spaziale deve sostenere la sua massa contro la gravità terrestre per tutto il percorso dal suolo all'orbita geostazionaria e più avanti nello spazio, la resistenza alla trazione del cavo è una delle principali sfide oggetto di ricerca. La massa del cavo è molto difficile da stimare con precisione poiché dipende dall'architettura finale dell'intero sistema. In base a ragionevoli presupposti dell'architettura, la forza accettabile necessaria per il cavo è di circa 50 GPa (ovvero 50,000 MPa, ovvero più di 490 atmosfere), quindi i cavi d'acciaio o qualsiasi cavo utilizzato per gli ascensori sulla Terra oggi non sono abbastanza resistenti.

Un altro materiale recentemente studiato che potrebbe essere la risposta è il grafene a cristallo singolo. Come per i nanotubi di carbonio, il grafene a cristallo singolo è uno dei materiali attualmente oggetto di ricerca in grado di resistere ai requisiti di tensione estrema, principalmente perché è un materiale 2D spesso circa una molecola (a volte indicato come "molecola su scala macro"). Pertanto, il suo peso è quasi trascurabile anche per molti chilometri di lunghezza. Questi fogli di materiale sono stati studiati con successo per essere altamente durevoli, robusti e resistenti alla fatica e ora sono testati in lunghezze e velocità di produzione sempre più lunghe, attualmente testati per una resistenza alla trazione di 130 GPa.

6.4 Manutenzione autonoma

Poiché l'ascensore spaziale sarà esposto al duro ambiente spaziale, inclusi impatti di radiazioni e piccoli detriti spaziali (vale a dire, qualsiasi cosa, dai piccoli meteoroidi alla spazzatura spaziale artificiale che è in orbita attorno alla Terra), è fondamentale disporre di un sistema intelligente e veloce e meccanismi di manutenzione autonomi e altre protezioni per l'intera struttura, compreso il cavo (tether) ovviamente, ma anche per le auto (gli scalatori), gli ancoraggi e l'alimentazione.

Come tutti purtroppo sappiamo, gli ascensori possono avere incidenti di sicurezza cruciali che si verificano durante la loro vita. Le operazioni di sicurezza di emergenza rappresentano una sfida importante quando il cavo è lungo più di 35,800 km e la cabina dell'ascensore si muove a velocità estremamente elevate necessarie per compiere questo lungo viaggio in un lasso di tempo ragionevole di un giorno o due. Per ridurre al minimo i rischi, è necessario sviluppare soluzioni di manutenzione efficaci, rapide e autonome che incorporino una manutenzione predittiva elaborata.

7. La linea di fondo

Tutte queste sfide e altre ancora devono essere affrontate dall'industria degli ascensori, che ha decenni di esperienza nel trasporto verticale e sicuro di persone, forniture e attrezzature e deve occupare una parte importante della Nuova Era Spaziale dell'umanità. Se aspettiamo, potremmo perdere l'ascensore!

Abbiamo unito le nostre competenze per lanciare ascensori al di fuori dell'atmosfera terrestre, verso la nuova era spaziale e dare il benvenuto a tutte le società di ascensori e spaziali che vogliono aderire all'iniziativa.

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Referenze

[1] "Dual space access architectures- rockets & Space Elevators", Dr. Peter Swan, ISEC (International Space Elevator Consortium), un webinar luglio 2021.

[2] Pagina iniziale della JSEA (Japan Space Elevator Association) jsea.jp

[3] Pagina iniziale del BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge) baspec.schillergym.de

[4] "Gli ascensori spaziali ottengono il primo test nello spazio", un articolo di David Grossman sulla rivista Popular Mechanics, settembre 2018, Popularmechanics.com/space/satellites/a22985989/space-elevators-getting-first-test-in-space/

[5] Serie di conferenze sullo spazio commerciale della NASA, "Industria spaziale infusa di grafene", 2019. nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/space_portal_nixene_publishing.pdf

[6] “Architettura, Ingegneria e il Porto Galattico”, Michael Fitzgerald, Architetto Capo e Membro del Consiglio di Amministrazione, ISEC EVP e Co-Fondatore - Galactic Harbour Associates, Inc., un webinar agosto 2020.

[7] SPACEMATDB - Space Materials DataBase. spacematdb.com/spacemat

[8] Programma Arthemis della NASA e relativi media. nasa.gov/specials/artemis

[9] "Space Elevator Technology and Hraphene", un'intervista con Adrian Nixon, CEO di Nixor Ltd., agosto 2018. azom.com/article.aspx?ArticleID=16371

[10] Durante la preparazione di questo documento, tra il 2021-2022, abbiamo avuto incontri correlati con:

• Dott. Pete Swan, presidente dell'ISEC
• Dr. Eliad Peretz, capo ricercatore per New Space Missions presso il Goddard Space Flight Center della NASA.
• Mr. Michael Laine, presidente, chief strategic officer di LiftPort Group
• Molti altri professionisti del settore spaziale e degli ascensori che hanno condiviso con noi la loro prospettiva per gli ascensori nell'era spaziale.