Uzay Asansörü

Asansör ve Yürüyen Merdiven Teknolojileri üzerine Dokuzuncu Sempozyum, Eylül ayında daha da yükseklere ulaşacak.

Editörün Notu: Uluslararası Uzay Asansör Konsorsiyumu'ndan (ISEC) Dr. Bryan Laubscher, Eylül ayında gerçekleşecek olan dokuzuncu Asansör ve Yürüyen Merdiven Teknolojileri Sempozyumu'nda ve önceki akşam Northampton Üniversitesi'nde (UoN) açık konferansta ana konuşmacı olacak. Laubscher, “The Space Elevator Concept and Dynamics” üzerine konuşacak. Önizleme olarak bu makale, projenin teknolojisi ve hedefleri hakkında bir miktar arka plan sağlar. UoN dersi ve Asansör ve Yürüyen Merdiven Sempozyumu hakkında daha fazla bilgiyi adresinde bulabilirsiniz. www.liftsymposium.org.

Uzay asansörü, uzay yolculuğunda yeni bir rüyadır. Henüz gerçekleştirilmese de, bunu ulaşılabilir hissettirecek yeterli mevcut teknoloji bulunmaktadır. 17. yüzyıl Rus bilim adamı Konstantin Tsiolkovsky'nin beyin çocuğu olarak, dış uzaya elle tutulur bir bağlantı fikri yüzyıllardır ilerlemektedir. 1959'da, meslektaşı Rus Yuri Artsutanov, basınç dayanımına değil, çekme dayanımına dayanan yükselen bir yapının çağdaş fikrini önerdi. Jeosenkron Dünya yörüngesindeki bir uydu, atmosferden aşağıya yere bir ip gönderecekti. O zamandan beri, bu fikir birçok yuva buldu: 1966'da dört bilim adamının bir "gökyüzü kancası"ndan bahsettiği bir Amerikan bilim dergisi; 1975'te, teorinin arkasındaki matematikle çalışarak fikri olgunlaştıran Jerome Pearson'ın bir "yörünge kulesi" vizyonu; ve son olarak, Arthur C. Clark'ın 1979 tarihli The Foundations of Paradise adlı romanında popüler hale getirildi.

İlk bakışta, uzaya ulaşmanın böylesine yenilikçi bir yolunu geliştirmek gereksiz görünebilir, çünkü bazıları uzayın zaten bir yaşam alanı haline getirildiğini iddia edebilir: Uluslararası Uzay İstasyonu 2000 yılından beri astronotlar için kalıcı bir yuva olmuştur. Temel neden, erişilebilirliği iyileştirmek gibi görünüyor. Uzay, neredeyse tüm insan ırkı için, demiryollarının uzak diyarları birbirine bağlamasından önce kıtaların çoğunluğu kadar erişilemezdir. Sadece bu değil, uzay seyahati henüz ticari veya uygun fiyatlı hale getirilmedi ve ulaşım ne kaliteli ne de güvenli. Elbette tüm bunlar, belki de çözümü yanlış yerde, yanlış teknolojiyi kullanarak aradığımızı düşündürüyor.

Modern uzay asansörü, aynı temel prensibe sahip Artsutanov'un fikrine çok benziyor: yerden uzaya uzanan ince bir dikey ip. Ancak bu, benzerliklerin bittiği yerdir. En son vizyon, ekvatorda Dünya'ya bağlı, sabit bir Dünya yörüngesinin çok ötesinde bir karşı ağırlığa kadar uzanan bir ip gerektiriyor. Böyle bir yörünge tam olarak ekvatorun üzerindedir ve bir uydunun Dünya üzerindeki tam olarak aynı coğrafi nokta üzerinde kalıcı olarak kalmasını sağlamak için doğru hızda devirler sağlayan bir yarıçapa sahiptir. “Tırmanıcılar” olarak bilinen asansör arabaları, herhangi bir zamanda kargo veya yolcu taşıyan birden fazla dağcının bir ipe bağlı olduğu hızlı trenlerin hızlarında yükselir ve alçalır. Yolculuğun, sabit Dünya yörüngesine ulaşmadan önce 4-5 gün süreceği ve günlük olarak yeni bir tırmanıcının tanıtılacağı tahmin ediliyor.

Ancak uzay asansörü, yükleri Dünya atmosferinden basitçe aktarmaktan çok daha fazlasını yapma potansiyeline sahiptir. Bu fikrin özündeki dönme hareketi kullanılabilir ve ayrı bir işlevi olabilir: gezegensel transfer yörüngelerine faydalı yükleri enjekte etmek. Sadece yükün ipten atıldığı yeri değiştirerek farklı bir yörünge elde edilebilir. 2,000 km sonra serbest bırakılırsa, yük Alçak Dünya Yörüngesi elde edecek. Dört ila beş gün sonra serbest bırakılması, jeostatik Dünya yörüngesini verecektir. Bunun ötesinde, gezegenler arası enjeksiyona izin verir, çünkü ip boyunca daha fazla seyahat, Dünya yörüngesinden kaçmak için yeterince hızlı hareket edene kadar kargonun hızını arttırır. ISEC üyeleri, gezegenler arası seyahat için ilk hedefler olarak Ay ve Mars'ı önermekte ve uzay asansörünün ilk yerleşimcilerin ihtiyaç duyduğu altyapı için bir dağıtım sistemi olarak kullanılmasını ummaktadır.

Uzay asansörünün fiziğine gelince, ip, ipi gergin (Dünyadan uzağa) çekmek için Dünya'nın dönüşünden hareket eden merkezkaç kuvveti ve ipi Dünya'ya doğru çeken merkezcil kuvvet tarafından dik tutulur, tıpkı üzerinde daireler çizen bir kütle gibi. dizi. Bu, ip üzerinde muazzam bir kuvvet gerektirir, bu nedenle ipin bileşim malzemesinin özellikleri büyük önem taşır; yani, özel gücü. Bir malzemenin özgül mukavemeti, mukavemet ve yoğunluğunun bir oranıdır ve karbon nanotüpler bu projenin geleceği olarak selamlanmıştır (Şekil 1). Yüksek bir gerilme mukavemeti ve düşük yoğunluk, bu karbon allotropunun, mevcut diğer herhangi bir malzemeden çok daha uzun uzunluklar için kendi ağırlığını desteklemesine izin verir. ISEC bilim adamları, Yuri Artsutanov'a saygıyla oluşturulmuş yeni bir birim olan 30-40 MYuri'lik bir spesifik güç elde etmeyi umuyorlar (1MYuri = 1 milyon Pa/(kg/m3)). Bu, bir ipin oluşturulması için gerekli olandan daha büyük bir değerdir, ancak pratiklik kolaylığı için mühendisler, karbon nanotüpler için tahminlere göre kolayca elde edilebilecek bir şey olan artan özgül gücü seçtiler. Bağın tasarımına gelince, en büyük gerilim noktasından (jeosenkronize Dünya yörüngesinde), ipin en kalın olacağı yerden, en az gerilim noktasına (yüzeyde) Dünya'ya doğru kalınlıkta aşağıya doğru daralması gerekir. , en ince olduğu yerde.

Karbon nanotüpler ayrıca çok elastiktir, bu da onlara tırmanıcılar yükselirken üretilen Coriolis kuvvetiyle başa çıkma esnekliği sağlayabilir: her tırmanıcı yükseldikçe ipin hızı Dünya'dan uzaklaştıkça arttıkça, etrafta dolaşacaklar gezegen, ipin üzerine tırmanmakta olduğu kısmından daha yavaş. Bu, Dünya ileriye doğru dönerken Coriolis kuvvetinin geriye doğru hareket edeceği anlamına gelir. Bu süreç aynı olacak, ancak her tırmanıcının iniş aşamasında tersine dönecektir. Dr. Bryan E. Laubscher, bu yüksek mukavemetli nanotüp materyallerini geliştirmeyi amaçlayan bir şirket olan Odysseus Technologies'in kurucusudur. Odysseus, prensip kanıtı deneyleriyle tamamlanmış bu tür malzemeleri sentezlemenin yeni bir yolunu çoktan icat etti. ISEC yönetim kurulunda da bu konuyu sempozyumda sunacağı için mutluyuz.

Uzayda yaklaşık 100,000 km konumlandırılmış bir karşı ağırlık, Dünya'dan uzaklaşırken ip üzerinde hareket eden tek biçimli olmayan yerçekimi ve merkezkaç kuvvetleri nedeniyle gereklidir ve neyin kullanılabileceğine dair, yakalanan bir asteroitten kullanılmış asteroide kadar değişen birçok öneri var. uzay rıhtımına tırmananlar.

Uzay asansörü, her biri yer istasyonundaki ipin tabanından ışınlanan güneş ışığından veya lazer ışığından elektrik üreten dağcılar üzerindeki güneş pilleri ile güçlendirilecek. Bu güç düzenlemesinin pek çok faydasından biri, tırmanıcıların roketlerin taşıması gereken yakıtın ağırlığından etkilenmemesidir - bir roketin %90'ı itici yakıta tahsis edilirken, tırmanıcıların ek ağırlığı yalnızca kargo ve yolcuları dikkate almalıdır. Diğer bir faydası ise roket yakıtının beraberinde getirdiği patlama tehlikesini ortadan kaldırarak gerçekleştirilen girişimin güvenliğinin artmasıdır.

Tırmanıcıların çok çeşitli önerilen tasarımları vardır, ancak çoğu, sürtünme kullanarak ipi tırmanmalarına izin veren silindirleri kullanmayı umar.

Bağın işlevlerini sürdürmek ve güvenliğini sağlamak, küçük enkaz hasarlarıyla ilgilenecek ve sürekli denetimler sağlayacak olan bakım tırmanıcılarının işi olacaktır. Bununla birlikte, tüm dağcılar, kaçınılmaz uydulara ve büyük uzay çöplerine karşı korunmak için kendi tahrik sistemleriyle donatılmıştır. Bu tasarımın ipi zarardan uzaklaştırmak için yeterli olacağı (ve ipin bu harekete uyum sağlamak için büküleceği) umulmaktadır.

Uzay asansörünü inşa etmek zorlu bir iştir, çünkü kilometrelerce uzunluktaki ip şeridinin uzaydan Dünya'ya nasıl geri asılacağı sorusunun basit bir cevabı yoktur (Şekil 2). Birden fazla aşama gerektirecektir. İlk aşama, 80 T ağırlığındaki karbon nanotüplerden oluşan bir tohum şeridini düşük Dünya yörüngesine kaldırmak için roketler kullanmaktır. Oradan, tohum şeridi, ek roketler tarafından jeosenkronize Dünya yörüngesine yükseltilmeden ve kararlı hale gelmesine izin verilmeden önce daha uzun bir şerit halinde birleştirilecek. Bu ilk şeritten, giderek daha fazla malzeme eklenecek ve ip, şeridin en alt kısmının ucu yerçekimi tarafından aşağı doğru çekilene kadar uzaya ve aşağıya Dünya'ya doğru uzayacaktır. Daha sonra ip yakalanacak ve yer istasyonuna demirlenecektir.

Bu ilk kalınlıktan itibaren, ip sürekli olarak genişletilecektir. O kadar büyük bir kaldırma kabiliyetine sahiptir ki, 7 cm'lik bir kalınlık bile günde 1,000 ton malzeme transferine yol açabilir - her gün üç tam Uluslararası Uzay İstasyonu ile karşılaştırılabilir. Kilogram başına fiyattaki düşüş olağanüstü. Şu anda, her bir yük için uzaya gönderilen kilogram başına yaklaşık 20,000 ABD Doları tutarındadır. Uzay asansörü bunu sadece dolara indirebilir.

Ancak şimdilik, gelişim süreci anahtardır. Bir yol bulucu görevi, öncelikle, kütleleri bir şeritte yukarı ve aşağı hareket ettirmenin fizibilitesi hakkında bilinen teknolojilerle (örneğin, Kevlar®) deneyler yapmaktır. Bu, ilk olarak 2006 yılında karbon şeridi 1 mil uzatan LiftPort Group tarafından denendi. balonları kullanarak gökyüzüne ve onu yükseltmek için robotlar gönderdi (bir dereceye kadar başarılı olarak kabul edilen bir test). Oradan, ISEC, 2031 yılına kadar bir şeridin daha önce açıklanan şekilde konuşlandırılması ve yakalanması amacıyla tohum bağına geçilmesini önerir. Daha sonra, ip sürekli olarak güçlendirilirken, önerilen tırmanıcı akışını bir simülasyon olarak incelemek için tek dizi testi öngörülmüştür. Test, işletim standartları altında sistem performansını doğrulayacak ve uzay asansörünün gerçekten şekillenmeye başladığı sınırlı operasyonel kapasiteye yol açacaktır. Bu noktada, gerekli tüm donanımlar konuşlandırılmış olacak ve personel değerlendirme için hazır olacaktır. Tam operasyonel kapasiteden hemen önce uzay asansörünün hizmetleri yaygınlaştırılacak; gelişmiş; ve ISEC, yeni işlevlerin ekleneceğini umuyor.

Uzay asansörünün üst yapısı geniş olacaktır (Şekil 2). Dünya limanı olarak bilinen bir yer istasyonu, ipi yere sabitleyen ve kargo ve yolcuların yüklenmesi ve boşaltılması için bir yer sağlayan bir komplekstir. Jeo-durağan bir Dünya yörünge düğümü, aynı zamanda, uzay asansörü faaliyetleri için bir kompleks olarak tasavvur edilir. Uzak uçta, karşı ağırlıktan ve uzay asansörünün faaliyetleri için başka bir kompleksten oluşan apeks çapası olacaktır.

Tabii ki, bu büyüklükteki bir proje korumaya sahip olmalıdır, bu nedenle her bir bağlantı noktası ve düğümün etrafındaki bir alan hacmi ve ipin kendisinin sütunu, hava sahasınınkine benzer bir izlemeye sahip olacaktır. Dünya limanının etrafındaki bölge, okyanus tabanından uzay boşluğuna kadar uzanacak. Ayrıca, sabit Dünya yörüngesi ve tepe düğümleri için, Dünya dönerken ip tarafından süpürülen herhangi bir hacmi kapsayan korunan bir bölge olacaktır.

Bu girişimin sınırlamalarından biri, ipin ekvator boyunca demirlemeyle sınırlı olması nedeniyle kargo ve yolcuların yüklenmesi ve boşaltılması gibi görünebilir. İnsanlar, trenler gibi ulaşım araçlarının evlerinden birkaç dakika uzaklıkta erişilebilir olması fikrine alıştılar ve ülkeler kendi sınırları içinde kendi terminallerine sahip olmak istiyorlar. Bu mümkün çünkü ipin veya düğümün sabit kalması istenen tek kısmı ekvatorun üzerinde kalmalı, bu nedenle ekvatorun ayna çizgisinin her iki tarafında iki veya daha fazla ipin yansıtılması düşünülebilir (Şekil 3).

Görsel kirlilik çok fazla önemsenmemelidir. Birçok modern havalimanının genişletilmesi ve tren terminallerinin inşası şaşkınlığa neden olabilirken, bir Dünya limanının etkisi minimum olmalıdır. Bir havaalanından önemli ölçüde daha küçük olurdu ve uzay asansörü ve uzaydaki herhangi bir liman ancak doğru ışıkta yakalanırsa görülebilirdi.

Bir turizm yeri veya gezegenler arası seyahat için bir liman olabilecek bir uzay asansörü vizyonu var. Tamamen erişilebilir güneş panellerinden güç üretimi veya Ay'ın madenciliğinden kaynaklara erişme yeteneği sunabilir. Vizyonerler hastaneler ve fabrikalar için umut veriyor. Belki de yeni bir sınır olacak.

Referanslar
[1] Aravind, PK “Uzay Asansörünün Fiziği,” American Journal of
Fizik, s. 125-130 (2007).
[2] Arthur, I. “Upward Bound: Space Elevators” (2018, 4 Nisan).
[3] Donahue, MZ “İnsanlar Hala Bir Uzay Asansörü İnşa Etmeye Çalışıyor.”
Smithsonian Magazine'den alındı ​​(www.smithsonianmag.com/
yenilik/insanlar-hala-inşa-uzay-asansörü-deniyor-180957877
(2018, 4 Nisan).
[4] Fitzgerald, M., Hall, V., Swan, PA & Swan, CW “Tasarımla İlgili Hususlar
Space Elevator Apex Anchor ve GEO Node için,” Irvine (Lulu.com)
(2017).
[5] Smitherman, Jr., DV “Uzay Asansörleri: Gelişmiş Bir Dünya-Uzay
Yeni Binyıl için Altyapı,” Huntsville: NASA (2000).
[6] “Uzay Asansörü.” Wikipedia'dan alındı ​​(en.wikipedia.org/wiki/
Uzay_asansörü)(2018, 4 Nisan).
[7] “Space Elevator Architectures,” ISEC'den alındı ​​(isec.org/wp-content/
uploads/2017/05/SEArchitectures_rev0.pdf )(2018, 4 Nisan).
[8] "Uzay Asansörü SSS." ISEC'den alındı ​​(isec.org/space-elevator-faq)
(2018, 4 Nisan).
[9] “Uzay Asansörü Nedir (500 Kelime veya Daha Azıyla)?” ISEC'den alındı
(isec.org/2016-05-29-06-04-13/what-is-a-space-elevator-in-500-wordsor-
daha az)(2018, 4 Nisan).
[10] “Orijinal Hochgeladen von Schwarzm tarafından 30 yaşındayım.” Selbst gemacht mit
C4D/Cartoonrenderer, GNU FDL - German Wikipedia, original upload
29 Aralık 2004, APPER tarafından, CC BY-SA 3.0 (commons.wikimedia.
org/w/index.php?curid=350208).