Dikey Ulaşım Uzay Çağı

Bilim Kurgudan Uygulanabilir Mühendislik Çözümüne ve Gelişmekte Olan Bir Pazara

Yuval Valiano-Rips ve Maya Glickman-Pariente tarafından

Bu bildiri, İspanya'nın Barselona kentinde düzenlenen 2022 Uluslararası Asansör ve Yürüyen Merdiven Sempozyumunda sunulmuştur. 

1. Özet

Uzay Asansörü, yerden sabit yörüngeye kadar kablo tabanlı dikey ulaşım (VT) aracı için iyi bilinen bir kavramdır. Geçtiğimiz yüzyılda, bilimkurgu yazarları ve bilim adamları, henüz ulaşılmamış olan bu zorluğu tartıştılar.

Bir Uzay Asansörü için olası pazar çok büyük olsa da, inşaat için gerekli malzemelerin ticarileştirilmesi ve teknolojinin olgunlaşması gerekiyor.

Buna paralel olarak, 2030'ların başında, asansör şirketlerinin başrolü üstlenmesi gereken Ay ve Mars görevleriyle yeni bir VT pazarı ortaya çıkacak.

Ay, Mars ve ötesinde insan yerleşimleri inşa etmek için çok az uzay programı başlatıldı ve finanse edildi. Ana program, NASA tarafından yönetilen ve 2025 yılına kadar Ay yüzeyinde ve 2035 yılına kadar Mars yüzeyinde yerleşik üs kampları inşa etmeyi içeren “Artemis” uluslararası misyonudur.

Bu yeni yerleşim yerleri, hem insanlar hem de kargo için farklı tipte VT çözümlerine ihtiyaç duyacaktır.

Dikey olarak inen uzay gemilerinden yüzeye büyük miktarda ekipman indirmek (ve yukarı), yer altı madenlerinden kampı desteklemek için gereken malzemeleri dikey olarak taşımak veya sadece yüzeyden yer altı habitatının güvenliğine seyahat etmek gibi zorluklarla başa çıkmak, asansörleri yeniden tasarlamamız gerekiyor: farklı yerçekimi kuvveti, farklı atmosfer yoğunluğu ve bileşimi, daha güçlü radyasyon ve sektörümüzün ele almaya başlaması gereken diğer zorluklar. 

Bu yeni VT kullanım durumlarına, halihazırda birkaç şirket tarafından planlanmakta olan yeni uzay çağı otelleri de katılıyor. Dünyanın dört bir yanındaki Alçak Dünya Yörüngelerinde (LEO) lüks tatiller için inşa edilen uzay istasyonlarının da insanları taşımak için çözümlere ihtiyacı olacaktır.

Uzayla ilgili endüstriler, tren veya araba endüstrileri veya diğer teknoloji şirketleri bu sorunları çözebilir. Ancak, başka herhangi bir endüstri liderliği ele geçirmeden önce, VT endüstrisinin önümüzdeki on yılların ihtiyaçlarını karşılamaya hazır olması gerektiğine inanıyoruz.

Makalemizde, bu yeni pazarın zorluklarını (uzay ortamı, pazar fırsatları, mevcut mimariler vb.) araştırdık ve işlerini uzaya taşımak isteyen asansör firmaları için bir yol haritası ile farklı çözümler önerdik.

Asansörlerin yeni uzay çağındaki rolü şu anda yalnızca uzaydan anlayan ancak asansörleri anlamayan uzayla ilgili şirketler tarafından ele alınmaktadır.

Makalenin ana sonucu, asansör şirketlerinin kuruluma hazır, uzayda kanıtlanmış asansör modülleri elde etmek için asansörler ve uzay ortamı arasındaki ilişkinin Ar-Ge'sine başlaması için en iyi zamanın şimdi olduğudur.

Bu belge, sektörümüz için bir eylem çağrısıdır.

2. Kağıt Motivasyonu - Asansörler ve Yeni Alan 

Son 20 yıldır uzayda sürekli bir insan varlığı var. Önümüzdeki on yıllarda, insanların çok gezegenli bir tür olarak ilk adımlarına başladığı döneme gireceğiz. Ay ve Mars'ta insan yaşam alanları şimdiden planlanıyor. Bu tesislerin, iniş araçlarından ekipmanı, malzemeleri ve insanları yüzey altındaki kraterlere, lav tüplerine ve mağaralara boşaltmak ve yer altı buzları ve inşaat malzemeleri için Ay ve Mars zeminini hasat edeceğimiz yer altı faaliyetlerini yürütmek için VT çözümlerine ihtiyacı olacak. Bazıları büyük “uzay otelleri” olarak planlanan daha büyük ve daha büyük uzay gemileri ve uzay istasyonlarının da insanları hem dikey hem de yatay olarak uzun mesafelere taşıması gerekecek.

2.1 Bütünsel Görüşümüz

Önümüzdeki yıllarda dünya dışı ortamlarda kullanılan VT çözümlerine olan talebin arttığını göreceğiz: Ay, Mars ve uzay otelleri. Bu nedenle, artık bu asansörlerin tüm gereksinimlerine uygun konseptleri oluşturma, malzemeleri bulma ve tasarımları oluşturma zamanının geldiğine inanıyoruz.

Uzayda kanıtlanmış asansör malzemeleri ve bileşenleri için ticari bir ortam bu on yılda gelişmeye başlayacak ve dünya çapındaki asansör endüstrisi bu önemli çabanın bir parçası olmalıdır. Liderlik etmezsek, bu ulaşım çözümlerini planlama ve inşa etme rolünü farklı bir endüstri üstlenecek: uzay endüstrileri, tren şirketleri veya diğer teknoloji veya ulaşım endüstrileri.

Ayrıca, uzay endüstrisi için asansörle ilgili malzeme ve ürünlerin oluşturulması ve test edilmesi, daha güçlü, daha hafif ve daha verimli asansör malzemelerini, bileşenlerini ve süreçlerini burada yere getirerek dünyadaki "normal" asansörlere geri dönecektir. .

2.2 Halihazırda Yapım Aşamasında Olanlar Nelerdir?

İnsanları veya kargoyu başka bir gök cismine indirmeyi planlayan her uzay şirketi veya kuruluşu, VT çözümünü araçlarına ve görevlerine uyacak şekilde tanımladıkları gereksinimlere göre oluşturur. Bir tür dünya dışı asansöre ihtiyaç duyacak mevcut uzay tabanlı mimarilerden bazıları SpaceX ("Yıldız Gemisi" filosunu kullanarak 2025'e kadar Ay'a ve 2035'e kadar Mars'a insan indirmeyi planlıyor), NASA (insanları Ay'a indirmeyi planlıyor) 2024'te) ve daha fazlası gelecek.

Diğer vizyoner planlar, bir tür dikey ve yatay ulaşım çözümlerine ihtiyaç duyacak uzay otellerini içerir. Gelecekte, kesinlikle merkezcil kuvvetleri kullanarak yapay yerçekimi kullanacaklar ve o zaman VT çözümleri çok önemli olacak.

3. Zorluk

İnsanlar uzay ve asansörleri düşündüklerinde, akla her zaman bir Uzay Asansörü (veya Ay Asansörü) kavramı gelir. Ancak bu on yılda uygulanacak çok daha acil bir ulaşım çözümü var: Ay ve Mars'a iniş yapanlar için VT çözümleri. Dikey olarak inen, 30-50 m yükseklikte duran ve birçok seviyede depolamaya sahip olabilen bu iniş araçları, Ay ve Mars yüzeyindeki ekipman ve insanları yüklemek ve boşaltmak için VT çözümlerine ihtiyaç duyacak.

Önümüzdeki on yılda, Ay ve Mars'ta, muhtemelen kısmen yeraltında veya büyük mağaralarda ve lav tüplerinde daha büyük ve daha büyük uzay üsleri ve hatta koloniler görmeyi planlıyoruz. Bu insan yaşam alanları, zorlu ortamlara ve ihtiyaçlara uygun asansörlere ihtiyaç duyacaktır. Bu koloniler, Dünya'dan mal teslimatı çok pahalı olduğu için yerel topraklardan olabildiğince çok malzeme çıkaracak ve toplayacak. Bu çalışma alanları ve taş ocakları da VT çözümleri gerektirecektir.

Gelecekte, bu on yılın sonunda, yapay yerçekimi olsun ya da olmasın, rekreasyon için bile daha büyük uzay yapılarının inşa edilmesini bekleyebiliriz. Onların da asansörlere ve yürüyen bantlara ihtiyacı olacak.

4. Uzay Ortamı Zorlukları

Uzay, hayal edilebilecek en aşırı ortamlardan biridir. Dünya'nın koruyucu atmosferinin dışında, nesneler hem sıcak hem de soğuk olmak üzere aşırı sıcaklıklara, hızlı sıcaklık değişimlerine ve önemli ölçüde artan radyasyon etkileri tehdidine maruz kalır. Uzaydaki boşluk, "gaz çıkışı" adı verilen bir olgu nedeniyle insanlar ve malzemeler için de büyük bir zorluktur. 

Bir uzay aracının uğraşması gereken ilk aşırı koşul, fırlatma durumudur. Tüm uzay araçları ve insanlar roketlerle uzaya fırlatılır. Roketlerin ve uzay araçlarının, Dünya'nın yerçekiminden kaçmalarına yetecek enerjiyi verebilmeleri için tonlarca itici gaz taşımaları gerekiyor. Dünyanın yerçekimi nedeniyle, uzaya götürmek istediğiniz nesneler ne kadar büyük ve ağırsa, roketler ve itici gaz da o kadar büyük ve ağır olacaktır. Uzay aracını ve/veya uyduyu yörüngeye yerleştiren roket ayrıca mekanik şoklar ve titreşimler üretecek ve onu son derece yüksek ses dalgalarıyla vuracaktır.

Uzaydaki veya Ay'daki sıcaklıklar, mutlak sıfıra yaklaşan aşırı soğuktan, doğrudan güneş ışığında yüzlerce dereceye kadar çıkabilir. Bunun da ötesinde, sıcaklık değişimleri aşırıdır ve yaklaşık 200°C/dk'ya ulaşır.

Kendi Güneşimizden ve evrendeki diğer yıldızlardan gelen radyasyon, elektronlar, protonlar, alfa parçacıkları ve gama ışınları gibi enerji yüklü parçacıklar nedeniyle elektronik cihazlar için son derece tehlikeli olabilir ve ayrıca atom yer değiştirmesine veya uzun süreli toplam iyonlaşmaya neden olabilir. doz etkileri.

4.1 Uzaydaki Malzemeler

Uzayın (veya Ay ve Mars'ın) malzemeler üzerindeki çevresel etkileri, yüksek enerjili radyasyon parçacıkları, atomik oksijen, mikrometeoroidler, yörünge enkazı ve ultraviyole ışınımı gibi yörüngesel ortamların sinerjistik etkileşimi ve termal maruz kalma nedeniyle çok şiddetli ve karmaşıktır. . Ek olarak, kirlenmeyle ilişkili yüzey bozulması, optik performansını olumsuz etkileyebilir. Bir asansör durumunda, askı kabloları, kabin ve diğer bileşenlerin tümü zorlu uzay ortamından etkilenecektir. Bu nedenle, asansör tasarımcılarının, asansörün çalışacağı özel ortam hakkında derin bir anlayışa sahip olması, güvenlik ve mühendislik performansını en üst düzeye çıkarmak, görev ömürlerini artırmak ve riski azaltmak için uygun malzeme seçimini sağlaması gerekir.

Uzay görevleri, aşırı ısı, termal gradyanlar, darbeler ve radyasyon altında işlevsel bütünlüğü koruyabilen malzemeler gerektirir. Uzayda kullanılan malzemelerden bazıları alüminyum, nikel, titanyum ve bunların alaşımları, çelik ve dolgu malzemeleridir; Kevlar, silika ve silika bazlı malzemeler, akrilik ve metakrilik polimer bazlı polimerler, polikarbonat ve bazı polistiren türleri.

5. Eylem Çağrısı

Bu makalenin yazılması sırasında, dünya dışı asansörle ilgili kuruluşlardaki en baskın insanlardan bazılarıyla tanıştık. Hepsi, önemli asansör şirketlerinin devreye girerek bu yeni, çığır açan VT çözümlerinin tasarlanmasında önemli bir rol alma ve geleceği desteklemek için uzayda kanıtlanmış asansör bileşenleri ve malzemelerinden oluşan ekosistemin oluşturulmasına öncülük etme zamanının geldiği konusunda hemfikirdi. Yeni Uzay çağında VT.

6. Uzay Asansörü — Tarih ve Bilim Durumu 

6.1 Uzay Asansörü Nedir?

Araştırmacıların ve bilimkurgu yazarlarının zihinlerini onlarca yıldır heyecanlandıran ve bu makalenin yazıldığı ana kadar asansörler ile uzay alanlarının yegâne bağlantısı olan Uzay Asansörü kavramını hatırlamadan bu makaleyi yazamayız. 

Uzay Asansörü, yere sabitlenmiş ve Dünya'nın ekvatorunun yaklaşık 100 km yukarısındaki sabit yörüngeye kadar uzanan, kablo tabanlı (bağlı) bir VT aracı için 35,800 yıllık bir konsepttir. Bu yükseklikte, yörüngedeki bir nesne sabit görünecektir, yani dünya yüzeyinde neredeyse aynı noktanın üzerinde kalacaktır.

Böylece, sabit yörüngedeki bir nesneden indirilen ve dünya yüzeyine sabitlenmiş hafif ve yeterince güçlü bir kablo (bağ) sabit gerilim altında kalacak ve nesne, ankrajın hemen üzerinde dönecektir.

Geçmişte, Uzay Asansörü bir bilim kurgu fikrinden başka bir şey olarak görülmüyordu, ancak son on yılda yapılan birçok araştırma ve teknolojik gelişmeler sayesinde, bu fikrin gerçeğe dönüşebileceği ana artık daha yakınız.

6.2 İnsanlık Neden Roketleri Sonsuza Kadar Kullanamıyor?

Şu anda insanoğlunun faydalı yükleri yörüngeye çıkarmak için tek alternatifi, riskli, son derece kirletici ve pahalı olan roketleri kullanmaktır.

Tablo 1, o yıllarda olgunluğa erişmesi gereken bazı tahmini büyük projeler için insanlığın uzay teslimatı gereksinimlerinin yıllık metrik ton cinsinden bir varsayımını göstermektedir.

Metrik Ton Cinsinden Talep	2031	2035	2040	2045
Uzay Güneş Enerjisi	40,000	70,000	100,000	130,000
Nükleer Maddelerin Bertarafı	12,000	18,000	24,000	30,000
Asteroit Madenciliği	1,000	2,000	3,000	5,000
gezegenler arası uçuşlar	100	200	300	350
GEO'ya Yenilikçi Görevler	347	365	389	400
Güneş Sisteminin Kolonizasyonu	50	200	1,000	5,000
Pazarlama reklamı	15	30	50	100
L-1'de Güneşlikler	5,000	10,000	5,000	3,000
Mevcut GEO uyduları + LEO'lar	347	365	389	400
Yıllık Toplam Metrik Ton	58,859	101,160	134,128	174,250

Roketler gitgide daha verimli hale gelse de hepsinin Tsiolkovsky roket denklemine uyması gerekir: 

Nerede:

Δ Bu, aracın hızındaki maksimum değişimdir (dış kuvvetlerin etkisi olmadığı durumda).
₀ itici gaz dahil ilk toplam kütle, "ıslak kütle".
itici gazsız nihai toplam kütle, yani kuru kütledir.
etkin egzoz hızıdır, burada:
zaman boyutundaki özgül dürtüdür.
₀ standart yerçekimidir.
Doğal logaritma fonksiyonudur.

Bu nedenle, tüm roketler, roketin kütlesinin bir kısmını uzaya götürmek için hala büyük miktarda yakıt gerektirir. Aya iniş roketi için bir sonraki örneğe bakabiliriz:

Kalkıştaki toplam roket kütlesi = %100, bunun dışında:

• Takviye aşamaları + LEO'ya ulaşmak için yakıt yaklaşık %95'tir
• GEO'ya (Geostationary Earth Orbit) ulaşacak yakıt ve motorun kütlesi yaklaşık %1.6'dır.
• Ay'ın yörüngesine yerleştirilecek yakıtın kütlesi yaklaşık %1.5'tir.
• Ay'a iniş ve yörüngeden çıkış için kütle yaklaşık %1.4'tür.

Ay'daki nihai kütle, roketin ilk kütlesinin sadece %0.5'i kadardır!

Ayrıca roketler CO nedeniyle küresel ısınmaya katkıda bulunur.₂ atmosferde emisyon.

Bugün bu alanda lider olan Uluslararası Uzay Asansörü Konsorsiyumu (ISEC), Ay'a liderlik eden LiftPort Grubu gibi uzayla ilgili birçok kurum, şirket, üniversite ve diğer kuruluşlar tarafından önceki yıllarda konu hakkında çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bir Uzay Asansörü için mühendislik çalışmasına katılan Uzay Asansörü konsepti ve araştırması, NSS (Ulusal Uzay Topluluğu), NASA, Avrupa Uzay Ajansı, Japonya Havacılık ve Uzay Araştırma Ajansı (JAXA) ve daha pek çoğu.

2018'de JAXA, Japonya'daki Shizuoka Üniversitesi ile birlikte, bir kablo kullanarak iki uydu arasında minyatür bir asansör kabini sürmeyi içeren küp uydu tabanlı bir Uzay Asansörü deneyini uzaya gönderdi.

Son 15 yılda, Uzay Asansörü bileşenlerinin geliştirilmesi için X ödülü, JSEA (Japan Space Elevator Association), BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge) ve daha pek çok yarışma düzenlendi.

6.3 Uzay Asansör Mimarileri

Uzay Asansörü ilk önerildiğinden bu yana birçok farklı mimari araştırıldı ve yayınlandı. Hemen hepsi aynı temel dört bileşeni içerir:

1. Baz istasyonu — yüzeye bir çapa
2. Karşı ağırlık - bir yörüngesel uzay istasyonu.
3. İp (ana kablo)
4. Tırmanıcı (asansör kabini)

Ana zorluklardan biri, aşırı gerilim kuvvetlerini taşıyabilecek ama aynı zamanda zorlu uzay ortamına da dayanabilecek bir kablo malzemesi bulmaktı. Son birkaç yıla kadar ana hedef malzeme karbon nanotüplerdi. Bu nanometrelik tüp benzeri teller, eğer saf ve kusursuz iseler, gerilim gerekliliklerini karşılayabilirler. Ancak, dünyanın dört bir yanındaki birçok araştırma laboratuvarında on yıllarca süren Ar-Ge'den sonra bile, birkaç düzine santimetreden daha uzun, hatta binlerce kilometre uzunluğunda yeterince saf bir malzemenin nasıl üretileceğini bilen kimse yok. Yine de, karbon nanotüpler araştırılıyor ve üretim yöntemleri yıllar içinde gelişiyor.

Uzay Asansörü kablosunun kütlesini yerden sabit yörüngeye ve daha da uzaya kadar Dünya'nın yerçekimine karşı desteklemesi gerektiğinden, kablonun gerilme mukavemeti araştırılmakta olan büyük bir zorluktur. Tüm sistemin nihai mimarisine bağlı olduğu için kablonun kütlesini doğru bir şekilde tahmin etmek çok zordur. Mimarinin makul varsayımları altında, kablo için gereken kabul edilebilir güç yaklaşık 50 GPa'dır (yani 50,000 MPa, yani 490 atmosferden fazladır), bu nedenle çelik kablolar veya bugün Dünya'da asansörler için kullanılan herhangi bir kablo yeterince güçlü değildir.

Cevap olabilecek yeni araştırılan bir başka malzeme de tek kristal grafendir. Karbon nanotüplerde olduğu gibi, tek kristal grafen, esas olarak yaklaşık bir molekül kalınlığında (bazen "makro ölçekli bir molekül" olarak anılır) yaklaşık 2 boyutlu bir malzeme olduğu için aşırı gerilim gereksinimlerine dayanabilen, şu anda araştırılan malzemelerden biridir. Bu nedenle, ağırlığı kilometrelerce uzunlukta bile neredeyse ihmal edilebilir düzeydedir. Bu malzeme tabakalarının son derece dayanıklı, güçlü ve yorulmaya karşı dayanıklı olduğu başarılı bir şekilde araştırılmıştır ve şimdi daha uzun uzunluklarda ve üretim hızlarında test edilmektedir - şu anda 130 GPa'lık gerilme mukavemeti için test edilmektedir.

6.4 Otonom Bakım

Uzay Asansörü, radyasyon ve küçük uzay enkazı etkileri (yani, küçük meteoroidlerden Dünya etrafında yörüngede bulunan insan yapımı uzay çöplüğüne kadar her şey) dahil olmak üzere zorlu uzay ortamına maruz kalacağından, akıllı, hızlı olması çok önemlidir. ve otonom bakım mekanizmaları ve tabii ki kablo (tether) dahil olmak üzere tüm yapı için ve aynı zamanda arabalar (tırmanıcılar), ankrajlar ve güç kaynağı için diğer korumalar.

Maalesef hepimizin bildiği gibi, asansörlerin kullanım ömürleri boyunca meydana gelen çok önemli güvenlik olayları olabilir. Acil durum güvenlik operasyonları, kablo 35,800 km'den uzun olduğunda ve asansör kabini bu uzun yolculuğu bir veya iki gün gibi makul bir zaman diliminde yapmak için gereken son derece yüksek hızlarda hareket ettiğinde büyük bir zorluk oluşturuyor. Riskleri en aza indirmek için ayrıntılı kestirimci bakımı içeren etkili, hızlı ve otonom bakım çözümleri geliştirilmelidir.

7. Sonuç

İnsanları, malzemeleri ve ekipmanı güvenli ve dikey olarak taşıma konusunda onlarca yıllık deneyime sahip olan ve insanlığın Yeni Uzay Çağı'nın önemli bir bölümünü alması gereken asansör endüstrisinin tüm bu zorlukları ve daha fazlasını ele alması gerekiyor. Beklersek asansörü kaçırabiliriz!

Yeni uzay çağına asansörleri Dünya atmosferinin dışına çıkarmak için yeteneklerimizi birleştirdik ve bu girişime katılmak isteyen tüm asansör ve uzay şirketlerini memnuniyetle karşılıyoruz.

---

Referanslar

[1] “İkili uzay erişim mimarileri- roketler ve Uzay Asansörleri,” Dr. Peter Swan, ISEC (Uluslararası Uzay Asansörü Konsorsiyumu), bir web semineri Temmuz 2021.

[2] JSEA (Japonya Uzay Asansörü Derneği) ana sayfası jsea.jp

[3] BASPEC (Bavyera Uzay Asansörü Mücadelesi) ana sayfası baspec.schillergym.de

[4] David Grossman'ın Popular Mechanics dergisinde Eylül 2018'de yazdığı bir makale "Uzay asansörleri uzayda ilk testi alıyor", Popularmechanics.com/space/satellites/a22985989/space-elevators-getting-first-test-in-space/

[5] NASA Ticari Uzay Ders Serisi, "Grafen aşılanmış uzay endüstrisi", 2019. nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/space_portal_nixene_publishing.pdf

[6] “Mimari Mühendislik ve Galaktik Liman”, Michael Fitzgerald, Baş Mimar ve Yönetim Kurulu Üyesi, ISEC Başkan Yardımcısı ve Kurucu Ortağı - Galactic Harbour Associates, Inc., Ağustos 2020 tarihli bir web semineri.

[7] SPACEMATDB - Uzay Malzemeleri Veritabanı. spacematdb.com/spacemat

[8] NASA'nın Arthemis programı ve ilgili medya. nasa.gov/specials/artemis

[9] “Space Elevator Technology and Hraphene,” Nixor Ltd. CEO'su Adrian Nixon ile bir röportaj, Ağustos 2018. azom.com/article.aspx?ArticleID=16371

[10] 2021-2022 yılları arasında bu belgenin hazırlanması sırasında aşağıdakilerle ilgili toplantılar yaptık:

• Dr. Pete Swan, ISEC başkanı
• Dr. Eliad Peretz, NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde Yeni Uzay Görevleri baş araştırmacısı.
• Bay Michael Laine, Başkan, LiftPort Group'un baş stratejik sorumlusu
• Uzay çağında asansörlere bakış açılarını bizimle paylaşan uzay ve asansörle ilgili diğer birçok profesyonel.