Od niepamiętnych czasów człowiek spogląda w niebo, obserwując ciała niebieskie. Marzenia o oderwaniu się od powierzchni Ziemi i opuszczeniu jej atmosfery spełniły się dopiero (już?) w XX wieku. Czyli od czasów, gdy człowiek pojawił się na zielonej planecie, do momentu gdy potrafił ją opuścić, minęło ho, ho...
Mamy XXI wiek i podróże/ transport ludzi i materiałów niezbędnych do życia w kosmosie wciąż sprawiają problemy techniczne i pociągają za sobą olbrzymie nakłady finansowe. Stacje orbitalne, które umieścił człowiek w kosmosie, jako miejsce do prowadzenia badań i eksperymentów naukowych, a także miejsce badań nad fizjologicznymi efektami długotrwałego przebywania ludzi w przestrzeni kosmicznej, póki co nie są samowystarczalne. Poza wymianą przebywającej na stacji załogi, konieczne jest dostarczanie żywności, części zapasowych, aparatury badawczej. Do transportu powyższych wykorzystuje się statki transportowe wynoszone na orbitę za pośrednictwem rakiet nośnych. Mieliśmy również amerykańskie wahadłowce, które spełniły marzenie wielokrotnego użytku statku kosmicznego, ale one już nie latają. Pozostały, będące w rękach rządowych oraz firm prywatnych, rakiety nośne. Jednak niezależnie czy był to prom kosmiczny, czy jednorazowego użytku rakieta nośna, to koszt wyniesienia na orbitę jednego kilograma towaru jest od wielu lat praktycznie niezmienny i wynosi około 20 tysięcy dolarów. Najwyższe koszty generuje start rakiety, stąd pomysł windy kosmicznej, którą mógłby być przetransportowany towar na orbitę. Przewiduje się, że mogłoby to obniżyć koszty transportu towaru do poziomu 400-900 dolarów za kg. Dlaczego towar, a nie towar i ludzie, o tym później. Grzechem byłoby nie wykorzystać takiego pomysłu. A ponieważ diabeł tkwi w szczegółach... Pojawia się fundamentalne pytanie na czym i jak zawiesić windę? "To" na czym zawieszona by była winda, która wyniosłaby towar na orbitę z poziomu Ziemi, musiałoby mieć długość około 36.000 kilometrów!!! Póki co nie mamy na Ziemi materiału, który nie zerwałby się pod własnym ciężarem na takiej długości. Czyli klapa? Niekoniecznie. Potencjalnym materiałem, który spełniłby powyższe wymagania, są znane już od kilkudziesięciu lat nanorurki węglowe. Ich parametry, w porównaniu z innymi materiałami, prezentuję poniżej w tabeli.
Właśnie nanorurki węglowe (a może i odkryte bardzo niedawno diamentowe) posłużą do wykonania liny (wstęgi), po której będzie poruszała się winda. W obecnych projektach przewiduje się, że to wstęga, cienka jak papier i szeroka na metr, ma stanowić zawieszenie windy, a nie, jak pierwotnie zakładano, gruby okrągły przewód.
Lina/ wstęga może być zbudowana na jeden z dwóch sposobów. Pierwszy sposób, w którym nanorurki węglowe o długości kilku metrów lub dłuższe zostaną splecione w strukturę przypominającą linę. Drugi sposób, gdzie krótsze nanorurki będą umieszczone w matrycy polimerowej. Na dzień dzisiejszy najdłuższe nanorurki mają około 1 m długości, a obecne polimery nie wiążą zbyt dobrze nanorurek węglowych. Znowu fiasko? Nie od razu Kraków zbudowano, a prace badawcze cały czas są prowadzone.
Sama koncepcja budowy windy zakłada wybudowanie na równiku (na lądzie lub na oceanie) platformy, do której przytwierdzamy "naszą" linę/ wstęgę. Orbita geostacjonarna stanowi środek ciężkości windy (stąd wspomniane powyżej 36.000 km) i zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Ponad orbitą geostacjonarną z kolei umieszcza się przeciwwagę, którą może być np. asteroida, do której przyczepiony zostaje drugi koniec liny/ wstęgi. Jest też koncepcja wydłużenia liny/ wstęgi, tak by sam jej ciężar stanowił przeciwwagę. To z kolei daje dodatkowo możliwość użycia liny do wystrzeliwania pojazdów na odległe misje kosmiczne. Kontynuując wspinaczkę powyżej orbity geostacjonarnej, na przeciwległym końcu liny pojazdy opuszczałyby windę z prędkością pozwalającą na osiągnięcie orbity Saturna.
Koncepcja lądowej podstawy zapewnia łatwiejszy dostęp do materiałów, energii, daje możliwość umieszczenia podstawy na dużych wysokościach nad poziomem morza. Koncepcja pływająca daje z kolei możliwość swobodniejszego wyboru miejsca dla windy oraz unikania największych burz i huraganów, wymaga nieco dłuższej liny. Na tak zakotwiczonej linie można by umieścić wspinające się specjalne pojazdy, windy, które mogą umieszczać na orbicie dowolne ładunki. Podróż taką windą przy obecnej technice trwałaby około tygodnia. Co ze względu na występujące wokół Ziemi pasy radiacyjne Van Allena byłoby szkodliwe dla ludzkiego zdrowia i wymagałoby specjalnych osłon (dlatego propozycja przewożenia towarów, a nie ludzi - vide powyżej). Są też rozważane pomysły ewentualnego usunięcia tych pasów, co dodatkowo udostępniłoby orbity obecnie wykluczone dla satelitów (niezależna koncepcja względem "windy").
Poza "niestandardową" liną będą musiały być zastosowane nietypowe podnośniki towarów. Proponuje się użycie samodzielnych pojazdów wjeżdżających po linie/ wstędze. Aby nie umieszczać dodatkowo na nich paliwa koniecznego do ich poruszania się (co obniżyłoby automatycznie ich nośność), planuje się wykorzystać system wiązek laserowych lub mikrofalowych wysyłanych ze stacji bazowych. Jest też koncepcja przekazywania energii bezpośrednio przez linę/ wstęgę. Można by do tego celu wykorzystać ogniwa fotowoltaiczne umieszczone w kosmosie. Zakłada się również możliwość przekazywania części energii wjeżdżającym wagonom przez zjeżdżające. Ponieważ "ziemskie" windy w większości przypadków umieszczone są w obudowach budowli, nie są one tak mocno narażone na warunki atmosferyczne panujące na zewnątrz, jak windy bez osłon, a co tu dopiero mówić o tych, które mają przebywać w przestrzeni kosmicznej. Największe zagrożenie stanowią wszelkiego rodzaju obiekty kosmiczne, które prędzej czy później znajdą się na kursie kolizyjnym z windą. Obecnie amerykański system obrony NORAD śledzi obiekty większe niż 10 cm. Ochrona windy kosmicznej wymagałaby orbitalnego systemu śledzenia "śmieci", który mógłby wykryć obiekty wielkości około 1 cm. Wykrycie przedmiotu to jedno, usunięcie go to drugie. O ile kurs satelitów można nieco skorygować, to w przypadku mniejszych obiektów należałoby użyć innych metod, np. lasera. Można by pokusić się też o wprowadzenie materiałów samonaprawiających się, którymi pokryto by linę/ wstęgę windy (o tych materiałach można poczytać w BzG 2/2015). Już obecnie prowadzone są próby materiałów samonaprawiających się na międzynarodowej stacji kosmicznej. Jako materiał "uzdrawiający" stosuje się płynną żywicę umieszczoną pomiędzy dwoma warstwami płyt polimerowych. Przy uszkodzeniu ich powłoki wyciekająca żywica zastyga uszczelniając kadłub. Poważniejszy problem mogą sprawić meteoroidy, które nadlatują z losowych kierunków, na dodatek z większą prędkością niż kosmiczne "śmieci". Należy liczyć się z tym, że od czasu do czasu winda „takim czymś” zostanie trafiona, niezależnie od zastosowanych zabezpieczeń. Dlatego proponuje się stworzyć system lin/ wstęg, które połączone byłyby pomiędzy sobą zestawem lin poprzecznych, tak by w razie zerwania jednej z lin/ wstęg inne przejęły ciężar windy do czasu naprawienia szkód. Nie bez znaczenia dla funkcjonowania liny/ wstęgi jest występujący w atmosferze tlen atomowy, który przyczynia się do korozji materiałów. Znowu linę/ wstęgę będzie trzeba pokryć dodatkową warstwą ochronną, która z kolei zwiększy masę windy.
Nie można też wykluczyć katastrofy związanej z zerwaniem całej liny/ wstęgi. W zależności od tego na jakiej wysokości nastąpi zerwanie, winda przesunie się pod wpływem siły odśrodkowej na nieco wyższą orbitę przy zerwaniu przy samej podstawie mocowania. Wówczas można ponownie spróbować przymocować ją do podstawy. Przy zerwaniu na większej wysokości, dolna część liny opadnie na Ziemię, podczas gdy górna powędruje na wyższą orbitę, a z uwagi na swoją małą gęstość w znacznej większości ulegnie spaleniu w atmosferze. Do samej Ziemi dotrą najwyżej niewielkie jej fragmenty. Górna część windy, po ponownym umieszczeniu na właściwej orbicie, może posłużyć do opuszczenia nowej liny. Z kolei uszkodzenie powyżej orbity geostacjonarnej, spowoduje opadnięcie na Ziemię całej dolnej części, łącznie ze stacją na orbicie geostacjonarnej. Przeprowadzone symulacje pokazują, że w takiej sytuacji lina/ wstęga zadziała jak proca, przechylając się i zwiększając naprężenie do momentu zerwania w drugim miejscu i wyrzucenia centralnej stacji poza orbitę. Wszelkie pojazdy znajdujące się w chwili katastrofy na opadającej części windy również wejdą w atmosferę. Pojazd, który w chwili odpadnięcia (lub zerwania liny) znajduje się poniżej około 23.000 km, wchodzi w atmosferę i w końcu spala się w niej lub spada na Ziemię. Powyżej tej krytycznej wysokości, jego orbita będzie w całości przebiegać ponad atmosferą, co pozwoli mu dokonać pełnego okrążenia wokół Ziemi. Po jego wykonaniu nie trafi już na windę (która w tym czasie przemieści się), ale może zostać przechwycony przez umieszczony w międzyczasie w odpowiednim miejscu pojazd kosmiczny. Odpadając na wysokości orbity geostacjonarnej, pojazd pozostaje nieruchomy względem windy, będąc razem z nią na tej samej orbicie. Gdy odpadnie wyżej, będzie wchodził na coraz bardziej wydłużone orbity eliptyczne z najniższym punktem w punkcie startu. Po osiągnięciu mniej więcej 47.000 km jego prędkość będzie już większa od drugiej prędkości kosmicznej i wyrwie się on z orbity Ziemi, stając się satelitą Słońca. W takim przypadku uratowanie pojazdu i jego ewentualnej załogi byłoby przy obecnych środkach niewykonalne.
A co z kosztami? Aktualne szacunki mówią o koszcie budowy windy kosmicznej na poziomie 10 mld dolarów. Dla porównania, koszt programu lotów promu kosmicznego przewidziano w roku 1971 na 5,2 mld dolarów, a skończyło się na około 19,5 mld dolarów. Przewidywano również, że każdy lot wahadłowca będzie kosztował 10 milionów dolarów, a "osiągnięto" 500 milionów dolarów. Ach, te szacunki...
Z pewnością jednak plany "sięgnięcia" nieba częściej i taniej nie pójdą do lamusa. Świadczą o tym chociażby próby budowania coraz to wyższych budynków, wieży. Obecnie najwyższy budynek Burdż Halifa postawiony w Dubaju (Zjednoczone Emiraty Arabskie) ma 828 m, w trakcie budowy jest Kingdom Tower w Jeddah (Arabia Saudyjska), który w 2019 r. ma osiągnąć 1007 metrów (przy pierwotnym planie 1600 m). To wszystko nic, ma bowiem powstać wieża o wysokości 20 km!!! Wieża (winda) ma być zbudowana z rur wykonanych z polietylenu i kevlaru wypełnionych helem. Ma ona stanowić platformę dokującą dla statków kosmicznych. Jej wysokość ma zapewnić start ze szczytu statkom kosmicznym z jednym stopniem silnikowo-paliwowym zamiast rakiet kosmicznych, które obecnie potrzebują dwa lub trzy człony do "wydostania" się na orbitę okołoziemską. Jednoczłonowa rakieta będzie następnie wracać w celu uzupełniania paliwa i powtórnego startu. Przewiduje się, że winda będzie mogła dotrzeć z pasażerami na szczyt wieży w około 60 minut. Towar o masie 10 ton dotrze na szczyt po niespełna 2 godzinach.
Prognozuje się, że koszt budowy ma wynieść około 5 mld dolarów. W przyszłości zaoszczędzimy za to około 30% kosztów paliwa w stosunku do obecnie ponoszonych. Zresztą co tam koszty, za to te widoki... i nawet nie obejrzymy się, gdy coś co było sci-fi stanie się rzeczywistością.
