ظلت فكرة المصعد الفضائي تثير عقول البشرية لسنوات عديدة، منذ اللحظة التي صاغ فيها العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي الفكرة والمفهوم لأول مرة في عام 1895. مستوحى من برج إيفل الذي تم بناؤه مؤخرًا، وصف هيكلًا قائمًا بذاته يمتد من مستوى الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. وبارتفاع 36 ألف كيلومتر فوق خط الاستواء، وباتباع اتجاه دوران الأرض، عند نقطة النهاية بفترة مدارية مدتها يوم واحد بالضبط، سيبقى هذا الهيكل في موضع ثابت.

ظهرت مقترحات أكثر تفصيلاً في منتصف وأواخر القرن العشرين، مع بدء سباق الفضاء ومع تزايد انتشار البعثات المأهولة إلى مدار حول الأرض. كان من المأمول أن يتمكن المصعد الفضائي من تقليل تكلفة الوصول إلى مدار الأرض بشكل كبير، مما يحدث ثورة في الوصول إلى الفضاء القريب من الأرض، إلى القمر والمريخ وما بعده. ومع ذلك، فإن الاستثمار الأولي ومستوى التكنولوجيا المطلوبة أوضحا أن مثل هذا المشروع كان غير عملي وأحاله إلى عالم الخيال العلمي.

في العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين، بدأ التعامل مع هذا المفهوم بجدية أكبر، حيث أصبحت تقنيات . يمكن "نسج" هذه الهياكل الأسطوانية الممتدة التي يتراوح قطرها من واحد إلى عدة عشرات من النانومترات في خيوط ذات أطوال غير محدودة. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه المادة بقوة عالية بما فيه الكفاية وفي نفس الوقت كثافة منخفضة ضرورية لإنشاء كابل مصعد فضائي.

لكن القيود مختلفة: فحتى الآن، يتم إنتاج أنابيب الكربون النانوية بكميات صغيرة. لا يكفي كابل واحد "إلى السماء". في عام 2004، كان الطول القياسي للأنبوب النانوي أحادي الجدار 0.4 سنتيمتر فقط، وفي عام 2006، تمكن العلماء من إطالة المنتج النانوي إلى 7 ملليمتر. وفي عام 2008 تمكن العلماء من نسج "سجادة" من الأنابيب النانوية وصل طولها إلى 185 سم وعرضها 92 سم، ولكن منذ ذلك الحين لم تحدث اختراقات جديدة في هذه الصناعة. هذه التكنولوجيا واعدة للغاية، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين عملية الإنتاج.

وفي الوقت نفسه، يواصل العلماء في جميع أنحاء العالم تطوير فكرة المصعد الفضائي. لذلك أعلن اليابانيون في بداية عام 2012، في نهاية عام 2012. في عام 2013، تذكرت وسائل الإعلام الجذور الروسية لـ "المصعد الفضائي" و. إذن، متى ستصبح مثل هذه الأفكار التي تبدو مجنونة حقيقة؟

إذا اعتمدنا على مبادئ علم المستقبل، استخدمنا أساليب استقراء البيانات، وافترضنا أن ديناميكيات التمويل العالمية النشاط العلميسيبقى على نفس المستوى، مع الأخذ في الاعتبار المكونات السياسية والاقتصادية والاجتماعية، عندها يمكننا التنبؤ بدقة تامة اكتشافات علمية، وقت الإنشاء التقريبي النموذج المبدئيوإدخال التقنيات في الإنتاج الضخم وبدء استخدام المنتجات القائمة عليها من قبل المجتمع. على سبيل المثال، قانون مور يعمل في مجال الإلكترونيات منذ أكثر من 40 عامًا.

يؤكد علماء المستقبل، استنادًا إلى الحقائق والأعمال والاتجاهات العلمية، أن الأمر سيستغرق عدة عقود من البحث لتطوير عمليات جديدة لتخليق أنابيب الكربون النانوية. سيحدث مثل هذا الاكتشاف تقريبًا في أربعينيات القرن الحادي والعشرين وسيُحدث ثورة في مجال الهندسة الميكانيكية والبناء. ومع القدرة على "نسج" الأنابيب النانوية المصغرة في خيوط أطول، سوف تحصل البشرية على مواد ذات قوة عالية (أقوى بمئات المرات من الفولاذ وأقوى بعشرات المرات من الكيفلار). وبالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى، ستصبح تكنولوجيا بناء المصعد الفضائي متاحة. ولنتخيل أنه تم تحقيق القوة المطلوبة وهي 130 جيجا باسكال، فماذا بعد ذلك؟ لا تزال هناك مشاكل في التصميم. على سبيل المثال، هل تحتاج إلى تحديد كيفية تحييد الاهتزازات الخطيرة في الكابل الناتجة عن سحب الجاذبية من القمر والشمس، إلى جانب الضغط الناتج عن هبوب الرياح الشمسية؟

ويجب أيضًا التغلب على الصعوبات القانونية والمالية الكبرى. هناك حاجة إلى اتفاقيات دولية جديدة بشأن سلامة الطيران وأمن الطيران والتعويض في حالة وقوع حادث أو حادث إرهابي. ويثير تشغيل آلية التأمين قلقًا خاصًا نظرًا لاحتمال وقوع كارثة إذا حدث خطأ ما. وفي غضون ذلك، سيتم بناء هياكل تجريبية أصغر لتوضيح المفاهيم الأساسية على ارتفاعات منخفضة. وهذا سوف يمهد الطريق في نهاية المطاف لهياكل أكبر بكثير من

وفي أواخر سبعينيات القرن الحادي والعشرين، وبعد 15 عامًا من البناء النشط، سيصبح المصعد الفضائي، الذي يمتد من سطح الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض، جاهزًا للعمل بكامل طاقته. وستتضمن عملية البناء وضع المركبة الفضائية في وضع ثابت على ارتفاع 35786 كيلومترًا فوق خط الاستواء، ثم إنزال كابل يتوسع تدريجيًا نحو الأرض. كما سيتم وضعه صعودا من هذه النقطة - على ارتفاع يزيد عن 47 ألف كيلومتر، حيث لن تخضع الأجسام لقوة الجاذبية الأرضية. سيتم وضع ثقل موازن كبير في الطرف الخارجي للكابل لإبقاء الكابل مشدودًا. من المرجح أن تكون "النقطة المرجعية" وموقع المحطة الأرضية للمصعد الفضائي هي غيانا الفرنسية أو أفريقيا الوسطى أو سريلانكا أو إندونيسيا.

كما هو الحال مع معظم أشكال النقل والبنية التحتية في أواخر القرن الحادي والعشرين، سيتم التحكم في المصعد الفضائي من خلال الأنظمة والبرامج. سيقومون بمراقبة جميع أجزاء الهيكل باستمرار والحفاظ على هيكله وقابليته للخدمة وأدائه. إذا لزم الأمر، يمكن إرسال الروبوتات لإصلاح المشاكل في شبكة الكابلات أو مكونات المصعد الأخرى من مستوى الأرض إلى الفراغ البارد في الفضاء.

سيحدث المصعد الفضائي ثورة في صناعة الفضاء من خلال توصيل الأشخاص والبضائع إلى المدار بتكلفة أقل بكثير من مركبات الإطلاق التقليدية. يمكن رفع أكثر من 1000 طن من المواد إلى الفضاء الخالي من الهواء باستخدام مصعد في يوم واحد، وهو ما يزيد عن وزن محطة الفضاء الدولية، التي استغرق بناؤها أكثر من عقد من الزمن في مطلع القرن.

مثل هذا الارتفاع، بالطبع، يستغرق الكثير من الوقت مقارنة بالصواريخ، لكنه يحدث بسلاسة أكبر، دون زيادة التحميل الزائد ودون استخدام المتفجرات. وعند مغادرة الغلاف الجوي والوصول إلى المدار الأرضي المنخفض، الذي يتراوح بين 160 و2000 كيلومتر، يمكن للسفن التي تحمل البضائع أو الركاب الدخول إلى مدارها الخاص حول الأرض. بالإضافة إلى ذلك، يمكنهم مغادرة المدار المتزامن مع الأرض (تحتاج فقط إلى إضافة السرعة) للهروب من جاذبية الأرض ومواصلة السفر أبعد، إلى أماكن أبعد، على سبيل المثال، إلى القمر أو المريخ.

وفي العقود المقبلة، ستعمل مصاعد فضائية إضافية خارج الأرض: على القمر، والمريخ، وربما حتى في أجزاء أخرى من النظام الشمسي. مع تطور التكنولوجيا، ستنخفض تكلفة الأنابيب النانوية جنبًا إلى جنب مع المخاطر التقنية. علاوة على ذلك، سيكون بناء المصاعد أكثر ملاءمة بسبب الجاذبية المنخفضة: 0.16 جم على القمر و0.38 جم على المريخ.

على الرغم من حقيقة أن سبعينيات القرن الحادي والعشرين تبدو بعيدة جدًا وبعيدة المنال بالنسبة للكثيرين، نظرًا للمشاكل الحالية في العلوم، فإن الأمر متروك لي ولكم كيف سيكون المستقبل ومدى سرعة ظهوره.

نشكر ميخائيل أستاخوف والمشروع المستقبلي “المستقبل الآن” على إعداد المقال.

إحدى العقبات الخطيرة التي تحول دون تنفيذ العديد من المشاريع النجمية هي أنه بسبب حجمها ووزنها الهائلين، لا يمكن بناء السفن على الأرض. يقترح بعض العلماء جمعها في الفضاء الخارجي، حيث، بفضل انعدام الوزن، يمكن لرواد الفضاء بسهولة رفع وتحريك الأجسام الثقيلة بشكل لا يصدق. لكن المنتقدين اليوم يشيرون بحق إلى التكلفة الباهظة للتجميع في الفضاء. على سبيل المثال، سيتطلب التجميع الكامل لمحطة الفضاء الدولية حوالي 50 عملية إطلاق مكوكية، وتقترب تكلفتها، بما في ذلك هذه الرحلات، من 100 مليار دولار. وهذا هو المشروع العلمي الأكثر تكلفة في التاريخ، ولكن بناء مركب شراعي فضائي بين النجوم أو سفينة نفاث نفاث في الفضاء الخارجي سيكلف القمع عدة مرات.

ولكن، كما أحب كاتب الخيال العلمي روبرت هاينلين أن يقول، إذا تمكنت من الارتفاع بمقدار 160 كيلومترًا فوق الأرض، فأنت بالفعل في منتصف الطريق إلى أي نقطة في النظام الشمسي. وذلك لأنه مع أي عملية إطلاق، أول 160 كيلومترًا، عندما يحاول الصاروخ الهروب من قيود الجاذبية، "يأكل" نصيب الأسد من التكلفة. بعد ذلك، يمكن القول أن السفينة قادرة بالفعل على الوصول إلى بلوتو أو أبعد من ذلك.

إحدى الطرق لتقليل تكلفة الرحلات الجوية بشكل كبير في المستقبل هي بناء مصعد فضائي. إن فكرة الصعود إلى السماء باستخدام الحبل ليست جديدة - خذ على سبيل المثال الحكاية الخيالية "جاك وشجرة الفاصولياء" ؛ الحكاية الخيالية هي حكاية خرافية، ولكن إذا أخذت نهاية الحبل إلى الفضاء، فمن الممكن أن تتحقق الفكرة. في هذه الحالة، ستكون قوة الطرد المركزي لدوران الأرض كافية لتحييد قوة الجاذبية، ولن يسقط الحبل على الأرض أبدًا. كانت سترتفع عموديًا بطريقة سحرية وتختفي في السحب.

(تخيل كرة تدور حول خيط. لا يبدو أن الكرة تتأثر بالجاذبية؛ والحقيقة هي أن قوة الطرد المركزي تدفعها بعيدًا عن مركز الدوران. وبنفس الطريقة، يمكن لحبل طويل جدًا أن يتدلى في الهواء بسبب دوران الأرض.) ليست هناك حاجة للإمساك بالحبل، فدوران الأرض سيكون كافياً. من الناحية النظرية، يمكن لأي شخص أن يتسلق مثل هذا الحبل ويرتفع مباشرة إلى الفضاء. أحيانًا نطلب من طلاب الفيزياء حساب قوة الشد في مثل هذا الحبل. ومن السهل أن نبين أنه حتى الكابل الفولاذي لا يمكنه تحمل مثل هذا التوتر؛ وفي هذا الصدد، كان يُعتقد لفترة طويلة أنه لا يمكن تحقيق المصعد الفضائي.

كان أول عالم أصبح مهتمًا جديًا بمشكلة المصعد الفضائي هو العالم الروسي صاحب الرؤية كونستانتين تسيولكوفسكي. في عام 1895 ᴦ. مستوحى من برج إيفل، تخيل برجًا سيرتفع مباشرة إلى الفضاء الخارجي ويربط الأرض بـ "قلعة نجمية" تطفو في الفضاء. كان من المفترض أن يتم بناؤه من الأسفل إلى الأعلى، بدءاً من الأرض، حيث سيقوم المهندسون ببناء مصعد فضائي ببطء إلى السماء.

في عام 1957 ᴦ. اقترح العالم الروسي يوري أرتسوتانوف حلاً جديدًا: بناء مصعد فضائي بترتيب عكسي، من الأعلى إلى الأسفل، بدءًا من الفضاء. تخيل المؤلف قمرا صناعيا في مدار ثابت بالنسبة للأرض على مسافة 36000 كيلومتر من الأرض - من الأرض سيبدو بلا حراك؛ ومن هذا القمر الصناعي تم اقتراح إنزال كابل إلى الأرض ثم تثبيته عند أدنى نقطة. تكمن المشكلة في أن كابل المصعد الفضائي يجب أن يتحمل شدًا يتراوح بين 60 إلى 100 جيجا باسكال. ينكسر الفولاذ عند حوالي 2 جيجا باسكال من التوتر، مما يتعارض مع الغرض من الفكرة.

تم تعريف جمهور أوسع بفكرة المصعد الفضائي لاحقًا؛ في عام 1979 ᴦ. نُشرت رواية آرثر سي كلارك ينابيع الجنة عام 1982. - رواية روبرت هاينلاين "الجمعة". ولكن منذ توقف التقدم في هذا الاتجاه، فقد تم نسيانه.

تغير الوضع بشكل كبير عندما اخترع الكيميائيون أنابيب الكربون النانوية. زاد الاهتمام بها بشكل حاد بعد نشرها في عام 1991. بقلم سوميو إيجيما من شركة نيبون إلكتريك. (يجب القول إن وجود أنابيب الكربون النانوية كان معروفًا منذ الخمسينيات من القرن الماضي، لكن لم يتم الاهتمام بها لفترة طويلة.) الأنابيب النانوية أقوى بكثير، ولكنها في نفس الوقت أخف بكثير من الكابلات الفولاذية. بالمعنى الدقيق للكلمة، قوتها تتجاوز المستوى المطلوب لمصعد الفضاء. وفقًا للعلماء، يجب أن تتحمل ألياف الأنابيب النانوية الكربونية ضغوطًا تصل إلى 120 جيجا باسكال، وهو أعلى بكثير من الحد الأدنى المهم للغاية. بعد هذا الاكتشاف، استؤنفت محاولات إنشاء مصعد فضائي بقوة متجددة.

ب 1999 ᴦ. وتم نشر دراسة كبرى لوكالة ناسا؛ لقد تصورت مصعدًا فضائيًا على شكل شريط عرضه حوالي متر واحد وطوله حوالي 47000 كيلومتر، قادر على توصيل حمولة تزن حوالي 15 طنًا إلى مدار حول الأرض. إن تنفيذ مثل هذا المشروع من شأنه أن يغير اقتصاديات الأرض بشكل فوري وكامل. السفر إلى الفضاء. وستنخفض تكلفة تسليم البضائع إلى المدار على الفور بمقدار 10000 مرة؛ مثل هذا التغيير لا يمكن أن يسمى أي شيء آخر غير الثوري.

واليوم يتكلف تسليم رطل واحد من البضائع إلى مدار أرضي منخفض ما لا يقل عن عشرة آلاف دولار. وبالتالي فإن كل رحلة مكوكية تتكلف نحو 700 مليون دولار. ومن شأن المصعد الفضائي أن يخفض تكاليف التوصيل إلى دولار واحد لكل رطل. مثل هذا التخفيض الجذري في تكلفة برنامج الفضاء يمكن أن يغير وجهة نظرنا بالكامل السفر إلى الفضاء. بضغطة زر بسيطة، يمكنك تشغيل المصعد والصعود إلى الفضاء الخارجي مقابل نفس المبلغ من المال مثل تذكرة الطائرة.

لكن قبل أن نبني مصعدًا فضائيًا يمكنه أن يأخذنا بسهولة إلى السماء، علينا التغلب على عقبات خطيرة للغاية. اليوم، أطول ألياف الكربون النانوية المنتجة في المختبر لا يزيد طولها عن 15 ملم. سيتطلب المصعد الفضائي كابلات من الأنابيب النانوية يبلغ طولها آلاف الكيلومترات. بالطبع مع نقطة علميةهذه مشكلة فنية بحتة، ولكن من المهم للغاية حلها، ويمكن أن تكون عنيدة وصعبة. ومع ذلك، فإن العديد من العلماء مقتنعون بأن الأمر سيستغرق عدة عقود من الزمن حتى نتقن تكنولوجيا إنتاج كابلات طويلة من أنابيب الكربون النانوية.

المشكلة الثانية هي أنه بسبب الاضطرابات المجهرية في بنية أنابيب الكربون النانوية، فإن الحصول على كابلات طويلة قد يكون مشكلة بشكل عام. يقدر نيكولا بوجنو من معهد تورينو للفنون التطبيقية أنه إذا كانت ذرة واحدة في أنبوب الكربون النانوي في غير مكانها، فإن قوة الأنبوب يمكن أن تنخفض على الفور بنسبة 30٪. بشكل عام، يمكن للعيوب على المستوى الذري أن تسلب كابل الأنابيب النانوية 70% من قوته؛ في هذه الحالة، سيكون الحمل المسموح به أقل من الحد الأدنى للجيجاباسكال، والذي بدونه يستحيل بناء مصعد فضائي.

وفي محاولة لتحفيز اهتمام أصحاب المشاريع الخاصة بتطوير مصعد فضائي، أعلنت وكالة ناسا عن مسابقتين منفصلتين. (تم أخذ مسابقة Ansari X-Prize التي تبلغ قيمتها 10 ملايين دولار كمثال على ذلك. وقد نجحت المسابقة في إثارة اهتمام المستثمرين المغامرين بإنشاء صواريخ تجارية قادرة على رفع الركاب إلى حافة الفضاء الخارجي؛ وكانت الجائزة المعلنة هي تم استلامها في عام 2004 بواسطة سفينة SpaceShipOne.\"تُسمى مسابقات ناسا السابعة تحدي Beam Power وتحدي Tether.

للفوز بالجائزة الأولى، يجب على فريق من الباحثين إنشاء جهاز ميكانيكي قادر على رفع حمولة تزن 25 كجم على الأقل (بما في ذلك وزنها) فوق كابل (معلق، على سبيل المثال، من ذراع الرافعة) بسرعة 1 م/ث لكل ارتفاع 50 م، قد تبدو المهمة بسيطة، لكن المشكلة هي أن هذا الجهاز لا يحتاج إلى استخدام الوقود أو البطاريات أو الكابلات الكهربائية. وبدلاً من ذلك، يجب أن يتم تشغيل المصعد الآلي بواسطة الألواح الشمسية أو العاكسات الشمسية أو الليزر أو إشعاع الميكروويف، أي من مصادر الطاقة الملائمة للاستخدام في الفضاء.

للفوز بتحدي الحبل، يجب على الفريق تقديم قطع حبل بطول مترين ولا يزيد وزن كل منها عن جرامين؛ علاوة على ذلك، يجب أن يتحمل هذا الكابل حمولة أكبر بنسبة 50٪ من أفضل مثالالسنة الماضية. الهدف من هذه المسابقة هو تحفيز البحث في تطوير مواد خفيفة الوزن للغاية وقوية بما يكفي لتمديدها لمسافة 100 ألف كيلومتر في الفضاء. سوف يحصل الفائزون على جوائز تبلغ قيمتها 150 ألف دولار، و40 ألف دولار، و10 آلاف دولار. (للتأكيد على صعوبة المهمة، في عام 2005 - العام الأول للمسابقة - لم يحصل أحد على الجائزة).

وبطبيعة الحال، يمكن أن يتغير مصعد مساحة العمل بشكل كبير برنامج الفضاء، ولكن له أيضًا عيوبه. وبالتالي، فإن مسار الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض يتغير باستمرار بالنسبة للأرض (لأن الأرض تدور تحتها). وهذا يعني أنه مع مرور الوقت، يمكن لأي من الأقمار الصناعية أن يصطدم بمصعد فضائي بسرعة 8 كم/ثانية؛ سيكون هذا أكثر من كافٍ لكسر الكابل. ولمنع وقوع كارثة مماثلة في المستقبل، سيكون من الضروري إما توفير صواريخ صغيرة على كل قمر صناعي تسمح له بتجاوز المصعد، أو تجهيز الحبل نفسه بصواريخ صغيرة حتى يتمكن من التحرك خارج مسار الأقمار الصناعية. .

في الوقت نفسه، قد تصبح الاصطدامات بالنيازك الدقيقة مشكلة - ففي نهاية المطاف، سيرتفع المصعد الفضائي إلى أبعد من ذلك بكثير الغلاف الجوي للأرضوالذي يحمينا في معظم الحالات من الشهب. وبما أنه لا يمكن التنبؤ بمثل هذه الاصطدامات، فيجب أن يكون المصعد الفضائي مجهزًا بحماية إضافية وربما حتى أنظمة احتياطية آمنة من الفشل. قد تكون المشكلة أيضا الظواهر الجويةمثل الأعاصير وأمواج المد والعواصف.

كنت أبحث للتو في المسائل العلمية التي يقدمون لها مكافآت كبيرة، وعثرت على هذه المشكلة الغريبة - مد كابل إلى الفضاء.

ولأول مرة، تم التعبير عن الفكرة الافتراضية لبناء مثل هذا الهيكل، الذي سيعتمد على استخدام كابل يمتد من سطح الكوكب إلى المحطة المدارية، في عام 1895 من قبل كونستانتين تسيولكوفسكي. ومنذ ذلك الحين، وعلى الرغم من كل الإنجازات التي حققها العلم والتكنولوجيا، إلا أن المشروع لا يزال في مرحلة الفكرة فقط.

كم تبلغ قيمة الجائزة المالية لهذا المشروع؟

منذ عام 2005، تقام المسابقات السنوية لألعاب المصعد الفضائي في الولايات المتحدة، والتي تنظمها مؤسسة Spaceward Foundation بدعم من وكالة ناسا. هناك فئتان في هذه المسابقات: "أفضل كابل" و"أفضل روبوت (مصعد)".

أي أنه من أجل الحصول على المكافأة، لا تحتاج إلى بناء مصعد يعمل بكامل طاقته. يكفي تطوير فكرة لكابل مناسب أو مصعد مناسب وبناء نماذج أولية لهما. في عام 2009، بلغ مجموع جوائز ألعاب Space Elevator 4,000,000 دولار أمريكي.

لماذا يوجد مثل هذا الاهتمام بهذه الطريقة بالذات للصعود إلى الفضاء؟ هل يمكنك التفكير في شيء رخيص؟ لكن صيانة مثل هذه البنية التحتية المعقدة، ورفع الكابلات، وإزالة الهاوية - يمكن أن تكون أكثر تكلفة من إطلاق صاروخ. ما مقدار الكتلة التي يمكن رفعها باستخدام مثل هذا الكابل؟ لا أعتقد أن هذا كثير، ويجب أيضًا أخذ تكاليف الطاقة بعين الاعتبار.

هذه هي الأفكار التي تجول الآن في أذهان الباحثين والمصممين حول المصعد إلى الفضاء.

المصاعد التي يمكنها نقل الأشخاص والبضائع من سطح الكوكب إلى الفضاء قد تعني نهاية الصواريخ الملوثة للفضاء. لكن صنع مثل هذا المصعد أمر صعب للغاية. كان مفهوم المصاعد الفضائية معروفًا منذ زمن طويل وقد قدمه كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي، ولكن منذ ذلك الحين لم نقترب حتى من التنفيذ العملي لمثل هذه الآلية. غرد إيلون موسك مؤخرًا: "وأرجو ألا تسألني أسئلة حول المصاعد الفضائية حتى نزرع مادة أنابيب الكربون النانوية بطول متر على الأقل".

يعتبر الكثيرون أن إيلون ماسك هو صاحب الرؤية في عصرنا - رائد استكشاف الفضاء الخاص والرجل الذي يقف وراء فكرة نظام النقل Hyperloop، القادر على نقل الأشخاص من لوس أنجلوس إلى سان فرانسيسكو عبر أنبوب معدني في فقط 35 دقيقة. لكن هناك بعض الأفكار التي يعتبرها حتى هو بعيدة المنال. بما في ذلك مصعد الفضاء.

"إنه أمر صعب للغاية. قال ماسك في مؤتمر بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في أكتوبر الماضي: "لا أعتقد أن بناء مصعد فضائي فكرة واقعية"، مضيفًا أنه سيكون من الأسهل بناء جسر من لوس أنجلوس إلى طوكيو بدلاً من بناء مصعد يمكنه حمل المواد إلى الفضاء.

إن إرسال الأشخاص والحمولات إلى الفضاء في كبسولات تسير على طول كابل عملاق مثبت في مكانه بفعل دوران الأرض قد تم تصويره في أعمال كتاب الخيال العلمي مثل آرثر سي كلارك، ولكن من غير المرجح أن يكون عمليًا في العالم الحقيقي. اتضح أننا نخدع أنفسنا وقدراتنا ليست كافية لحل هذه المشكلة الفنية المعقدة؟

يعتقد أنصار المصاعد الفضائية أن هذا يكفي. إنهم يعتبرون الصواريخ الكيميائية عفا عليها الزمن ومحفوفة بالمخاطر وضارة بيئةوأكل الأموال. البديل الذي اقترحوه هو في الأساس خط قطار إلى الفضاء: مركبة فضائية تعمل بالطاقة الكهربائية تتحرك من مرساة على الأرض على حبل ثقيل متصل بثقل موازن في مدار ثابت بالنسبة للأرض حول الكوكب. بمجرد تشغيلها، يمكن للمصاعد الفضائية توصيل الحمولات إلى الفضاء مقابل 500 دولار للكيلوغرام الواحد، مقارنة بـ 20 ألف دولار للكيلوغرام الواحد بالمعدلات الحالية.

يقول بيتر سوان، رئيس الاتحاد الدولي لمصاعد الفضاء: "هذه التكنولوجيا القوية للغاية يمكن أن تفتح النظام الشمسي أمام البشرية". "أعتقد أن المصاعد الأولى ستكون آلية، وفي غضون 10 إلى 15 سنة سنصنع ستة إلى ثمانية مصاعد ستكون آمنة بما يكفي لنقل الناس."

ولسوء الحظ، فإن مثل هذا الهيكل لن يحتاج فقط إلى أن يبلغ طوله 100 ألف كيلومتر، أي أكثر من ضعف محيط الأرض، بل سيحتاج أيضًا إلى دعم وزنه. وحتى الآن لا توجد مادة على الأرض بمثل هذه الخصائص.

لكن بعض العلماء يعتقدون أنه من الممكن تحقيق ذلك، وسيصبح حقيقة واقعة خلال هذا القرن. شركة بناء يابانية كبيرة ووعد بإنشائه بحلول عام 2050سنة. ويعتقد الباحثون الأمريكيون، الذين طوروا مؤخرًا مادة تشبه الماس مصنوعة من ألياف النانو، أن كابلًا لمصعد فضائي سيظهر قبل نهاية القرن.

سيعتمد تصميم مثل هذا الهيكل المذهل على كابل خاص مصنوع من أنابيب نانوية كربونية رفيعة وقوية للغاية. ويبلغ طول هذا الكابل 96 ألف كيلومتر.

وفقًا لقوانين الفيزياء، فإن قوة الدوران بالطرد المركزي ستمنع مثل هذا الكابل من السقوط، مما يؤدي إلى تمديده بطوله بالكامل. وفي حالة نجاحه، سيكون المصعد قادرًا على السفر بسرعة 200 كم/ساعة، ويحمل ما يصل إلى 30 شخصًا في المقصورة. وعلى ارتفاع 36 ألف كيلومتر، والذي سيصل إليه المصعد خلال أسبوع، من المقرر التوقف. سيرفع المصعد السائحين إلى هذا الارتفاع، وسيتمكن الباحثون والمتخصصون من الصعود إلى القمة.

تعود الأفكار الحديثة للمصعد الفضائي إلى عام 1895، عندما استوحى قسطنطين تسيولكوفسكي أفكاره من برج إيفل المبني حديثا في باريس وقام بحساب فيزياء بناء مبنى يمتد إلى الفضاء بحيث يمكن إطلاق المركبات الفضائية من المدار دون صواريخ. في رواية آرثر سي كلارك عام 1979 ينابيع الجنة، يقوم بطل الرواية ببناء مصعد فضائي بتصميم مشابه لذلك الذي يتم تقديمه اليوم.

ولكن كيف يمكن جعلها حقيقة؟ يقول كيفين فونج، مؤسس مركز الارتفاعات والفضاء والطب الشديد في جامعة كوليدج لندن: "أنا أحب فظاعة الفكرة". "أستطيع أن أفهم لماذا يحب الناس هذه الفكرة، لأنه إذا تمكنت من الوصول إلى مدار أرضي منخفض بتكلفة رخيصة وآمنة، فسرعان ما سيكون النظام الشمسي الداخلي تحت تصرفك."

اسئلةالأمان

ويكمن حجر العثرة في كيفية بناء مثل هذا النظام. "بادئ ذي بدء، يجب أن يتم إنشاؤه من مادة غير موجودة بعد، ولكنها قوية ومرنة مع خصائص الكتلة والكثافة اللازمة لدعم النقل وتحمل تأثير لا يصدق قوى خارجية"، يقول فونغ. "أعتقد أن كل هذا سيتطلب سلسلة من المهام المدارية الأكثر طموحًا والمشي في الفضاء في مدارات أرضية منخفضة ومرتفعة في تاريخ جنسنا البشري."

ويضيف أن هناك أيضًا مخاوف تتعلق بالسلامة. "حتى لو تمكنا من حل الصعوبات التقنية الكبيرة المرتبطة ببناء مثل هذا الشيء، فإن الصورة التي ستظهر هي صورة مخيفة لجبنة عملاقة بها ثقوب أحدثتها كل تلك النفايات الفضائية والحطام في الأعلى."

على مدى السنوات الـ 12 الماضية، تم تقديم ثلاثة تصاميم تفصيلية مفصلة. الأول نشره براد إدواردز وإيريك ويستلينج في كتاب مصاعد الفضاء عام 2003، والذي تصور حمل حمولة 20 طنًا مدعومة بالليزر الأرضي بتكلفة 150 دولارًا للكيلوجرام الواحد وتكلفة بناء إجمالية قدرها 6 مليارات دولار.

أخذ هذا المفهوم كأساس للتصميم الرابطة الدوليةلقد قام رواد الفضاء في عام 2013 بالفعل بتزويد المقصورة بالحماية من احوال الطقسلأول 40 كيلومترا، ومن ثم تجهيزها بألواح الطاقة الشمسية. تبلغ تكلفة النقل بموجب هذه الخطة 500 دولار للكيلوغرام الواحد، وتبلغ تكلفة بناء الهيكل بأكمله 13 مليار دولار للمشروع الأول (ثم يكون أرخص دائمًا).

تتضمن هذه المقترحات ثقلًا موازنًا على شكل كويكب تم التقاطه في مدار حول الأرض. ويشير تقرير سلطة الآثار الإسرائيلية إلى أن هذا البند قد يصبح ممكنا في يوم من الأيام، ولكن ليس في المستقبل القريب.

مرساة عائمة

وبدلاً من ذلك، يمكن تجميع الجزء الذي يبلغ وزنه 1900 طن والذي سيدعم الحبل الذي يبلغ وزنه 6300 طن من المركبة الفضائية والمركبات التي تحمل الحبل إلى الفضاء. وسيتم استكماله أيضًا بأقمار صناعية تم التقاطها والتي توقفت عن العمل وتُركت متدلية في المدار كحطام فضائي.

كما اقترحوا تصور المرساة على الأرض كمنصة عائمة بحجم ناقلة نفط كبيرة أو حاملة طائرات بالقرب من خط الاستواء، لأن ذلك من شأنه أن يزيد من قدرتها الاستيعابية. الموقع المفضل هو نقطة تبعد 1000 كيلومتر غربًا جزر غالاباغوس: تعتبر الأعاصير والأعاصير والأعاصير نادرة هناك.

كشفت شركة أوباياشي، إحدى شركات البناء الخمس الكبرى في اليابان، العام الماضي عن خطط لإنشاء مصعد فضائي أكثر قوة يحمل مركبات آلية تعمل بمحركات ماجليف مثل تلك المستخدمة في السكك الحديدية عالية السرعة. يمكنهم نقل الأشخاص بقوة الكابل المطلوبة. وقد يتكلف هذا التصميم ما يقدر بنحو 100 مليار دولار، ولكن النقل سيكلف ما بين 50 إلى 100 دولار للكيلوغرام الواحد.

في حين أن هناك بالتأكيد العديد من العوائق، إلا أن العنصر الوحيد الذي بدونه سيكون بناء مصعد فضائي مستحيلًا اليوم هو الكابل نفسه، كما يقول سوان.

ويقول: "إن العثور على مادة يمكن صنع الكابل منها يمثل مشكلة تكنولوجية كبيرة". - كل شيء آخر هو هراء. يمكننا بالفعل أن نفعل كل هذا”.

أسلاك الماس

المنافس الرئيسي هو كابل مصنوع من أنابيب الكربون النانوية التي تم تصنيعها في المختبر بحيث تبلغ قوة شدها 63 جيجا باسكال، أي أقوى بـ 13 مرة من أفضل أنواع الفولاذ.

لقد تزايد الحد الأقصى لطول أنابيب الكربون النانوية بشكل مطرد منذ اكتشافها في عام 1991. وفي عام 2013، وصل العلماء الصينيون بالفعل إلى طول نصف متر. ويتوقع مؤلفو تقرير IAA أن يصل طول الكابل المصنوع من أنابيب الكربون النانوية إلى كيلومتر واحد بحلول عام 2022، وبحلول عام 2030 - وهو أمر ضروري لإنتاج مصعد فضائي.

وفي الوقت نفسه، تم الكشف عن منافس جديد للحبل الفضائي في سبتمبر. نشر فريق بقيادة جون بودينج، أستاذ الكيمياء في جامعة ولاية بنسلفانيا، ورقة بحثية في مجلة Nature يقولون فيها إنهم قاموا بإنشاء ألياف نانوية رقيقة جدًا من الماس والتي قد تكون أقوى وأكثر صلابة من أنابيب الكربون النانوية.

بدأ الفريق بضغط البنزين الضغط الجويفي 200000 أجواء. وعندما تم تحرير الضغط ببطء، أعيد تجميع الذرات في بنية جديدة عالية التنظيم، مثل رباعي السطوح.

تم ربط هذه الأشكال معًا لتكوين ألياف نانوية رفيعة للغاية تشبه إلى حد كبير هيكل الماس. وعلى الرغم من أنه ليس من الممكن حتى الآن قياس قوتها بشكل مباشر بسبب حجمها، فقد أظهرت الحسابات النظرية أن الألياف قد تكون أقوى وأكثر صلابة من أقوى المواد الاصطناعية المتاحة اليوم.

الحد من المخاطر

يقول بودينج: "إذا تمكنا من تعلم كيفية صنع مواد تعتمد على ألياف الماس النانوية أو أنابيب الكربون النانوية لفترة كافية وبجودة عالية، فإن العلم يشير إلى أنه يمكننا البدء في بناء مصعد فضائي على الفور".

ولكن حتى لو تبين أن إحدى هذه المواد قوية بما فيه الكفاية، فإن تجميع وتركيب العناصر الفردية للمصعد الفضائي يظل مهمة صعبة للغاية. تشمل المشاكل الأخرى الأمن، وجمع التبرعات، وإرضاء المصالح المتنافسة، وما إلى ذلك. على الأقل، لا يشعر سوان بالقلق بشأن ذلك.

ويقول: "بالطبع ستكون هناك مشكلات خطيرة، تمامًا مثل أولئك الذين بنوا أول خط سكة حديد عابر للقارات، وقناتي بنما والسويس". "سوف يستغرق الأمر الكثير من الوقت والمال، ولكن مثل كل المؤسسات العظيمة، عليك فقط التغلب على العقبات مرة واحدة."

حتى " ماسك " لا يستطيع إجبار نفسه على تشويه سمعة هذه الفكرة. وأضاف: "من الواضح أن هذا ليس شيئًا يمكننا التحدث عنه الآن". "ولكن إذا تمكن شخص ما من إقناعي بخلاف ذلك، فسيكون ذلك رائعًا".

ويعبر بعض العلماء عن الأسباب الخمسة التالية لعدم بناء مثل هذا المصعد أبدًا:

1. لا توجد مادة قوية بما يكفي للكابل

يمكن أن يتجاوز الحمل على الكابل 100000 كجم/م، لذلك يجب أن تتمتع المادة المستخدمة في تصنيعه بقوة عالية للغاية لمقاومة التمدد، وفي نفس الوقت كثافة منخفضة جدًا. وفي حين لا توجد مثل هذه المواد، فحتى أنابيب الكربون النانوية، التي تعتبر الآن أقوى المواد وأكثرها مرونة على هذا الكوكب، ليست مناسبة.

ولسوء الحظ، فإن تكنولوجيا إنتاجها بدأت للتو في التطور. حتى الآن، كان من الممكن الحصول على قطع صغيرة من المواد: أطول أنبوب نانوي تم إنشاؤه يبلغ طوله بضعة سنتيمترات وعرضه عدة نانومترات. لا يزال من غير المعروف ما إذا كان من الممكن صنع كابل طويل بما فيه الكفاية من هذا.

2. القابلية للاهتزازات الخطرة

سيكون الكابل عرضة لرياح شمسية لا يمكن التنبؤ بها - تحت تأثيره سوف ينحني، وهذا سيؤثر سلبا على استقرار المصعد. يمكن توصيل المحركات الصغيرة بالكابل كمثبتات، لكن هذا الإجراء سيخلق صعوبات إضافية فيما يتعلق بصيانة الهيكل. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا سيجعل من الصعب على الكبائن الخاصة، ما يسمى بـ "المتسلقين"، التحرك على طول الكابل. من المرجح أن يكون للكابل صدى معهم.

3. قوة كوريوليس

الكابل و"المتسلقون" بلا حراك بالنسبة لسطح الأرض. لكن بالنسبة إلى مركز الأرض، فإن الجسم سيتحرك بسرعة 1700 كم/ساعة على السطح و10000 كم/ساعة في المدار. وعليه يجب إعطاء "المتسلقين" هذه السرعة عند الانطلاق. يتسارع "المتسلق" في اتجاه عمودي على الكابل، ولهذا السبب سوف يتأرجح الكابل مثل البندول. في الوقت نفسه، تنشأ قوة تحاول تمزيق كابلنا بعيدا عن الأرض. تتناسب القوة عكسيا مع انحراف الكابل وتتناسب طرديا مع سرعة رفع الحمل وكتلته. وبالتالي، فإن قوة كوريوليس تمنع الرفع السريع للأحمال إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض.
يمكنك محاربة قوة كوريوليس بمجرد إطلاق "متسلقين" في نفس الوقت - من الأرض ومن المدار، ولكن بعد ذلك ستؤدي القوة بين الحملتين إلى تمديد الكابل بشكل أكبر. خيار آخر هو الصعود البطيء بشكل مؤلم على مسارات كاتربيلر.

4. الأقمار الصناعية والحطام الفضائي

على مدار الخمسين عامًا الماضية، أطلقت البشرية العديد من الأشياء إلى الفضاء - مفيدة وليست مفيدة جدًا. سيتعين على بناة المصاعد العثور على كل هذا وإزالته (وهو أمر مستحيل، بالنظر إلى عدد الأقمار الصناعية أو التلسكوبات المدارية المفيدة)، أو توفير نظام يحمي الكائن من الاصطدامات. الكابل من الناحية النظرية بلا حراك، لذا فإن أي جسم يدور حول الأرض سوف يصطدم به عاجلاً أم آجلاً. بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة الاصطدام ستكون مساوية تقريبًا لسرعة دوران هذا الجسم، مما سيؤدي إلى حدوث ضرر كبير للكابل. لا يمكن المناورة بالكابل، وهو طويل، لذلك ستكون الاصطدامات متكررة.
كيفية التعامل مع هذا ليس واضحا بعد. يتحدث العلماء عن بناء ليزر فضائي مداري لحرق القمامة، لكن هذا خارج نطاق الخيال العلمي تمامًا.

5. المخاطر الاجتماعية والبيئية

قد يصبح المصعد الفضائي هدفًا لهجوم إرهابي. ستتسبب عملية الهدم الناجحة في أضرار جسيمة وقد تؤدي إلى دفن المشروع بأكمله، لذلك في نفس وقت عمل المصعد، سيتعين عليك بناء دفاع حوله على مدار الساعة.

يعتقد أنصار البيئة أن الكابل، على نحو متناقض، يمكن أن يغير محور الأرض. سيتم تثبيت الكابل بشكل صارم في المدار، وأي حركة له في الأعلى سوف تنعكس على الأرض. بالمناسبة، هل يمكنك أن تتخيل ماذا سيحدث إذا انكسر فجأة؟

وبالتالي، فإن تنفيذ مثل هذا المشروع على الأرض أمر صعب للغاية. و الأن أخبار جيدة: وهذا سوف يعمل على القمر. قوة الجاذبية على القمر الصناعي أقل بكثير، ولا يوجد غلاف جوي تقريبًا. ويمكن إنشاء مرساة في مجال الجاذبية الأرضية، ويمر كابل من القمر عبر نقطة لاغرانج - وبذلك نحصل على قناة اتصال بين الكوكب وكوكبه رفيق طبيعي. في ظل ظروف مواتية، سيكون هذا الكابل قادرا على نقل حوالي 1000 طن من البضائع يوميا إلى مدار الأرض. وبطبيعة الحال، يجب أن تكون المادة فائقة القوة، لكن لن تضطر إلى اختراع أي شيء جديد بشكل أساسي. صحيح أن طول المصعد "القمري" يجب أن يصل إلى حوالي 190 ألف كيلومتر بسبب تأثير يسمى مسار جومانوف.

مصادر

فكرة إنشاء هيكل هندسي فلكي لإطلاق البضائع إلى مدار كوكبي أو حتى أبعد منه. لأول مرة، أعرب كونستانتين تسيولكوفسكي عن هذه الفكرة في عام 1895، وقد تم تطوير الفكرة بالتفصيل في أعمال يوري أرتسوتانوف. يعتمد التصميم الافتراضي على استخدام كابل يمتد من سطح الكوكب إلى محطة مدارية تقع في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض. من المفترض أن تكون هذه الطريقة في المستقبل أرخص بكثير من استخدام مركبات الإطلاق.
يتم تثبيت الكابل من أحد طرفيه على سطح الكوكب (الأرض)، ومن الطرف الآخر عند نقطة ثابتة فوق الكوكب فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض (GSO) بسبب قوة الطرد المركزي. يرتفع المصعد الذي يحمل حمولة على طول الكابل. عند الارتفاع، سيتم تسريع الحمل بسبب دوران الأرض، مما سيسمح له بإرساله إلى ما هو أبعد من جاذبية الأرض على ارتفاع عالٍ بما فيه الكفاية.
يتطلب الكابل قوة شد عالية جدًا مع كثافة منخفضة. ووفقا للحسابات النظرية، يبدو أن أنابيب الكربون النانوية هي مادة مناسبة. وإذا افترضنا مدى ملاءمتها لصناعة كابل، فإن إنشاء المصعد الفضائي يعد مشكلة هندسية قابلة للحل، رغم أنها تتطلب استخدام تطورات متقدمة وتكاليف عالية من نوع آخر. تقدر تكلفة إنشاء المصعد بـ 7-12 مليار دولار أمريكي. وتقوم ناسا بالفعل بتمويل التطويرات المقابلة للمعهد الأمريكي بحث علمي، بما في ذلك تطوير مصعد قادر على التحرك بشكل مستقل على طول الكابل.
المحتويات [إزالة]
1 تصميم
1.1 الأساس
1.2 كابل
1.2.1 سماكة الكابل
1.3 ارفع
1.4 ثقل الموازنة
1.5 الزخم الزاوي والسرعة والميل
1.6 الانطلاق إلى الفضاء
2 البناء
3 اقتصاديات المصعد الفضائي
4 الإنجازات
5 الأدب
6 مصعد فضائي بأعمال مختلفة
7 أنظر أيضاً
8 ملاحظات
9 روابط
9.1 المنظمات
9.2 متنوعة
تصميم

هناك العديد من خيارات التصميم. تشتمل جميعها تقريبًا على قاعدة (قاعدة) وكابل (كابل) ومصاعد وثقل موازنة.
قاعدة
قاعدة المصعد الفضائي هي المكان الموجود على سطح الكوكب حيث يتم توصيل الكابل وبدء رفع الحمولة. ويمكن أن تكون متنقلة، وتوضع على متن سفينة عابرة للمحيطات.
ميزة القاعدة المتحركة هي القدرة على أداء المناورات لتجنب الأعاصير والعواصف. مزايا القاعدة الثابتة هي مصادر طاقة أرخص ويمكن الوصول إليها بسهولة، والقدرة على تقليل طول الكابل. يعد الفارق بضعة كيلومترات من الكابل صغيرًا نسبيًا، ولكنه يمكن أن يساعد في تقليل السمك المطلوب للجزء الأوسط منه وطول الجزء الممتد لمستقرة بالنسبة إلى الأرضيدور في مدار.
كابل
يجب أن يكون الكابل مصنوعًا من مادة ذات قوة شد عالية للغاية بالنسبة لنسبة الجاذبية النوعية. سيكون المصعد الفضائي مبررًا اقتصاديًا إذا كان من الممكن إنتاج كابل على نطاق صناعي وبسعر معقول بكثافة مماثلة للجرافيت وقوة تبلغ حوالي 65-120 جيجاباسكال.
وللمقارنة فإن قوة معظم أنواع الفولاذ تبلغ حوالي 1 جيجا باسكال، وحتى أقوى الأنواع لا تزيد عن 5 جيجا باسكال، والفولاذ ثقيل الوزن. تتمتع مادة الكيفلار الأخف بكثير بقوة تتراوح بين 2.6-4.1 جيجا باسكال، بينما تتمتع ألياف الكوارتز بقوة تصل إلى 20 جيجا باسكال وما فوق. قد تكون القوة النظرية لألياف الماس أعلى قليلاً.
وفقًا للنظرية، يجب أن تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بقابلية للتمدد أعلى بكثير من تلك المطلوبة لمصعد الفضاء. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا إنتاجها بكميات صناعية ونسجها في الكابلات قد بدأت للتو في التطور. من الناحية النظرية، ينبغي أن تكون قوتها أكثر من 120 جيجا باسكال، لكن من الناحية العملية، كانت أعلى استطالة للأنابيب النانوية أحادية الجدار هي 52 جيجا باسكال، وفي المتوسط ​​تنكسر في نطاق 30-50 جيجا باسكال. أقوى خيط منسوج من الأنابيب النانوية سيكون أضعف من مكوناته. تستمر الأبحاث لتحسين نقاء مادة الأنبوب وإنشاء أنواع مختلفة من الأنابيب.
تستخدم معظم مشاريع المصاعد الفضائية الأنابيب النانوية أحادية الجدار. تتمتع الطبقات المتعددة بقوة أعلى، ولكنها أثقل ولها نسبة قوة إلى كثافة أقل. أحد الخيارات الممكنة هو استخدام الترابط عالي الضغط للأنابيب النانوية أحادية الجدار. في هذه الحالة، على الرغم من فقدان القوة بسبب استبدال الرابطة sp² (الجرافيت والأنابيب النانوية) بالرابطة sp³ (الماس)، إلا أنه سيتم الاحتفاظ بها بشكل أفضل في ليف واحد بواسطة قوى فان دير فالس وستجعل من الممكن إنتاج الألياف ذات طول تعسفي.[المصدر لم يُحدد 810 يومًا]

عيوب الشبكة البلورية تقلل من قوة الأنابيب النانوية
في تجربة أجراها علماء من جامعة جنوب كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، أظهرت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار قوة محددة أعلى بـ 117 مرة من الفولاذ وأعلى بـ 30 مرة من الكيفلار. كان من الممكن الوصول إلى قيمة 98.9 جيجا باسكال، وكانت القيمة القصوى لطول الأنبوب النانوي 195 ميكرومتر.
تكنولوجيا نسج هذه الألياف لا تزال في مهدها.
وفقا لبعض العلماء، حتى أنابيب الكربون النانوية لن تكون قوية بما يكفي لصنع كابل مصعد فضائي.
تجارب العلماء من التكنولوجيةأتاحت جامعة سيدني إمكانية تصنيع ورق الجرافين. تعتبر اختبارات العينات مشجعة: كثافة المادة أقل بخمس إلى ست مرات من كثافة الفولاذ، في حين أن قوة الشد أعلى بعشر مرات من مقاومة الفولاذ الكربوني. وفي الوقت نفسه، يعد الجرافين موصلًا جيدًا للتيار الكهربائي، مما يسمح باستخدامه لنقل الطاقة إلى المصعد، كحافلة اتصال.
سماكة الكابل

تحقق من المعلومات.

يجب أن يتحمل المصعد الفضائي وزنه على الأقل، وهو وزن كبير نظرًا لطول الكابل. تزيد السماكة من ناحية من قوة الكابل، ومن ناحية أخرى تزيد من وزنه، وبالتالي القوة المطلوبة. سيختلف الحمل عليه في أماكن مختلفة: في بعض الحالات، يجب أن يدعم قسم من الحبل وزن الأجزاء الموجودة أدناه، وفي حالات أخرى يجب أن يتحمل قوة الطرد المركزي التي تحمل الأجزاء العلوية من الحبل في المدار. لإرضاءلهذه الحالة ولتحقيق الأمثلية للكابل عند كل نقطة، سيكون سمكه متغيرًا.
يمكن إثبات أنه مع الأخذ في الاعتبار جاذبية الأرض وقوة الطرد المركزي (ولكن دون الأخذ في الاعتبار التأثير الأصغر للقمر والشمس)، سيتم وصف المقطع العرضي للكابل اعتمادًا على الارتفاع بالصيغة التالية:

هنا A ® هي مساحة المقطع العرضي للكابل كدالة للمسافة r من مركز الأرض.
تستخدم الصيغة الثوابت التالية:
A0 هي مساحة المقطع العرضي للكابل على مستوى سطح الأرض.
ρ هي كثافة مادة الكابل.
s هي قوة الشد لمادة الكابل.
ω هو التردد الدائري لدوران الأرض حول محورها، 7.292×10−5 راديان في الثانية.
r0 هي المسافة بين مركز الأرض وقاعدة الكابل. إنه تقريبًاويساوي نصف قطر الأرض 6,378 كم.
g0 هو تسارع الجاذبية عند قاعدة الكابل، وهو 9.780 م/ث².
تصف هذه المعادلة حبلًا يزداد سمكه في البداية بشكل كبير، ثم يتباطأ نموه على ارتفاع عدة أنصاف أقطار الأرض، ثم يصبح ثابتًا، ويصل في النهاية إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. بعد ذلك، يبدأ سمك في الانخفاض مرة أخرى.
وبالتالي، فإن نسبة مساحات مقطع الكابل عند القاعدة وعند النقطة المستقرة بالنسبة إلى الأرض (r = 42,164 km) هي:
وبالتعويض هنا عن كثافة وقوة الفولاذ وقطر الكابل عند مستوى الأرض 1 سم، نحصل على قطر عند مستوى GSO يبلغ عدة مئات من الكيلومترات، مما يعني أن الفولاذ والمواد الأخرى المألوفة لدينا غير صالحة لبناء مصعد.
ويترتب على ذلك أن هناك أربع طرق لتحقيق سمك كابل أكثر معقولية على مستوى GSO:
استخدم مواد أقل كثافة. وبما أن كثافة معظم المواد الصلبة تقع في نطاق صغير نسبيًا من 1000 إلى 5000 كجم/م3، فمن غير المرجح أن يتم تحقيق أي شيء هنا.
استخدام أكثر مادة متينة. الأبحاث تسير بشكل رئيسي في هذا الاتجاه. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى بعشرات المرات من أفضل أنواع الفولاذ، وسوف تقلل بشكل كبير من سمك الكابل على المستوى المستقر بالنسبة إلى الأرض.
ارفع قاعدة الكابل إلى أعلى. ونظرًا لوجود الأسي في المعادلة، فإن رفع القاعدة قليلاً حتى يقلل بشكل كبير من سمك الكابل. يتم اقتراح أبراج يصل ارتفاعها إلى 100 كيلومتر، والتي، بالإضافة إلى توفير الكابل، ستتجنب التأثير العمليات الجوية.
اجعل قاعدة الكابل رفيعة قدر الإمكان. لا يزال يتعين أن يكون سميكًا بدرجة كافية لدعم الرفع المحمل، وبالتالي فإن الحد الأدنى لسمك القاعدة يعتمد أيضًا على قوة المادة. ويحتاج الكابل المصنوع من أنابيب الكربون النانوية إلى أن يكون سمك قاعدته ملليمترًا واحدًا فقط.
هناك طريقة أخرى وهي جعل قاعدة المصعد متحركة. إن التحرك حتى بسرعة 100 م/ث سيعطي بالفعل زيادة في السرعة الدائرية بنسبة 20% ويقلل طول الكابل بنسبة 20-25%، مما يجعله أخف بنسبة 50% أو أكثر. إذا قمت "بتثبيت" الكابل بسرعة تفوق سرعة الصوت[المصدرغير محدد 664 يومًا] على متن طائرة أو قطار، فلن يتم قياس الزيادة في كتلة الكابل بالنسب المئوية، ولكن بعشرات المرات (ولكن لا يتم أخذ الخسائر في الاعتبار للمقاومةهواء).
يرفع

تحقق من المعلومات.
من الضروري التحقق من دقة الحقائق وموثوقية المعلومات المقدمة في هذه المقالة.
يجب أن يكون هناك شرح في صفحة الحديث.

أسلوب هذا القسم غير موسوعي أو ينتهك قواعد اللغة الروسية.
يجب تصحيح القسم وفقًا للقواعد الأسلوبية في ويكيبيديا.

رسم تصوري لمصعد فضائي يرتفع عبر السحب
لا يمكن للمصعد الفضائي أن يعمل مثل المصعد العادي (بكابلات متحركة) لأن سمك الكابل الخاص به ليس ثابتًا. تستخدم معظم المشاريع رافعة تتسلق كابلًا ثابتًا، على الرغم من اقتراح كابلات متحركة صغيرة مجزأة تعمل على طول الكابل الرئيسي.
تقدم طرق مختلفةتصاميم الرفع. على الكابلات المسطحة، يمكنك استخدام أزواج من البكرات المثبتة في مكانها عن طريق الاحتكاك. الخيارات الأخرى هي تحريك المتحدث باستخدام خطافات على ألواح، وبكرات ذات خطافات قابلة للسحب، والرفع المغناطيسي (غير محتمل، نظرًا لأنه يجب ربط المسارات المرهقة بالكابل)، وما إلى ذلك. [المصدر غير محدد 661 يومًا]
هناك مشكلة خطيرة في تصميم المصعد وهي مصدر الطاقة [المصدر غير محدد 661 يومًا]. من غير المرجح أن تكون كثافة تخزين الطاقة عالية بما يكفي ليحصل المصعد على طاقة كافية لتسلق الكابل بأكمله. مصادر الطاقة الخارجية المحتملة هي أشعة الليزر أو الموجات الدقيقة. الخيارات الأخرى هي استخدام طاقة الكبح من المصاعد التي تتحرك لأسفل. الفرق في درجات حرارة التروبوسفير. التفريغ الأيونوسفيري ، إلخ. الخيار الرئيسي [المصدر غير محدد 661 يومًا] (أشعة الطاقة) له مشاكل خطيرة مرتبطة به بكفاءةوتبديد الحرارة عند كلا الطرفين، على الرغم من أنه إذا كان المرء متفائلاً بشأن التقدم التكنولوجي في المستقبل، فهو ممكن.
يجب أن تتبع المصاعد بعضها البعض على مسافة مثالية لتقليل الحمل على الكابل وتذبذباته وتعظيمالإنتاجية. المنطقة الأكثر غير الموثوقة في الكابل هي بالقرب من قاعدته؛ يجب ألا يكون هناك أكثر من رفع واحد [المصدر غير محدد 661 يومًا]. ستؤدي المصاعد التي تتحرك للأعلى فقط إلى زيادة القدرة، لكنها لن تسمح باستخدام طاقة الكبح عند التحرك للأسفل، ولن تكون قادرة على إعادة الأشخاص إلى الأرض. وبالإضافة إلى ذلك، يجب استخدام مكونات هذه المصاعد في المدار لأغراض أخرى. على أية حال، المصاعد الصغيرة أفضل من الكبيرة لأن جدولها سيكون أكثر مرونة، لكنها تفرض قيودا تكنولوجية أكثر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن خيط المصعد نفسه سيختبر باستمرار عمل كل من قوة كوريوليس والتدفقات الجوية. علاوة على ذلك، بما أن "المصعد" يجب أن يكون موجودًا فوق ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض، فإنه سيخضع لأحمال ثابتة، بما في ذلك أحمال الذروة، على سبيل المثال، الهزات [المصدر غير محدد 579 يومًا].
ومع ذلك، إذا أمكن إزالة العوائق المذكورة أعلاه بطريقة أو بأخرى، فيمكن تحقيق مصعد الفضاء. ومع ذلك، فإن مثل هذا المشروع سيكون مكلفًا للغاية، لكنه قد يتنافس في المستقبل مع المركبات الفضائية التي يمكن التخلص منها وإعادة استخدامها [المصدر غير محدد 579 يومًا].
ثقل الموازنة

تفتقر هذه المقالة إلى روابط لمصادر المعلومات.
يجب أن تكون المعلومات قابلة للتحقق، وإلا فقد يتم التشكيك فيها وحذفها.
يمكنك تحرير هذه المقالة لتضمين روابط لمصادر موثوقة.
هذه العلامة موجودة على المقالة منذ 13 مايو 2011.
يمكن إنشاء ثقل الموازنة بطريقتين - عن طريق ربط جسم ثقيل (على سبيل المثال، كويكب) أبعد من المدار الثابت بالنسبة للأرضمدار أو استمرار الحبل نفسه على مسافة كبيرة لمستقرة بالنسبة إلى الأرضيدور في مدار. أصبح الخيار الثاني أكثر شعبية في الآونة الأخيرة لأنه أسهل في التنفيذ، بالإضافة إلى أنه من الأسهل إطلاق الأحمال إلى كواكب أخرى من نهاية كابل ممدود، لأنه يتمتع بسرعة كبيرة بالنسبة للأرض.
الزخم الزاوي والسرعة والميل

تحقق من المعلومات.
من الضروري التحقق من دقة الحقائق وموثوقية المعلومات المقدمة في هذه المقالة.
يجب أن يكون هناك شرح في صفحة الحديث.

هذه المقالة أو القسم يحتاج إلى مراجعة.
يرجى تحسين المقالة بما يتوافق مع قواعد كتابة المقالات.

تفتقر هذه المقالة إلى روابط لمصادر المعلومات.
يجب أن تكون المعلومات قابلة للتحقق، وإلا فقد يتم التشكيك فيها وحذفها.
يمكنك تحرير هذه المقالة لتضمين روابط لمصادر موثوقة.
هذه العلامة موجودة على المقالة منذ 13 مايو 2011.

عندما يتحرك المصعد للأعلى، يميل المصعد بمقدار درجة واحدة لأنه الجزء العلوييتحرك المصعد حول الأرض بشكل أسرع من القاع (تأثير كوريوليس). لم يتم حفظ المقياس
وتزداد السرعة الأفقية لكل قسم من الكابل مع الارتفاع بما يتناسب مع المسافة إلى مركز الأرض، حيث تصل إلى على الأرض الثابتةمدار سرعة الهروب الأولى. ولذلك، عند رفع حمولة، فإنه يحتاج إلى الحصول على زخم زاوي إضافي (السرعة الأفقية).
يتم الحصول على الزخم الزاوي بسبب دوران الأرض. في البداية، يتحرك المصعد بشكل أبطأ قليلاً من الكابل (تأثير كوريوليس)، وبالتالي "يبطئ" الكابل ويحرفه قليلاً نحو الغرب. عند سرعة الصعود 200 كم/ساعة، سوف يميل الكابل بمقدار درجة واحدة. المكون الأفقي للتوتر في غير عمودييسحب الكابل الحمولة إلى الجانب، ويسرعها في الاتجاه الشرقي (انظر الرسم البياني) - ونتيجة لذلك، يكتسب المصعد سرعة إضافية. ووفقا لقانون نيوتن الثالث، فإن الكابل يبطئ حركة الأرض بمقدار صغير.
وفي الوقت نفسه، فإن تأثير قوة الطرد المركزي يجبر الكابل على العودة إلى الوضع الرأسي المناسب للطاقة، بحيث يكون في حالة توازن مستقر. إذا كان مركز ثقل المصعد دائمًا فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض، بغض النظر عن سرعة المصعد، فلن يسقط.
بحلول الوقت الذي تصل فيه الحمولة إلى مدار الأرض، يكون زخمها الزاوي (السرعة الأفقية) كافيًا لإطلاق الحمولة إلى المدار.
عند خفض الحمل، ستحدث العملية العكسية، وإمالة الكابل إلى الشرق.
انطلق إلى الفضاء
وفي نهاية الكابل على ارتفاع 144 ألف كيلومتر، سيكون المكون العرضي للسرعة 10.93 كيلومترًا في الثانية، وهو أكثر من كافٍ لمغادرة مجال الجاذبية الأرضية وإطلاق السفن إلى زحل. إذا سُمح للجسم بالانزلاق بحرية على طول الجزء العلوي من الحبل، فسيكون لديه سرعة كافية للهروب من النظام الشمسي. سيحدث هذا بسبب انتقال الزخم الزاوي الإجمالي للكابل (والأرض) إلى سرعة الجسم المطلق.
لتحقيق سرعات أكبر، يمكنك إطالة الكابل أو تسريع الحمل باستخدام الكهرومغناطيسية.
بناء

البناء جار من ثابتة بالنسبة للأرضمحطات. هذا هو الشيء الوحيدمكان يمكن للمركبة الفضائية أن تهبط فيه. ينحدر أحد طرفيه إلى سطح الأرض ممتدًا بقوة الجاذبية. آخر، ل التوازن، - في الاتجاه المعاكسالجانب، يتم سحبه بواسطة قوة الطرد المركزي. وهذا يعني أنه يجب رفع جميع مواد البناء إلى الأرض الثابتةالمدار بالطريقة التقليدية، بغض النظر عن وجهة الشحن. أي تكلفة رفع المصعد الفضائي بأكمله إلى الأرض الثابتةالمدار - الحد الأدنى لسعر المشروع.
اقتصاديات المصعد الفضائي

من المفترض أن المصعد الفضائي سيقلل بشكل كبير من تكلفة إرسال البضائع إلى الفضاء. إن بناء المصاعد الفضائية مكلف، لكن تكاليف تشغيلها منخفضة، لذا من الأفضل استخدامها لفترات طويلة من الزمن لنقل كميات كبيرة جدًا من البضائع. في الوقت الحالي، قد لا يكون سوق إطلاق الأحمال كبيرًا بما يكفي لتبرير بناء مصعد، لكن التخفيض الكبير في السعر يجب أن يؤدي إلى تنوع أكبر في الأحمال. البنية التحتية الأخرى للنقل - الطرق السريعة والسكك الحديدية - تبرر نفسها بنفس الطريقة.
تكلفة تطوير المصعد مماثلة لتكلفة تطوير مكوك فضائي [المصدر غير محدد 810 يومًا]. لا يوجد حتى الآن إجابة على سؤال ما إذا كان المصعد الفضائي سيعيد الأموال المستثمرة فيه أم أنه سيكون من الأفضل استثماره في مواصلة تطوير تكنولوجيا الصواريخ.
لا ينبغي لنا أن ننسى الحد الأقصى لعدد أقمار الترحيل على الأرض الثابتةالمدار: تسمح الاتفاقيات الدولية حاليًا بـ 360 قمرًا صناعيًا - جهاز إرسال واستقبال واحد لكل درجة زاوية، لتجنب التداخل عند البث في نطاق التردد Ku. بالنسبة للترددات C، يقتصر عدد الأقمار الصناعية على 180.
وبالتالي، فإن المصعد الفضائي مناسب إلى الحد الأدنى لعمليات الإطلاق الجماعية إلى الأرض الثابتةمدار [المصدر غير محدد 554 يومًا] وهو الأنسب لاستكشاف الفضاء الخارجي والقمر بشكل خاص.
يفسر هذا الظرف الفشل التجاري الحقيقي للمشروع، حيث تركز التكاليف المالية الرئيسية للمنظمات غير الحكومية لبث الأقمار الصناعية،يشغل إما مدارًا ثابتًا بالنسبة للأرض (التلفزيون والاتصالات) أو مدارات أقل (أنظمة تحديد المواقع العالمية، ومراقبة الموارد الطبيعية، وما إلى ذلك).
ومع ذلك، يمكن أن يكون المصعد مشروعًا هجينًا، وبالإضافة إلى وظيفة توصيل البضائع إلى المدار، يظل قاعدة لبرامج بحثية وتجارية أخرى لا تتعلق بالنقل.
الإنجازات

منذ عام 2005، تقام مسابقة Space Elevator Games السنوية في الولايات المتحدة، والتي تنظمها مؤسسة Spaceward Foundation بدعم من وكالة ناسا. هناك فئتان في هذه المسابقات: "أفضل كابل" و"أفضل روبوت (مصعد)".
وفي مسابقة الرفع، يجب على الروبوت أن يقطع مسافة محددة، ويتسلق كابلًا رأسيًا بسرعة لا تقل عن تلك التي تحددها القواعد. (في المسابقاتفي عام 2007، كانت المعايير كما يلي: طول الكابل - 100 متر، الحد الأدنى للسرعة - 2 م / ث). وكانت أفضل نتيجة لعام 2007 هي قطع مسافة 100 متر بمتوسط ​​سرعة 1.8 م/ث.
بلغ إجمالي جوائز مسابقة Space Elevator Games في عام 2009 4 ملايين دولار.
في مسابقة قوة الحبل، يجب تزويد المشاركين بحلقة بطول مترين مصنوعة من الثقيلةمادة لا يزيد وزنها عن 2 جرام تركيب خاصالشيكات للتمزق. للفوز بالمسابقة، يجب أن تكون قوة الكابل أكبر بنسبة 50% على الأقل في هذا المؤشر من العينة المتاحة لناسا بالفعل. أفضل نتيجة حتى الآن تعود إلى الكابل الذي يتحمل حمولة تصل إلى 0.72 طن.
لا تشمل المنافسة مجموعة ليفتبورت، التي اكتسبت سمعة سيئة بسبب ادعاءاتها بإطلاق مصعد فضائي في عام 2018 (تم تأجيله لاحقًا إلى عام 2031). تجري شركة Liftport تجاربها الخاصة، على سبيل المثال، في عام 2006، تسلق المصعد الآلي حبلًا قويًا ممتدًا بمساعدة البالونات. من أصل كيلومتر ونصف، تمكن المصعد من تغطية 460 مترًا فقط. وتخطط الشركة في المرحلة التالية لإجراء اختبارات على كابل يبلغ ارتفاعه 3 كيلومترات.
أقيمت مسابقة ألعاب Space Elevator، التي نظمتها مؤسسة Spaceward ووكالة ناسا، في الفترة من 4 إلى 6 نوفمبر 2009، في جنوب كاليفورنيا، في مركز درايدن لأبحاث الطيران، داخل حدود قاعدة إدواردز الجوية الشهيرة. وكان طول الكابل التجريبي 900 متر، وتم رفع الكابل باستخدام طائرة هليكوبتر. أخذت الصدارة شركة LaserMotive التي قدمت مصعداً بسرعة 3.95 م/ث، وهي قريبة جداً من السرعة المطلوبة. قطع المصعد طول الكابل بالكامل في 3 دقائق و49 ثانية، وكان المصعد يحمل حمولة قدرها 0.4 كجم.
في أغسطس 2010، عرضت LaserMotive أحدث اختراعاتها في مؤتمر AUVSI للأنظمة غير المأهولة في دنفر، كولورادو. النوع الجديدسيساعد الليزر على نقل الطاقة لمسافات طويلة بشكل أكثر اقتصادا، حيث يستهلك الليزر بضعة واط فقط.
الأدب

يوري أرتسوتانوف "في الفضاء - على قاطرة كهربائية"جريدة " TVNZ" بتاريخ 31 يوليو 1960 .
ألكسندر بولونكين "الإطلاق والطيران في الفضاء غير الصاروخي"، إلسفير، 2006، 488 صفحة. http://www.scribd.com/doc/24056182
مصعد الفضاء في أعمال مختلفة

أحد أعمال آرثر سي كلارك الشهيرة، نوافير الجنة، مبني على فكرة المصعد الفضائي. بالإضافة إلى ذلك، يظهر مصعد فضائي و في النهايةأجزاء من رباعيته الشهيرة رحلة في الفضاء (3001: الأوديسة الأخيرة).
تتميز Battle Angel بمصعد فضائي سيكلوب، في أحد طرفيه توجد مدينة سالم السماوية (للمواطنين) إلى جانب مدينة سفلية (لغير المواطنين)، وفي الطرف الآخر توجد مدينة الفضاء يرو. يوجد هيكل مماثل على الجانب الآخر من الأرض.
في المسلسل " ستار تريك: Voyager" في الحلقة 3x19 "Rise" مصعد فضائي يساعد الطاقم على الهروب من كوكب ذو أجواء خطيرة.
الحضارة الرابعة لديها مصعد فضائي. ها هو واحد من "المعجزات الكبرى" اللاحقة.
تذكر رواية الخيال العلمي لتيموثي زان "دودة القز" (1985) كوكبًا قادرًا على إنتاج ألياف فائقة. أراد أحد السباقات المهتمة بالكوكب الحصول على هذه الألياف خصيصًا لبناء مصعد فضائي.
في رواية سيرجي لوكيانينكو "النجوم هي ألعاب باردة"، قامت إحدى الحضارات خارج كوكب الأرض، في عملية التجارة بين النجوم، بتسليم الأرض خيوطًا فائقة القوة يمكن استخدامها لبناء مصعد فضائي. لكن الحضارات خارج كوكب الأرض أصرت على وجه الحصر على الاستخداملهم للغرض المقصود - للمساعدة أثناء الولادة.
في أنمي Mobile Suit Gundam 00 هناك ثلاثة مصاعد فضائية، كما تم ربط حلقة من الألواح الشمسية بها، مما يسمح باستخدام المصعد الفضائي لتوليد الكهرباء.
في الأنمي Z.O.E. تتميز دولوريس بوجود مصعد فضائي، وتُظهر أيضًا ما يمكن أن يحدث في حالة وقوع هجوم إرهابي.
في رواية الخيال العلمي "محكوم عليهم بالنصر" للكاتب جيه سكالزي (المهندس سكالزي، جون. حرب الرجل العجوز)، تُستخدم أنظمة المصاعد الفضائية بنشاط على الأرض والعديد من المستعمرات الأرضية وبعض الكواكب من الأجناس الذكية الأخرى المتطورة للغاية للتواصل مع أرصفة السفن بين النجوم.
في رواية الخيال العلمي "غدًا سيكون الخلود" للكاتب ألكسندر جروموف، تدور الحبكة حول حقيقة وجود مصعد فضائي. هناك جهازان - مصدر وجهاز استقبال، باستخدام "شعاع الطاقة"، قادر على رفع "كابينة" المصعد إلى المدار.
في رواية أليستر رينولدز الخيالية مدينة الهاوية، وصف تفصيليالبنايات والأداءمصعد فضائي، يتم وصف عملية تدميره (نتيجة هجوم إرهابي).
رواية الخيال العلمي لتيري براتشيت ستراتا تعرض الخط، وهو جزيء اصطناعي طويل للغاية يستخدم كمصعد فضائي.
مذكور في أغنية فرقة زفوكي مو "المصعد إلى السماء"
تم ذكر مصعد الفضاء في سلسلة الرسوم المتحركة Trinity Blood، حيث تعمل سفينة الفضاء Arc كثقل موازن.
في بداية لعبة Sonic Colors، يمكن رؤية Sonic وTails وهما يستقلان المصعد الفضائي للوصول إلى Dr. Eggman's Park
أنظر أيضا

بندقية الفضاء
ابدأ الحلقة
نافورة الفضاء
ملحوظات

http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html مصعد الفضاء وتكنولوجيا النانو
إلى الفضاء - على المصعد! // KP.RU
مدارات المصعد الفضائي اجتماعية سياسية والعلم الشعبيمجلة الفضاء الروسية العدد 11، 2008
تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى بمرتين من الفولاذ
غشاء | أخبار العالم | الأنابيب النانوية لن تنجو من المصعد الفضائي
تبين أن ورق الجرافين الجديد أقوى من الفولاذ
ليميشكو أندريه فيكتوروفيتش. مصعد الفضاء Lemeshko A.V./ مصعد الفضاء Lemeshko A.V.
ar:القنوات الفضائية#التكنولوجيا
المصعد إلى السماء يسجل أرقاماً قياسية مع التركيز على المستقبل
تم تطوير ليزر يمكنه تشغيل المصاعد الفضائية
LaserMotive تعرض طائرة هليكوبتر تعمل بالليزر في أنظمة AUVSI غير المأهولة بأمريكا الشمالية 2010

المؤتمر الأقاليمي الرابع لأطفال المدارس

"الطريق إلى النجوم"

مصعد الفضاء خيال أم حقيقة؟

مكتمل:

____________________

مشرف:

___________________

ياروسلافل

مقدمة

أفكار مصعد الفضاء بقلم K.E. تسيولكوفسكي، يو.ن. أرتسوتانوفا، ج.ج. بولياكوفا

تصميم مصعد الفضاء

وصف المشاريع الحديثة

خاتمة

مقدمة

في عام 1978، نُشرت رواية الخيال العلمي لآرثر سي. كلارك "ينابيع الجنة"، والتي خصصت لفكرة بناء مصعد فضائي. تجري الأحداث في القرن الثاني والعشرين في جزيرة تابروبان غير الموجودة، والتي، كما يشير المؤلف في المقدمة، تتوافق مع 90٪ من جزيرة سيلان (سريلانكا).

في كثير من الأحيان، يتنبأ كتاب الخيال العلمي بظهور اختراع ليس من قرنهم، ولكن في وقت لاحق بكثير.

ما هو مصعد الفضاء؟

المصعد الفضائي هو مفهوم هيكل هندسي لإطلاق البضائع إلى الفضاء بدون صواريخ. يعتمد هذا التصميم الافتراضي على استخدام كابل يمتد من سطح الكوكب إلى محطة مدارية تقع في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض. لأول مرة، عبر كونستانتين تسيولكوفسكي عن هذه الفكرة في عام 1895، وقد تم تطوير الفكرة بالتفصيل في أعمال يوري أرتسوتانوف.

الغرض من هذا العمل هو دراسة إمكانية بناء مصعد فضائي.

أفكار مصعد الفضاء بقلم K.E. تسيولكوفسكي، يو.ن. أرتسوتانوف وج. بولياكوفا

كونستانتين تسيولكوفسكي عالم ومخترع ومدرس روسي وسوفييتي علم نفسه بنفسه. مؤسس علم الملاحة الفضائية النظري. وبرر استخدام الصواريخ في الرحلات الفضائية وتوصل إلى استنتاج حول ضرورة استخدام "القطارات الصاروخية" - نماذج أولية للصواريخ متعددة المراحل. تتعلق أعماله العلمية الرئيسية بالطيران وديناميكيات الصواريخ والملاحة الفضائية.

ممثل الكونية الروسية، عضو الجمعية الروسية لمحبي الدراسات العالمية. مؤلف أعمال الخيال العلمي ومؤيد ومروج لأفكار استكشاف الفضاء. اقترح تسيولكوفسكي ملء الفضاء الخارجي باستخدام المحطات المدارية. كان يعتقد أن تطور الحياة على أحد كواكب الكون سيصل إلى هذه القوة والكمال مما يجعل من الممكن التغلب على قوى الجاذبية ونشر الحياة في جميع أنحاء الكون.

في عام 1895، كان العالم الروسي كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي أول من صاغ مفهوم ومفهوم المصعد الفضائي. ووصف هيكلًا قائمًا بذاته يمتد من مستوى الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. وبارتفاع 36 ألف كيلومتر فوق خط الاستواء، وباتباع اتجاه دوران الأرض، عند نقطة النهاية بفترة مدارية مدتها يوم واحد بالضبط، سيبقى هذا الهيكل في موضع ثابت.

يو
ري نيكولايفيتش أرتسوتانوف هو مهندس روسي ولد في لينينغراد. خريج لينينغرادسكي

يُعرف المعهد التكنولوجي بأنه أحد رواد فكرة المصعد الفضائي. في عام 1960، كتب مقالًا بعنوان "إلى الفضاء - بواسطة قاطرة كهربائية"، حيث ناقش مفهوم المصعد الفضائي باعتباره وسيلة فعالة من حيث التكلفة وآمنة ومريحة للوصول إلى المدار لتسهيل استكشاف الفضاء.

طور يوري نيكولاييفيتش فكرة كونستانتين تسيولكوفسكي. اعتمد مفهوم أرتسوتانوف على ربط الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض بكابل متصل بالأرض. واقترح استخدام القمر الصناعي كقاعدة لبناء البرج، حيث سيبقى القمر الصناعي المتزامن مع الأرض فوق نقطة ثابتة على خط الاستواء. وبمساعدة ثقل الموازنة، سيتم إنزال الكابل من المدار المتزامن مع الأرض إلى سطح الأرض، بينما سيتحرك الثقل الموازن بعيدًا عن الأرض، مع الحفاظ على مركز كتلة الكابل ثابتًا بالنسبة للأرض.

أ اقترح رتسوتانوف ربط أحد طرفي هذا "الحبل" بخط استواء الأرض، وربط وزن متوازن بالطرف الثاني، الواقع بعيدًا عن الغلاف الجوي للكوكب. ولو كان "الحبل" طويلا بما فيه الكفاية، لتجاوزت قوة الطرد المركزي قوة الجاذبية ومنعت سقوط الحمولة على الأرض. من الحسابات التي قدمها أرتسوتانوف، يترتب على ذلك أن قوة الجذب وقوة الطرد المركزي متساوية على ارتفاع حوالي 42000 كيلومتر. إن نتيجة هذه القوى، التي تساوي الصفر، تعمل على تثبيت "الحجر" بشكل موثوق في ذروته.

الآن سوف تسير القاطرات الكهربائية المغلقة عموديًا نحو الأعلى - نحو المدار. ستساعد الزيادة السلسة في السرعة والكبح السلس على تجنب الحمولة الزائدة التي تتميز بها عملية إطلاق الصاروخ. وبعد عدة ساعات من السفر بسرعة 10 - 20 كيلومترا في الثانية، ستتبع المحطة الأولى - عند نقطة الاعتدال، حيث ستفتح محطة إعادة الشحن المنتشرة في انعدام الجاذبية أبواب الحانات والمطاعم والصالات - ورائعة منظر للأرض من النوافذ.

بعد التوقف، لن تكون المقصورة قادرة على التحرك دون إهدار الطاقة فحسب، حيث سيتم إلقاؤها بعيدًا عن الأرض بواسطة قوة الطرد المركزي، ولكن أيضًا، بالإضافة إلى ذلك، سيولد المحرك، الذي تم تحويله إلى وضع الدينامو، الكهرباء اللازمة للعودة .

أما المحطة الثانية والأخيرة فقد اقترح أن تكون على مسافة 60 ألف كيلومتر من الأرض، حيث ستكون القوى الناتجة مساوية لقوة الجاذبية على سطح الأرض، وتسمح بنشوء جاذبية صناعية في "المحطة النهائية". ". هنا، على حافة أطول تلفريك، سيكون هناك ميناء فضائي مداري حقيقي. كما هو متوقع، سيطلق سفن الفضاء عبر النظام الشمسي، مما يمنحها سرعة محترمة ويحدد المسار.

لا يريد يوري أرتسوتانوف أن يقتصر على حبل بدائي ، فقد علق عليه محطات الطاقة الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى تيار كهربائي ، وملفات لولبية تولد مجالًا كهرومغناطيسيًا. ولا بد أن تتحرك «قاطرة كهربائية» في هذا المجال.

إذا قمنا بتقدير وزن سطح الطريق المغناطيسي هذا، مع الأخذ في الاعتبار طول 60 ألف كيلومتر، فسيتبين - مئات الملايين من الأطنان؟ أكثر بكثير. ستكون هناك حاجة إلى أكثر من ألف صاروخ لسحب هذا الوزن إلى المدار! في ذلك الوقت بدا الأمر مستحيلا.

ومع ذلك، هذه المرة توصل العالم إلى الفكرة الصحيحة: ليس من الضروري بناء المصعد من الأسفل إلى الأعلى، مثل برج سيكلوب ضخم - يكفي إطلاق قمر صناعي اصطناعي إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض، والذي سينطلق منه الخيط الأول يتم خفضها. وفي مقطعه العرضي، يكون هذا الخيط أرق من شعرة الإنسان، بحيث لا يتجاوز وزنه ألف طن. بعد تثبيت الطرف الحر للخيط على سطح الأرض، سيتم تشغيل "العنكبوت" من الأعلى إلى الأسفل على طول الخيط - وهو جهاز خفيف ينسج خيطًا ثانيًا متوازيًا. وسيعمل حتى يصبح الحبل سميكًا بدرجة كافية لدعم "القاطرة الكهربائية"، واللوحة الكهرومغناطيسية، ومحطات الطاقة الشمسية، وغرف الراحة والمطاعم.

من المفهوم تمامًا لماذا ظلت فكرة يوري فاليريفيتش أرتسوتانوف في عصر سباقات الفضاء دون أن يلاحظها أحد. في ذلك الوقت لم تكن هناك مادة قادرة على تحمل مثل هذا الضغط العالي للكابل.

وفي تطوير أفكار أرتسوتانوف، اقترح جورجي بولياكوف من أستراخان مشروعه لمصعد فضائي في عام 1977. المعهد التربوي.

في الأساس، لا يختلف هذا المصعد تقريبًا عن المصعد الموصوف أعلاه. يشير بولياكوف فقط إلى أن المصعد الفضائي الحقيقي سيكون أكثر تعقيدًا بكثير من ذلك الذي وصفه أرتسوتانوف. في الواقع، سيتكون من سلسلة من المصاعد البسيطة ذات الأطوال المتناقصة بشكل متتابع. كل منها عبارة عن نظام متوازن ذاتيًا، ولكن فقط بفضل وصول أحدهم إلى الأرض، يتم ضمان استقرار الهيكل بأكمله.

تم اختيار طول المصعد (حوالي 4 أضعاف قطر الأرض) بطريقة تجعل الجهاز المنفصل عن قمته قادرًا على التحرك بالقصور الذاتي إلى الفضاء الخارجي. في أعلى نقطة ستكون هناك نقطة إطلاق للمركبات الفضائية بين الكواكب. والسفن العائدة من الرحلة، بعد أن دخلت في السابق مدارًا ثابتًا، "ترفع" في منطقة القاعدة.

من وجهة نظر التصميم، يتكون المصعد الفضائي من أنبوبين متوازيين أو أعمدة ذات مقطع عرضي مستطيل، يختلف سمك جدرانها وفقًا لقانون معين. على طول إحداهما تتحرك الكبائن للأعلى وعلى طول الأخرى - للأسفل. بالطبع، لا شيء يمنعك من بناء العديد من هذه الأزواج. قد لا يكون الأنبوب مستمرًا، ولكنه يتكون من العديد من الكابلات المتوازية، ويتم تثبيت موضعها بواسطة سلسلة من الإطارات المستطيلة المستعرضة. وهذا يجعل من السهل تركيب وإصلاح المصعد.

كبائن المصعد هي مجرد منصات مدفوعة بمحركات كهربائية فردية. يتم إرفاق الأحمال أو الوحدات السكنية بها - بعد كل شيء، يمكن أن تستمر الرحلة في المصعد لمدة أسبوع، أو حتى أكثر.

من أجل توفير الطاقة، يمكنك إنشاء نظام يشبه عربة قطار. وتتكون من سلسلة من البكرات يتم من خلالها إلقاء الكابلات المغلقة ذات الكبائن المعلقة عليها. يتم تثبيت محاور البكرة، حيث يتم تركيب المحركات الكهربائية، على حامل المصعد. هنا يكون وزن الكابينة الصاعدة والهابطة متوازنًا بشكل متبادل، وبالتالي يتم إنفاق الطاقة فقط على التغلب على الاحتكاك.

بالنسبة لـ "خيوط التوصيل" التي يتكون منها المصعد نفسه، من الضروري استخدام مادة تكون نسبة ضغط كسرها إلى كثافتها أكبر بـ 50 مرة من الفولاذ. يمكن أن تكون هذه "مركبات" مختلفة أو فولاذ رغوي أو سبائك البريليوم أو شعيرات كريستالية...

إلا أن جورجي بولياكوف لا يتوقف عند توضيح خصائص المصعد الفضائي. ويشير إلى حقيقة أنه بحلول نهاية القرن العشرين، سيكون المدار المتزامن مع الأرض "مليئًا" بكثافة بالمركبات الفضائية الأكثر تطورًا. أنواع مختلفةوالتعيينات. وبما أنهم جميعا سيكونون بلا حراك تقريبا بالنسبة لكوكبنا، فمن المغري للغاية ربطهم بالأرض ومع بعضهم البعض باستخدام المصاعد الفضائية والطريق السريع للنقل الدائري.

وبناء على هذا الاعتبار، يطرح بولياكوف فكرة وجود "قلادة" كونية للأرض. ستكون القلادة بمثابة نوع من التلفريك (أو السكك الحديدية) بين المحطات المدارية، وستوفر لها أيضًا توازنًا مستقرًا في المدار المتزامن مع الأرض.

وبما أن طول “القلادة” كبير جدًا (260 ألف كيلومتر)، فيمكن وضع الكثير من المحطات عليها. إذا، على سبيل المثال، على بعد 100 كيلومتر من المستوطنات، سيكون عددهم 2600. ويبلغ عدد سكانها 10 آلاف نسمة في كل محطة، وسيعيش 26 مليون شخص على الحلبة. وإذا زاد حجم وعدد هذه "الفظائع"، فإن هذا الرقم سيرتفع بشكل حاد.

تصميم مصعد الفضاء

قاعدة

عن قاعدة المصعد الفضائي هي المكان الموجود على سطح الكوكب حيث يتم توصيل الكابل وبدء رفع الحمولة. ويمكن أن تكون متنقلة، وتوضع على متن سفينة عابرة للمحيطات. ميزة القاعدة المتحركة هي القدرة على أداء المناورات لتجنب الأعاصير والعواصف. مزايا القاعدة الثابتة هي مصادر طاقة أرخص ويمكن الوصول إليها بسهولة، والقدرة على تقليل طول الكابل. إن الفارق الذي يبلغ بضعة كيلومترات من الحبل صغير نسبياً، ولكنه يمكن أن يساعد في تقليل السُمك المطلوب لجزءه الأوسط وطول الجزء الممتد إلى ما بعد المدار الثابت بالنسبة للأرض. بالإضافة إلى القاعدة، يمكن وضع منصة على بالونات الستراتوسفير لتقليل وزن الجزء السفلي من الكابل مع إمكانية تغيير الارتفاع لتجنب تدفقات الهواء الأكثر اضطرابًا، وكذلك تخميد الاهتزازات المفرطة على طول الطول بالكامل من الكابل.

كابل

يجب أن يكون الكابل مصنوعًا من مادة ذات قوة شد عالية للغاية بالنسبة لنسبة الجاذبية النوعية. سيكون المصعد الفضائي مبررًا اقتصاديًا إذا كان من الممكن إنتاج كابل على نطاق صناعي وبسعر معقول بكثافة مماثلة للجرافيت وقوة تبلغ حوالي 65-120 جيجا باسكال. وللمقارنة فإن قوة معظم أنواع الفولاذ تبلغ حوالي 1 جيجا باسكال، وحتى أقوى الأنواع لا تزيد عن 5 جيجا باسكال، والفولاذ ثقيل الوزن. تتمتع مادة الكيفلار الأخف بكثير بقوة تتراوح بين 2.6-4.1 جيجا باسكال، بينما تتمتع ألياف الكوارتز بقوة تصل إلى 20 جيجا باسكال وما فوق. وفقًا للنظرية، يجب أن تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بقابلية للتمدد أعلى بكثير من تلك المطلوبة لمصعد الفضاء. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا إنتاجها بكميات صناعية ونسجها في الكابلات قد بدأت للتو في التطور. من الناحية النظرية، يجب أن تكون قوتها أكثر من 120 جيجا باسكال، ولكن من الناحية العملية، كانت أعلى قوة شد للأنابيب النانوية أحادية الجدار هي 52 جيجا باسكال، وفي المتوسط ​​تنكسر في حدود 30-50 جيجا باسكال. أقوى خيط منسوج من الأنابيب النانوية سيكون أضعف من مكوناته.

في تجربة أجراها علماء من جامعة جنوب كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، أظهرت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار قوة محددة أعلى بـ 117 مرة من الفولاذ وأعلى بـ 30 مرة من الكيفلار. كان من الممكن الوصول إلى قيمة 98.9 جيجا باسكال، وكانت القيمة القصوى لطول الأنبوب النانوي 195 ميكرومتر. وفقا لبعض العلماء، حتى أنابيب الكربون النانوية لن تكون قوية بما يكفي لصنع كابل مصعد فضائي.

أتاحت التجارب التي أجراها علماء من جامعة التكنولوجيا في سيدني إمكانية إنشاء ورق الجرافين. تعتبر اختبارات العينات مشجعة: كثافة المادة أقل بخمس إلى ست مرات من كثافة الفولاذ، في حين أن قوة الشد أعلى بعشر مرات من مقاومة الفولاذ الكربوني. وفي الوقت نفسه، يعد الجرافين موصلًا جيدًا للتيار الكهربائي، مما يسمح باستخدامه لنقل الطاقة إلى المصعد كحافلة اتصال.

في يونيو 2013، أعلن مهندسون من جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة الأمريكية عن إنجاز جديد: بفضل تكنولوجيا جديدةعند الحصول على الجرافين، من الممكن الحصول على صفائح بحجم قطري يبلغ عدة عشرات من السنتيمترات وقوة أقل بنسبة 10٪ فقط من تلك النظرية.

سماكة الكابل

يجب أن يتحمل المصعد الفضائي وزنه على الأقل، وهو وزن كبير نظرًا لطول الكابل. تزيد السماكة من ناحية من قوة الكابل، ومن ناحية أخرى تزيد من وزنه، وبالتالي القوة المطلوبة. سيختلف الحمل عليه في أماكن مختلفة: في بعض الحالات، يجب أن يدعم قسم من الحبل وزن الأجزاء الموجودة أدناه، وفي حالات أخرى يجب أن يتحمل قوة الطرد المركزي التي تحمل الأجزاء العلوية من الحبل في المدار. لتحقيق هذا الشرط وتحقيق الأمثلية للكابل عند كل نقطة، سيكون سمكه متغيرًا.

يمكن إثبات أنه مع الأخذ في الاعتبار جاذبية الأرض وقوة الطرد المركزي، ولكن دون الأخذ في الاعتبار التأثير الأصغر للقمر والشمس، سيتم وصف المقطع العرضي للكابل اعتمادًا على الارتفاع بالصيغة التالية:

أين تكون مساحة المقطع العرضي للكابل بدلالة المسافة r من مركز الأرض.

تستخدم الصيغة الثوابت التالية:

- مساحة المقطع العرضي للكابل على مستوى سطح الأرض.

- كثافة مادة الكابل.

- قوة الشد لمواد الكابل.

- التردد الدائري لدوران الأرض حول محورها هو 7.292·10−5 راديان في الثانية.

- المسافة بين مركز الأرض وقاعدة الكابل. ويساوي نصف قطر الأرض تقريبًا 6,378 كيلومترًا.

- تسارع السقوط الحر عند قاعدة الكابل 9.780 م/ث².

تصف هذه المعادلة حبلًا يزداد سمكه في البداية بشكل كبير، ثم يتباطأ نموه على ارتفاع عدة أنصاف أقطار الأرض، ثم يصبح ثابتًا، ويصل في النهاية إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. بعد ذلك، يبدأ سمك في الانخفاض مرة أخرى.

وبالتالي، فإن نسبة مساحات مقطع الكابل عند القاعدة وعند النقطة المستقرة بالنسبة إلى الأرض (r = 42,164 km) هي:

ص
وبوضع هنا كثافة وقوة الفولاذ، وقطر الكابل عند مستوى الأرض 1 سم، نحصل على قطر عند مستوى GSO يبلغ عدة مئات من الكيلومترات، مما يعني أن الفولاذ والمواد الأخرى المألوفة لدينا غير صالحة للبناء. مصعد.

ويترتب على ذلك أن هناك أربع طرق لتحقيق سمك كابل أكثر معقولية على مستوى GSO:

استخدم مواد أقل كثافة. وبما أن كثافة معظم المواد الصلبة تقع في نطاق صغير نسبيًا من 1000 إلى 5000 كجم/م3، فمن غير المرجح أن يتم تحقيق أي شيء هنا.

استخدم مواد أكثر متانة. الأبحاث تسير بشكل رئيسي في هذا الاتجاه. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى بعشرات المرات من أفضل أنواع الفولاذ، وسوف تقلل بشكل كبير من سمك الكابل على المستوى المستقر بالنسبة إلى الأرض. نفس الحساب، تم إجراؤه على افتراض أن كثافة الكابل تساوي كثافة ألياف الكربون ρ = 1.9 جم / سم 3 (1900 كجم / م 3)، مع قوة نهائية σ = 90 GPA (90 109 باسكال) وقطر الكابل عند تسمح لك القاعدة التي يبلغ طولها 1 سم (0.01 م) بالحصول على قطر كابل عند GSO يبلغ 9 سم فقط.

ارفع قاعدة الكابل إلى أعلى. ونظرًا لوجود الأسي في المعادلة، فإن رفع القاعدة قليلاً حتى يقلل بشكل كبير من سمك الكابل. يتم اقتراح أبراج يصل ارتفاعها إلى 100 كيلومتر، والتي، بالإضافة إلى توفير الكابل، ستتجنب تأثير العمليات الجوية.

اجعل قاعدة الكابل رفيعة قدر الإمكان. لا يزال يتعين أن يكون سميكًا بدرجة كافية لدعم الرفع المحمل، وبالتالي فإن الحد الأدنى لسمك القاعدة يعتمد أيضًا على قوة المادة. ويحتاج الكابل المصنوع من أنابيب الكربون النانوية إلى أن يكون سمك قاعدته ملليمترًا واحدًا فقط.

هناك طريقة أخرى وهي جعل قاعدة المصعد متحركة. التحرك حتى بسرعة 100 م/ث سيعطي بالفعل زيادة في السرعة الدائرية بنسبة 20% ويقلل طول الكابل بنسبة 20-25%، مما يجعله أخف بنسبة 50% أو أكثر. إذا قمت "بتثبيت" الكابل على طائرة أو قطار أسرع من الصوت، فلن يتم قياس الزيادة في كتلة الكابل بالنسب المئوية، ولكن بعشرات المرات (لكن الخسائر الناجمة عن مقاومة الهواء لا تؤخذ في الاعتبار). هناك أيضًا فكرة لاستخدام خطوط القوة الشرطية للمجال المغناطيسي للأرض بدلاً من الكابل المصنوع من الأنابيب النانوية.

ثقل الموازنة

يمكن إنشاء ثقل الموازنة بطريقتين - عن طريق ربط جسم ثقيل (على سبيل المثال، كويكب أو مستوطنة فضائية أو رصيف فضائي) خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض، أو عن طريق مد الحبل نفسه لمسافة كبيرة خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض. الخيار الثاني مثير للاهتمام لأنه من الأسهل إطلاق الأحمال إلى الكواكب الأخرى من نهاية الكابل الممدود، لأنه يحتوي على سرعة كبيرة بالنسبة للأرض.

الزخم الزاوي والسرعة والميل

وتزداد السرعة الأفقية لكل قسم من الكابل مع الارتفاع بما يتناسب مع المسافة إلى مركز الأرض، فتصل إلى السرعة الكونية الأولى في المدار الثابت بالنسبة للأرض. ولذلك، عند رفع حمولة، فإنه يحتاج إلى الحصول على زخم زاوي إضافي (السرعة الأفقية). يتم الحصول على الزخم الزاوي بسبب دوران الأرض. في البداية، يتحرك المصعد بشكل أبطأ قليلاً من الكابل (تأثير كوريوليس)، وبالتالي "يبطئ" الكابل ويحرفه قليلاً نحو الغرب. عند سرعة الصعود 200 كم/ساعة، سوف يميل الكابل بمقدار درجة واحدة. يقوم المكون الأفقي للتوتر في كابل غير عمودي بسحب الحمل إلى الجانب، مما يؤدي إلى تسريعه في الاتجاه الشرقي - ونتيجة لذلك، يكتسب المصعد سرعة إضافية. وفقًا لقانون نيوتن الثالث، فإن الكابل يبطئ حركة الأرض بمقدار قليل، والثقل الموازن بمقدار كبير، ونتيجة لتباطؤ دوران الثقل الموازن، سيبدأ الكابل بالالتفاف حول الأرض. وفي الوقت نفسه، فإن تأثير قوة الطرد المركزي يجبر الكابل على العودة إلى الوضع الرأسي المناسب للطاقة، بحيث يكون في حالة توازن مستقر. إذا كان مركز ثقل المصعد دائمًا فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض، بغض النظر عن سرعة المصعد، فلن يسقط. بحلول الوقت الذي تصل فيه الحمولة إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO)، يكون زخمها الزاوي كافيًا لإطلاق الحمولة إلى المدار. إذا لم يتم تحرير الحمل من الكبل، فعند التوقف عموديًا عند مستوى GSO، سيكون في حالة توازن غير مستقر، ومع دفعة متناهية الصغر إلى الأسفل، سيترك GSO ويبدأ في السقوط على الأرض عموديًا التسارع، مع التباطؤ في الاتجاه الأفقي. سيتم نقل فقدان الطاقة الحركية من المكون الأفقي أثناء الهبوط من خلال الكابل إلى الزخم الزاوي لدوران الأرض، مما يسرع دورانها. عند دفعه لأعلى، سيترك الحمل أيضًا GSO، ولكن في الاتجاه المعاكس، أي أنه سيبدأ في الارتفاع على طول الكابل مع تسارع من الأرض، ليصل إلى السرعة النهائية في نهاية الكابل. وبما أن السرعة النهائية تعتمد على طول الكابل، فيمكن بالتالي تحديد قيمتها بشكل تعسفي. تجدر الإشارة إلى أن تسارع وزيادة الطاقة الحركية للحمل أثناء الرفع، أي تفككه في دوامة، سيحدث بسبب دوران الأرض، والذي سيتباطأ. هذه العملية قابلة للعكس تمامًا، أي إذا وضعت حملًا على نهاية الكابل وبدأت في خفضه، وضغطه بشكل حلزوني، فإن الزخم الزاوي لدوران الأرض سيزداد وفقًا لذلك. عند خفض الحمل، ستحدث العملية العكسية، وإمالة الكابل إلى الشرق.

انطلق إلى الفضاء

وفي نهاية الكابل على ارتفاع 144 ألف كيلومتر، سيكون المكون العرضي للسرعة 10.93 كيلومترًا في الثانية، وهو أكثر من كافٍ لمغادرة مجال الجاذبية الأرضية وإطلاق السفن إلى زحل. إذا سُمح للجسم بالانزلاق بحرية على طول الجزء العلوي من الحبل، فسيكون لديه سرعة كافية للهروب من النظام الشمسي. سيحدث هذا بسبب انتقال الزخم الزاوي الإجمالي للكابل (والأرض) إلى سرعة الجسم المطلق. لتحقيق سرعات أكبر، يمكنك إطالة الكابل أو تسريع الحمل باستخدام الكهرومغناطيسية.

وصف المشاريع الحديثة

ظهرت مقترحات أكثر تفصيلاً في منتصف وأواخر القرن العشرين. وكان من المأمول أن يُحدث المصعد الفضائي ثورة في الوصول إلى الفضاء القريب من الأرض، إلى القمر والمريخ وحتى أبعد من ذلك. هذا المبنىاستطاع مرة واحدة وإلى الأبد لحل المشكلة المرتبطة بإرسال شخص إلى الفضاء. سيساعد المصعد بشكل كبير العديد من وكالات الفضاء في نقل رواد الفضاء إلى مدار كوكبنا. وقد يعني إنشائها نهاية الصواريخ الملوثة للفضاء.ومع ذلك، فإن الاستثمار الأولي ومستوى التكنولوجيا المطلوبة أوضحا أن مثل هذا المشروع كان غير عملي وأحاله إلى عالم الخيال العلمي.

هل من الممكن حل مشكلة مثل هذا البناء في هذه اللحظة؟ ويعتقد أنصار المصاعد الفضائية أن هناك حاليا إمكانيات كافية لحل هذه المشكلة التقنية. لقد صدقوا ذلك صواريخ الفضاءلقد عفا عليها الزمن وتسبب ضررا لا يمكن إصلاحه للطبيعة ومكلفة للغاية مجتمع حديث.

ويكمن حجر العثرة في كيفية بناء مثل هذا النظام. يقول فونغ: "في البداية، يجب أن يتم تصنيعه من مادة غير موجودة بعد، ولكنها قوية ومرنة مع خصائص الكتلة والكثافة المناسبة لدعم النقل وتحمل القوى الخارجية المذهلة". "أعتقد أن كل هذا سيتطلب سلسلة من المهام المدارية الأكثر طموحًا والمشي في الفضاء في مدارات أرضية منخفضة ومرتفعة في تاريخ جنسنا البشري."

ويضيف أن هناك أيضًا مخاوف تتعلق بالسلامة. "حتى لو تمكنا من حل الصعوبات التقنية الكبيرة المرتبطة ببناء مثل هذا الشيء،تظهر صورة مخيفة لجبنة عملاقة بها ثقوب أحدثها كل هذا الحطام الفضائي والحطام في الأعلى.

يعمل العلماء حول العالم على تطوير فكرة المصعد الفضائي. أعلن اليابانيون في أوائل عام 2012 أنهم يخططون لبناء مصعد فضائي. وقد أبلغ الأمريكيون عن الشيء نفسه في نهاية عام 2012. في عام 2013، تذكرت وسائل الإعلام الجذور الروسية لـ”المصعد الفضائي”. إذن متى ستصبح هذه الأفكار حقيقة؟

مفهوم شركة أوباياشي اليابانية

تقترح الشركة طريقة البناء التالية: يتم تثبيت أحد طرفي كابل عالي القوة بواسطة منصة ضخمة في المحيط، ويتم تأمين الطرف الآخر إلى محطة مدارية. تتحرك المقصورة المصممة خصيصًا على طول الحبل، والتي يمكنها توصيل البضائع أو رواد الفضاء أو سائحي الفضاء على سبيل المثال.

ويفكر أوباياشي في استخدام أنابيب الكربون النانوية، وهي أقوى بعشرات المرات من الفولاذ، كمادة لصنع الكابل. لكن المشكلة هي أن طول هذه الأنابيب النانوية يقتصر حاليا على حوالي 3 سم، في حين أن المصعد الفضائي سيتطلب كابلا يبلغ طوله الإجمالي 96 ألف كيلومتر. ومن المتوقع أن يكون من الممكن التغلب على الصعوبات القائمة في ثلاثينيات القرن الحالي تقريبًا، وبعد ذلك سيبدأ التنفيذ العملي لمفهوم المصعد الفضائي.

ويدرس أوباياشي بالفعل إمكانية إنشاء مقصورات سياحية خاصة مصممة لاستيعاب ما يصل إلى 30 راكبًا. بالمناسبة، ستستغرق الرحلة إلى المدار عبر كابل مصنوع من أنابيب الكربون النانوية سبعة أيام، لذلك سيتعين توفير أنظمة دعم الحياة الضرورية وإمدادات الغذاء والماء.

ويتوقع أوباياشي إطلاق المصعد الفضائي بحلول عام 2050 فقط.

مصعد الفضاء من مجموعة LiftPort

لن تصبح الأرض فقط هي الشيء الذي سيتم فيه بناء مثل هذا المصعد. وفقا لمجموعة من الخبراء من شركة LiftPort Group، قد يكون القمر بمثابة هذا الكائن.

أساس المصعد الفضائي القمري هو كابل شريطي مسطح مصنوع من مواد عالية القوة. ستسافر جندول النقل على طول هذا الكابل إلى سطح القمر والعودة لتوصيل الأشخاص، مواد متعددةوالآليات والروبوتات.

سيتم الاحتفاظ بالنهاية "الفضائية" للكابل بواسطة محطة الفضاء PicoGravity Laboratory (PGL) الموجودة عند نقطة L1 Lagrange في نظام Moon-Earth، وهي النقطة التي تلغي فيها جاذبية القمر والأرض بعضها البعض. على القمر، سيتم توصيل نهاية الكابل بمحطة Anchor Station، الواقعة في منطقة Sinus Medi (تقريبًا في منتصف "وجه" القمر الذي ينظر إلى الأرض) وجزء من البنية التحتية لمصعد الفضاء القمري.

سيتم تنفيذ شد كابل المصعد الفضائي بواسطة ثقل موازن، والذي سيتم تثبيته بواسطة كابل أرق يبلغ طوله 250 ألف كيلومتر، والذي سيكون بالفعل تحت رحمة الجاذبية الأرضية. سيكون للمحطة الفضائية لمختبر PicoGravity هيكل معياري، مشابه لهيكل محطة الفضاء الدولية الحالية، مما سيسمح بتوسيعها بسهولة وإضافة عقد إرساء تسمح لأنواع مختلفة من المركبات الفضائية بالالتحام بالمحطة.

الهدف الرئيسي من هذا المشروع ليس بناء المصعد الفضائي نفسه. سيكون هذا المصعد مجرد وسيلة لتوصيل المركبات الآلية إلى القمر، والتي ستقوم بشكل مستقل بتعدين المعادن المختلفة، بما في ذلك المعادن الأرضية النادرة والهيليوم 3، وهو وقود واعد لمفاعلات الاندماج النووي الحراري المستقبلية، وربما وقودًا لـ سفن الفضاءمستقبل.

"للأسف، هذا المشروعحتى الآن، من المستحيل عمليا بسبب عدم وجود أشخاص في العديد من التقنيات الرئيسية. لكن البحث في معظم هذه التقنيات مستمر منذ بعض الوقت، ومن المؤكد أنه سيأتي وقت ينتقل فيه بناء مصعد فضائي من فئة الخيال العلمي إلى عالم الأشياء الممكنة عمليا.

يعد متخصصو LiftPort Group بإجراء تصميم عملي ومفصل للهيكل بحلول نهاية عام 2019.

"مركبة الكواكب العامة"

دعونا نفكر في مشروع يسمى المركبة الكوكبية العامة (GVT). تم طرحه وإثباته من قبل المهندس أناتولي يونيتسكي من غوميل.

في عام 1982، نُشر مقال في مجلة "التكنولوجيا للشباب" يدعي فيه المؤلف أن البشرية ستحتاج قريبًا إلى مركبة جديدة بشكل أساسي قادرة على توفير النقل على طريق الأرض-الفضاء-الأرض.

وفقًا لـ A. Yunitsky، فإن GPV عبارة عن عجلة مغلقة يبلغ قطرها العرضي حوالي 10 أمتار، وترتكز على جسر علوي خاص مثبت على طول خط الاستواء. ويتراوح ارتفاع الجسر، حسب التضاريس، من عدة عشرات إلى عدة مئات من الأمتار. يتم وضع الجسر على دعامات عائمة في المحيط.

يوجد في قناة مغلقة تقع على طول محور جسم GPV حزام لا نهاية له يحتوي على تعليق مغناطيسي وهو نوع من دوار المحرك. يتم إحداث تيار فيه، والذي سوف يتفاعل مع التيار الذي ولده. حقل مغناطيسيوالشريط الذي لا يواجه أي مقاومة (يتم وضعه في الفراغ) سيبدأ في التحرك. بتعبير أدق، في الدوران حول الأرض. عند الوصول إلى سرعة الهروب الأولى، سيصبح الشريط عديم الوزن. مع مزيد من التسارع، ستبدأ قوة الطرد المركزي من خلال التعليق المغناطيسي في ممارسة قوة رفع رأسية متزايدة باستمرار على جسم GPV حتى توازن كل متر طولي منه (ستبدو المركبة وكأنها عديمة الوزن - لماذا لا تكون سفينة مضادة للجاذبية ؟).

يتم وضع البضائع والركاب في مركبة مثبتة على الجسر مع حزام علوي تم لفه مسبقًا بسرعة 16 كم / ثانية، ويبلغ كتلته 9 أطنان لكل متر، وهو نفس الحزام السفلي تمامًا، ولكنه ثابت بلا حراك. يتم ذلك بشكل رئيسي داخل جسم GPV وجزئيًا خارجه، ولكن بحيث يتم توزيع الحمل ككل بالتساوي. بعد تحريرها من المقابض التي تمسك GPV على الجسر، سيبدأ قطرها في النمو ببطء تحت تأثير قوة الرفع، وسيرتفع كل متر خطي منه فوق الأرض. وبما أن شكل الدائرة يتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة، فإن السيارة، التي قامت بنسخ ملف تعريف الجسر مسبقًا، ستأخذ شكل حلقة مثالية بعد الرفع.

يمكن ضبط سرعة صعود السيارة على أي جزء من المسار على نطاق واسع: من سرعة المشاة إلى سرعة الطائرة. تمر السيارة عبر القسم الجوي بسرعات دنيا.

وفقًا لأناتولي يونيتسكي، فإن الوزن الإجمالي لـ GPV سيكون 1.6 مليون طن، والقدرة الاستيعابية - 200 مليون طن، وقدرة الركاب - 200 مليون شخص. العدد المقدر لعمليات السير في الفضاء GPV على مدى خمسين عامًا من الخدمة هو 10 آلاف رحلة.

خاتمة

هناك العديد من مشاريع المصاعد الفضائية، وكلها تختلف قليلاً عما اقترحه أرتسوبانوف، لكن العلماء الآن يفترضون أن مواد الأنابيب النانوية ستصبح متاحة.

سيحدث المصعد الفضائي ثورة في صناعة الفضاء من خلال توصيل الأشخاص والبضائع إلى المدار بتكلفة أقل بكثير من مركبات الإطلاق التقليدية.

دعونا نأمل أنه في النصف الثاني من القرن الحادي والعشرين، ستبدأ المصاعد الفضائية في العمل خارج الأرض: على القمر والمريخ وأماكن أخرى النظام الشمسي. ومع تطور التكنولوجيا، سوف تنخفض تكاليف البناء تدريجيا.

على الرغم من أن هذه المرة تبدو بعيدة وغير قابلة للتحقيق، إلا أن الأمر يعتمد علينا كيف سيكون المستقبل ومدى سرعة ظهوره.