מעלית חלל

תכנונים ראשוניים

הרעיון של מעלית חלל הופיע לראשונה ב-1895 כאשר מדען רוסי בשם קונסטנטין ציאולקובסקי בהשראת מגדל אייפל בפריז חשב על מגדל שמגיע כל הדרך לחלל. הוא דמיין מצודה שמיימית בסופו של הכבל הדק הנעה סביב כדור הארץ במסלול גיאוסטציונרי. המגדל יבנה מהאדמה לגובה של 35,800 קילומטרים (מסלול גיאוסטציונרי). הערות מניקולה טסלה רומזות שגם הוא הגה את רעיון המגדל והערותיו נשלחו אחרי תקופת מסך הברזל לאחר מותו.
מגדלו של טסיולקובסקי יהיה מסוגל לשלוח עצמים למסלול ללא טיל. מהרגע שבו המעלית תשיג מהירות מסלולית כאשר תנוע על-גבי הכבל, עצם שישוחרר מראש המגדל יהיה גם הוא בעל מהירות מסלולית הנדרשת כדי להשאר במסלול גיאוסטציונרי.

המאה ה-20

בנייה מהקרקע מעלה הוכחה כמשימה בלתי אפשרית: אין חומר קיים בעל כוח דחוס מספיק כדי לתמוך במשקלו תחת תנאים כאלו. לקח עד 1957 בשביל עוד מדען רוסי, יורי נ. ארטסוטאנוב, כדי להגות תוכנית ישימה יותר לבניית מגדל חלל. ארטסוטאנוב הציע להשתמש בלווין גיאוסטציונרי כבסיס ממנו יבנה המגדל. באמצעות שימוש במשקל נגד, כבל יורד ממסלול גיאוסטציונרי לפני השטח של כדור הארץ בעת שמשקל הנגד משתרע מהלוויין אל מחוץ לכדור הארץ ומרכז המסה של הכבל ישמר ללא תנועה ביחס לכדור הארץ. ארטסוטאנוב פרסם את הרעיון שלו במוסף יום ראשון של קומסומולסקאיה פרבדה ב-1960.
עשיית כבל באורך של למעלה מ-35,000 קילומטרים זאת משימה קשה. ב-1966 ארבעה מהנדסים אמריקאיים החליטו לקבוע איזה סוג של חומר יהיה נדרש כדי לבנות מעלית חלל, בהנחה שזה יהיה כבל ישר ללא שוני בקטע ההצטלבות שלו. הם מצאו שהכוח הנדרש הוא כפול פי שניים מהכוח של כל חומר קיים, כולל גרפיט, קוורץ ויהלום.
ב-1975 מדען אמריקני נוסף, ג'ירום פירסון, תיכנן קטע הצטלבות מתחדד שיתאים יותר לבניית המגדל. הכבל המוכן יהיה עבה במרכז המסה שלו, היכן שהמתיחה היא עצומה, ויהיה צר יותר בקצה כדי להוריד את סכום המשקל שהמרכז צריך לתמוך בו.
בספרו מסוגת המדע הבדיוני משנת 1997, "3001: האודיסאה הסופית", מתאר ארתור סי. קלארק ארבע מעליות חלל כאלו שמגיעות אל טבעת במסלול הגאוסטציונרי (שהוא עצמו הביא לעין הציבור, אגב, בשנת 1945)  שמשמשת כתחנת חלל מאסיבית.

המאה ה-21

לאחר פיתוח ננו צינוריות הפחמן בשנות ה-90, דייוויד סמיתרמן, מהנדס של נאס"א, הבין שחוזקם של החומרים הללו עשוי להתאים, ושרעיון מעלית החלל בר ביצוע.
בעקבות כך הוא פתח קורס במרכז מרשל, זימן מדענים ומהנדסים שדנו ברעיונות חדשים ותכנונים מודרניים של המעלית כדי להפוך את הרעיון למציאות. הוא פרסם את המאמר "מעליות חלל: תשתית מתקדמת בין ארץ לחלל במילניום החדש"", (Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium) שכלל מידע על עבודתו ורעיונותיו כדי להשיג תרומות ומימון לפיתוח הטכנולוגיות שהגה.
באותו זמן, מדען אמריקני נוסף בשם בראדלי אדוארדס, הגה רעיון ליצור רצועה באורך 100,000 ק"מ העשויה גם כן מננו צינוריות פחמן מרוכבות. השוני ברעיונות היה שבעוד סמיתרמן מציע כבל עגול, האחרון הציע כבל בעל מבנה של רצועה (פס) בטענה שצורה זו יעילה ועמידה יותר בפגיעות מטאוריטים.
בתמיכת המוסד לרעיונות מתקדמים של נאס"א (NASA Institute for Advanced Concepts), המשיך בראדלי לפתח את רעיונו ולעצב את תא המעלית, מערכת ההנעה הראשית, הימנעות מהתנגשות בפסולת חלל, מערכת עגינה, מערכת חמצן, הימנעות מפגיעות ברקים וסופות הוריקן על ידי הצבת תחנת הבסיס באזור קו המשווה במערב האוקיינוס השקט. בנוסף לכך אמד את עלות הבנייה, תיכנן את לוחות הזמנים לתכנון וביצוע הפרויקט כולו והתחשב בגורמי סיכון סביבתיים. העיכוב הארוך ביותר לרעיונו של אדוארדס נגרם ממגבלות הטכנולוגיה ליצור הרצועה עליה ינוע תא המעלית.
חישוביו הסתמכו על סיבים  מרוכבים של ננו צינוריות פחמן אפוקסי בעלי כושר מתיחה מינימלי של 130 ג'יגהפסקל (בחישוביו לקח מקדם ביטחון של 2). אולם, ניסויים שונים ורבים הצליחו להניב חומר בעל כושר מתיחה של עד 63 ג'יגהפסקל.
כדי לזרז את מימוש הרעיון של מעליות החלל, תומכי הרעיון מארגנים מספר תחרויות, בדומה ל-X-Prize, של פיתוח טכנולוגיות ועיצובים חדשים. ביניהן תחרות Elevator:2010 לעיצוב תא המעלית. ישנן תחרויות נוספות כמו Robolympics Space Elevator Ribbon Climbing competition ו-Centennial Challenges במימון נאס"א וגופים אחרים בהן המתחרים מעצבים ומפתחים את מערכות ההנעה הראשיות, ופיתוח של שיטות ייצור מתקדמות של הכבל וכו'.
במרץ 2005, הוכרז על שותפה לחברת Spaceward Foundation (המפעילה של תחרות Elevator:2010), בעקבות כך עלה סכום כלל הפרסים ל-400,000 דולר.
ב-2005, קבוצת ליפטפורט הודיעה שתבנה קטע ניסיוני של הכבל במפעלה בניו ג'רזי. למרות הצהרתה של ליפטפורט היא תוכל לייצר כבל באורך 100,000 ק"מ רק לאחר שתגייס מימון לניהול המחקר ופיתוח שיטות ייצור מתקדמות. ב-13 בפברואר 2006, קבוצת ליפטפורט הודיעה שבתחילת אותו חודש היא ייצרה מייל אחד ניסיוני מהכבל העשוי מסיבי פחמן מרוכבים ופיברגלס ברוחב 5 ס"מ ובעובי מ"מ אחד והועלתה לאוויר בעזרת בלונים.
בשנת 2007, Elevator:2010 כללה שתי תחרויות ששווי הפרס בכל אחת 500,000 דולר (מיליון דולר סה"כ) וכן פרס נוסף בסך 4 מיליון דולר לחמש שנים הבאות עבור פיתוחים טכנולוגיים הקשורים למעלית החלל. אף קבוצה לא ניצחה בתחרות עד כה, אך הקבוצה המייצגת את המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס הכניסה לתחרות מקטע מכבל פרי פיתוחה העשוי כולו מננו צינוריות פחמן. בנובמבר 2008, התקיימה ועידה ביפן כדי לקבוע לוחות זמנים עבור בניית מעלית החלל.
ב-2008, פורסם ביפנית הספר "עוזבים את הפלנטה במעלית חלל" ("Leaving the Planet by Space Elevator") על ידי דוקטור בראד אדוארדס ופיליפ רגן, ונכנס לרשימת רבי המכר ביפן. פרסום הספר הוביל להצהרה יפנית שכוונתה לבנות ולממש את רעיון מעלית החלל בעלות כוללת של 5 מיליארד דולר. בדיווחו של ליאו לואיס, כתב של עיתון הטיימס הבריטי, הוצגו התוכניות שנחשפו על ידי סואיצ'י אונו (Shuichi Ono), יו"ר אגודת מעלית החלל היפנית.

פיזיקה ומבנה

ישנם מספר תכנונים עבור תצורת מעלית החלל ואופן פעולתה. המשותף לכולם הוא תחנת הבסיס, הנמצאת על פני השטח של כוכב הלכת, כבל עליו נע תא הנוסעים ומסה המהווה משקל נגד בקצה הכבל.

קרעים בסמוך לנקודת העגינה

אם המעלית ניתקת בנקודת העוגן שלה על פני כדור הארץ, כוח חיצוני המופעל על ידי משקל הנגד יגרום למעלית  לעלות כלפי מעלה למסלול לא יציב בחלל.  הגובה הסופי של הקצה התחתון של הכבל המנותק תלוי בהתפלגות המסה של המעלית. בתאוריה, אפשר יהיה לחבר את המעלית שוב לנקודת העוגן שלה על פני כדור הארץ, אך עם זאת זה יהיה מבצע מסובך ביותר, שידרוש התאמה של מרכז הכובד של הכבל במטרה להביא אותו בחזרה אל פני השטח במיקום הנכון. במצב כזה עשוי להיות קל יותר לבנות מערכת חדשה.

קרעים בגבהים של 25,000 ק"מ ומעלה

אם ניתוק הכבל יתרחש בנקודה גבוהה יותר, מעל 25,000 ק"מ, החלק התחתון של המעלית ירד לכדור הארץ כשהוא עוטף את עצמו לאורך קו המשווה, ואילו החלק העליון יעלה למסלול גבוה יותר בחלל  . בכל אופן, ברוב התכנונים, החלק העליון של הכבל שייפול לכדור הארץ יישרף באטמוספירה.  בנוסף, בגלל שלכבלים המוצעים יש מסה נמוכה מאוד (בערך 1 ק"ג לקילומטר), והם שטוחים, קרוב לוודאי שהחלק התחתון של הכבל יונחת על כדור הארץ עם פחות כוח מפיסת נייר, בשל התנגדות האוויר בדרך למטה.