Ruimtehysbak

'n Ruimtehysbak is 'n teoretiese metode om voorwerpe via 'n kabel in die ruimte in te stuur, sonder om van 'n vuurpyl gebruik te maak.

Geskiedenis 
Die Russiese wetenskaplike Konstantin Tsiolkovski is geïnspireer deur die Eiffeltoring. In 1895 het hy gedink dit is moontlik om 'n toring te bou wat na die ruimte kan reik. Hy verbeel hom 'n geostasionêre "ruimtevesting" wat in die ruimte sal wees, en met 'n kabel aan die aarde gekoppel is. Van die aarde af kan 'n toring dan langs die kabel gebou word tot op die hoogte van die "ruimtekasteel" op 35 800 kilometer.

Algemene beskrywing 
Die ruimtehysbak is 'n "hysbak" van die aarde na die ruimte. 'n Lang kabel kom vanaf die ewenaar in die ruimte in, waarlangs voertuie kan opbeweeg. Die beginsel is gebaseer op 'n balans tussen swaartekrag en sentrifugale krag. Die swaartekrag van die aarde neem kwadraties af met die afstand vanaf die aarde. As 'n massa met 'n konstante rotasiesnelheid draai, neem die sentrifugale krag lineêr toe met die afstand van die massa. As die massa beweeg teen die rotasiesnelheid van die aarde, word swaartekrag en sentrifugale krag op 'n geostasionêre hoogte gebalanseer (35 786 km bo die ewenaar).

Die deel van die kabel wat onder die geostasionêre hoogte is, ondervind 'n netto krag van die aarde. Die deel van die kabel bo die geostasionêre hoogte ondervind 'n krag vanaf die aarde. As die kabel lank genoeg is, word die netto krag van die totale kabel van die aarde af gerig en is daar 'n reaksiekrag (trek) wanneer die kabel aan die ewenaar geanker word. Die stelsel is dus vertikaal gebalanseer.

Tipes ruimtehysbakke sonder kabels 
Op die oomblik is hysbakke met kabel die enigste ruimtehysbakke wat aktief ondersoek word en wat kommersieel interessant is. Daar is egter twee ander soorte ruimtehysbakke sonder 'n kabel, naamlik die ruimtefontein en die drukstruktuur ('n struktuur wat regop bly as gevolg van interne druk).

Ruimtefontein 
Die ruimtefontein is 'n toring wat deur elektromagnetiese kragte bymekaar gehou word. Onder die toringstruktuur is 'n elektromagnetiese "katapult" wat gelaaide deeltjies vertikaal in die toring vrystel. Hierdie deeltjies gaan dan die hele toring in en bots met die plafon om terug te keer deur 'n omgekeerde magnetiese veld aan die bokant van die toring. Op hierdie manier sou die toring regop bly as gevolg van die kinetiese energie van die deeltjies. So 'n toring kan honderde kilometers hoog wees. Anders as 'n kabelkar, hoef hierdie ruimtefontein nie noodwendig op die ewenaar te wees nie, maar 'n konstante kragtoevoer is nodig om die toring regop te hou.

Drukstruktuur 
Drukstrukture is gebaseer op dieselfde beginsel as lugmaste (byvoorbeeld vir selfone), hulle sal regop bly as gevolg van 'n groot interne druk. Hierdie torings kan die amptelike ruimtehoogte (100 km) bereik, maar bereik nooit die geostasionêre wentelbaan (35 786 km) nie. Om dus by die geostasionêre baan te kom, moet 'n konvensionele aandrywing gebruik word.

Algemene struktuur van 'n ruimtehysbak

Die grondstrukture 

Daar is twee verskillende soorte grondkomplekse wat 'n kabel kan "akkommodeer". Daar is bewegende komplekse en vaste komplekse. Die bewegende komplekse is groot drywende seeplatforms. Lugplatforms is ook voorgestel, maar is minder realisties. Vaste platforms moet optimaal op hoë hoogtes gebou word, soos aan die bopunt van 'n hoë berg, maar moet ook op die ewenaar gebou word om ideaal te werk.

Bewegende platforms het die voordeel dat hulle kan beweeg en sodoende storms, satelliete, meteoriete of ruimterommel kan vermy. Vaste platforms het die voordeel dat hulle makliker goedkoop energie kan vind en dat die kabel korter kan wees (dit is slegs 'n paar kilometers, maar dit het groot gevolge vir die sterkte en dikte van die kabel).

Die kabel 

Die kabel moet bestaan uit uiterste weerstandige materiaal wat baie groot druk (hier, eintlik, aantrekkingskrag) moet kan weerstaan, naamlik ongeveer 65 GPa (gigapascal). Ter vergelyking: die meeste stale kan nie eens 1 GPa weerstaan nie, en kwarts en diamant slegs 'n maksimum van 20 GPa. Dit is waarom koolstofnanobuise gebruik sal moet word. Hulle kan tot 300 GPa teoreties verdra. 'n Verdraagsaamheid van tot 60-63 GPa is reeds in laboratoriums bereik. Die meeste ontwerpe gebruik nanobuise met net een wand, maar nanobuise met veelvuldige wande kan ook gebruik word. Dit verhoog die druk wat verdra kan word, maar die gewig vermeerder vinniger per addisionele wande as die druk wat weerstaan moet word.

Die probleem is dat die koste van nanobuise op die oomblik geweldig hoog is, en die kosprys sal moet daal om dit ekonomies moontlik te maak.

Die hysbak self 
Die ruimtehysbak sal nie 'n hysbak met bewegende  kabels wees nie, soos met 'n kabelkar nie, omdat die kabel dikker in die middel moet wees as aan die ente, ten einde die druk te weerstaan. Dus sal die kajuit self langs die kabel moet beweeg. Die meganisme wat hiervoor gebruik moet word, is nog nie ontwerp nie (die kajuit kan honderde ton weeg). Energie is nodig om die hysbakke aan te dryf. Omdat energiebesparing vir 'n hele rit op of af onmoontlik is (die batterye neem baie ruimte in beslag), sal ander metodes gebruik moet word, soos lasers wat die kajuit vir die hele rit volg en gebruik maak van die energie wat opgewek word deur 'n kajuit wat afgaan.  Daar is baie ander moontlike metodes.  Verskillende soorte hysbakke is moontlik: hysbakke wat net langs die kabel opgaan en dan afsluit en weer na die aarde terugkeer (swaartekrag), of hysbakke wat op en af gaan (dit is tegnologies moeiliker omdat sommige dele van die kabels swakker is as ander en daarom sal 'n baie stiptelike koördinasie nodig wees vir die hysbakke).

Die teengewig 

Daar is twee realistiese metodes om 'n teengewig te skep om swaartekrag teen te werk:

'n Baie swaar voorwerp soos 'n asteroïde wat dan kunsmatig op 'n geostasionêre baan geplaas word, en aan die kabel geheg word. 

Deur die kabel baie langer te maak, sodat 'n groter deel van die kabel 'n groter krag ondervind as gevolg van die rotasie van die aarde as swaartekrag, en daarom val die kabel nie op die aarde nie.

Laasgenoemde metode word as meer interessant beskou, omdat aan die einde van so 'n lang kabel 'n enorme sentrifugale krag sou ontstaan wat gebruik kan word om ruimtetuië teen 'n geweldige snelheid na ander planete te lanseer sonder om van groot hoeveelhede brandstof gebruik te maak.

Ander moontlike ruimtehysbakprojekte 
Dit sou ook byvoorbeeld moontlik wees om 'n ruimtehyser op Mars te bou. Die voordeel is dat die kabel baie minder sterk en baie korter kan wees omdat Mars 'n aantrekkingskrag het wat slegs 38% van dié van die aarde is. Mars het egter die probleem dat die kabel kan bots met die naaste maan van Mars (Fobos).

Daar is ook moontlikhede om 'n ruimtehysbak op die maan te bou. Alhoewel die aantrekkingskrag na die maan slegs 1/6 van die aarde is, moet die kabel heelwat langer wees, aangesien die maan baie stadiger op sy as draai en die sentrifugale krag dus baie kleiner is.

Een van die voordele van 'n ruimtehyser op die maan kan wees ten einde die ontginning van helium-3 wat daar voorkom, moontlik te maak. Drie ruimtepedeltuie gevul met helium-3 sou voldoende wees om die hele aarde energie te verskaf deur kernfusie vir 'n jaar. Hiervoor moet die probleem van energievoorsiening met kernfusie egter eers opgelos word.

Venus is teoreties ook 'n kandidaat, maar as gevolg van die hoë temperatuur sal dit moeilik wees om dit te laat werk.

Die bou van 'n ruimtehysbak 
Die bou van 'n ruimtehysbak sou 'n reuse-projek wees wat groot vooruitgang in onder meer bou- en fisiese tegnologie vereis. NASA het vyf belangrike tegnologieë geïdentifiseer vir toekomstige ontwikkeling van ruimtehysbakke:
Die materiaal vir die kabel (bv. Beter koolstofnanobuise en nanotegnologie) 
Kontrole en installeering van die kabel 
Toringbou-tegnologie 
Elektromagnetiese aandrywing (bv. Magnetiese levitasie) 
Ruimte-infrastruktuur en ontwikkeling van die ruimte-industrie en ekonomie

Tradisionele bouvoorstel 
Die eerste plan behels om die hele massa van die ruimtehysbak in die ruimte in te stuur, dit in 'n geostasionêre wentelbaan te plaas en dan die kabel geleidelik na die aardoppervlak af te rol, totdat swaartekrag gelyk is aan die sentrifugale krag. Dit sal die kabel gebalanseerd hou. Hierdie metode sou egter baie duur wees as gevolg van die honderde of selfs duisende vuurpyle wat gelanseer sou moet word om die hele massa van die kabel die ruimte in te stuur.

Brad Edward se metode 
Bradley C. Edwards, wat vroeër direkteur van die ISR (Instituut vir Wetenskaplike Navorsing) was, is een van die belangrikste wetenskaplikes wat aan die ruimtelike hysbak gewerk het. Sy metode is om eers 'n dun kabel in die ruimte in te stuur (ongeveer die dikte van 'n haar) wat slegs 20 ton sou weeg (as gevolg van die enorme lengte van die kabel) en wat dan op die tradisionele manier geplaas sou word. Dan sou 'n tweede papierdun kabel oprig en langs die eerste kabel geplaas word. En langs die kabel, wat nou twee keer so dik sou wees, sou nog 'n dikker kabel oprig word totdat die kabel dik en sterk genoeg is om hysers op te lig. Terwyl 20 ton na baie klink, sal die eerste kabel slegs 0,2 kilogram per kilometer weeg. Telefoonkabels byvoorbeeld weeg byvoorbeeld 4 kilogram per kilometer.

Risikos en veiligheid 
Soos met enige projek, kan 'n aantal dinge verkeerd gaan. Hier is 'n paar:

Satelliete 

As niks gedoen word nie, sou 'n groot deel van die satelliete uiteindelik met die ruimtehysbak bots. Natuurlik kan die meeste aktiewe satelliete hul koers met 'n paar grade verander, maar die satelliete wat nie meer in gebruik is nie, kan met die kabel bots. Daarom sou hulle daardie satelliete vooraf wegneem of hulle almal van naby volg en hulle onderskep as hulle in die wentelbaan van die ruimtehysbak kom. Ruimterommel sal ook 'n groot risiko inhou vir 'n ruimtehysbak.

Meteoroïdes en mikrometeoroïdes  
Meteoroïde is 'n potensieële groot risiko, omdat dit onmoontlik is om almal so te karteer dat hulle gestop sou kon word. As gevolg hiervan, moet die ruimtehyser voortdurend herstel word. Maar selfs 'n groter probleem as die meteoroïede is die risikos van mikrometeoroïdes, wat baie klein deeltjies is wat teen 'n baie hoë snelheid in die ruimte rondvlieg. Daar is reeds teoretiese maniere om te verseker dat die kabel sou hou.

Die weer 
Wind en weerlig speel ook 'n rol in die atmosfeer. Die grondgebou moet in 'n stabiele omgewing gebou word. As daar storms is, moet die kabel in staat wees om te beweeg om die impak daarvan te versag. Weerlig kan vermy word deur van 'n nie-geleidende kabel gebruik te maak.

Sabotasie 
Sabotasie moet ook as 'n risiko in ag geneem word. Terroriste kan die ruimtehysbak saboteer en miljarde dollar se skade aanrig. Om sabotasie te voorkom, moet die grondgebou in 'n relatiewe veilige gebied gebou word en sterk beveilig wees.

Vibrasies 
Die ruimtehysbak kan begin vibreer soos vioolsnare terwyl die hysbak self op en af gaan. Dit kan die sterkte van die kabel ondermyn. Dit kan vermy word deur die hysbak se op en af bewegings presies te koördineer sodat die vibrasies nie 'n sekere waarde oorskry nie.

Kabelbreuke 
Die breek van die kabel kan op twee plekke plaasvind, naamlik op die  aarde en in die ruimte. As die kabel op die aarde breek, sal die res van die kabel tesame met die teengewig voortgaan om van die aarde af weg te vlieg na 'n hoër wentelbaan om die aarde, sodat die balans tussen swaartekrag en die sentrifugale krag herstel word. As die kabel in die ruimte breek, val 'n deel daarvan terug na die aarde as dit nie in die atmosfeer disintegreer nie. Die ander deel sal weer om die aarde wentel totdat die balans tussen die kragte herstel is.

Van Allen-gordels 

Omdat die hysbak stadig sal beweeg, sal mense te veel tyd in die Van Allen-gordels deurbring en dit kan radioaktiewe skade aan enige onbeskermde lewende wese veroorsaak. Ons kan onsself nie met lood daarteen beskerm nie, want as protone en elektrone met hoë energie bots met swaar atome, veroorsaak dit  x-strale. Mense moet dus beskerm word  met materiaal wat bestaan uit ligte elemente soos water (dit bevat baie waterstof) of sekere soorte plastiek. Dit sal mense ook voldoende beskerming bied teen die son se x-strale.

Ekonomiese uitvoerbaarheid 
Deur 'n ruimtehysbak sou die mensdom materiale in die ruimte kon instuur teen 'n koste wat baie keer laer sou wees as die huidige lanseerkoste per kilogram. Vandag kos dit duisende dollars om 'n kilogram in 'n lae wentelbaan om die aarde te plaas en ongeveer VSA$ 20 000 per kilogram om 'n voorwerp in 'n geostasionêre wentelbaan te kry. Om 1 kilogram na 'n geostasionêre wentelbaan met die ruimtehysbak te neem, sou nie veel meer as 'n paar honderd dollar kos nie, en waarskynlik op die langtermyn selfs heelwat minder.

Politieke haalbaarheid 
'n Potensiële probleem met die ruimtehysbak is die eienaarskap daarvan. Slegs die lande wat in die projek belê het, sal toegang hê tot die ruimtehysbak, wat tot politieke en militêre wanbalanse tussen state sal lei. 'n Ander probleem is dat die eerste ruimtehyser 'n monopolie op die ruimtemark sal hê. Die installering van 'n ruimtehysbak sal ook die vernietiging van verskeie ander satelliete noodsaak om botsings te vermy, en dit sal ander gebruikers benaadeel. Dan is daar ook die probleem van terrorisme, want die hysbak sal besonder kwesbaar wees.

Verwysings 

Ruimtevaart