Kosmoselift

Kosmoselift on hüpoteetiline transpordisüsteem, mida on võimalik kasutada maapinnalt orbiidile jõudmiseks. Selle põhiliseks komponendiks on ribasarnane kaabel, mille üks ots on kinnitatud maapinnale ja teine ots on viidud maakerast nii kaugele, et sellele mõjuv tsentrifugaaljõud on gravitatsioonist suurem. Kosmoses oleva otsa külge kinnitatakse vastukaal, mis hoiab kaablit pingul. Spetsiaalsete liftide abil on võimalik mööda sellist kaablit kosmosesse jõuda.
Erinevalt heitesilmusest pole tänapäevaste materjalidega võimalik kosmoselifti ehitada. Selleks vajalik kaabel puruneks iseenda raskuse all, kuna sellise kaabli pikkuseks peaks olema vähemalt 36 800 km ehk geostatsionaarse orbiidi kõrgus.
Kosmoseliftide füüsika.
Gravitatsioon ja tsentrifugaaljõud.
Kosmoselifti kaabel pöörleb koos maakeraga. Kaabli külge kinnitatud objektidele mõjub lisaks Maa poole suunatud gravitatsioonijõule ka maakerast eemale suunatud tsentrifugaaljõud. Geostatsionaarsest orbiidist kõrgemal on kehadele mõjuv tsentrifugaaljõud gravitatsioonijõust suurem.
Näiv gravitatsioon, mis tekib gravitatsioonijõu ja tsentrifugaaljõu liitumisel:
Maakera poole suunatud gravitatsioon on kaugemal nõrgem: formula_1
Maast eemale suunatud tsentrifugaaljõud, mis on tingitud maakera pöörlemisest, suureneb kõrguse kasvades: formula_2
Nende jõudude liitmisel saadakse näiv gravitatsioon:
formula_3
kus
"g" – näiv gravitatsioon, suunatud kas mööda kaablit Maa poole või Maast eemale (m s−2),
"a" – tsentrifugaaljõust tingitud kiirendus kaablit mööda Maast eemale (m s−2),
"G" – gravitatsioonikonstant (m3 s−2 kg−1)
"M" – maakera mass (kg)
"r" – kaugus vaadeldava punkti ja maakera keskpunkti vahel (m),
"ω" – Maa pöörelmiskiirus (radian/s).
Mööda kaabli üles liikudes leidub kõrgus, mille korral on Maa poole suunatud gravitatsioonijõud ja Maast eemale suunatud tsentrifugaaljõud tasakaalus, ning kaabli külge kinnitatud esemed ei koorma kaablit. See on geostatsionaarne orbiit, kus üks ring ümber maakera võtab täpselt ühe ööpäeva. See kõrgus sõltub planeedi massist ja pöörlemiskiirusest. Kui seada gravitatsiooni ja tsentrifugaaljõud mõlemas valemis võrdseks, siis saab tuletada:
formula_4
Maakeral on see kõrgus 35 786 kilomeetrit.
Kaabel.
Suurim takistus kosmoselifti ehitamisel on piisavalt tugeva kaablimaterjali leidmine. Praegu saadaolevate materjalidega pole võimalik kosmoselifti ehitada, sest kaabel peab olema nii tugev, et suudab üleval hoida enda raskust geostatsionaarselt orbiidilt. Kaabli ehituseks vaja mineva materjali tõmbetugevuse ja tiheduse suhe peab olema väga suur. Näiteks Edwards'i kosmoselifti plaani järgi kosmoselifti ehitamiseks oleks vaja kaablimaterjali, mille tõmbetugevuse ja kaalu suhe on 100 000 kN/kg. Keskelt mittelaienev kaabel peaks merepinna kõrgusel olevas gravitatsiooniväljas suutma üleval hoida 4960 km pikkuse sama kaablisekstiooni kaalu.
Võrdluseks, titaanist, terasest või alumiiniumisulamist kaabel suudaks merepinna kõrgusel hoida üleval 20–30 km pikkust sama kaablilõigu jagu kaalu.
Kevlar, klaaskiud, süsinik/grafiidiribadest kaabel suudaks üleval hoida 100–400 km kaabli jagu kaalu.
Teoreetiliselt on võimalik luua süsiniknanotorudest või näiteks grafeenilehtedest kaableid, mis suudaks üleval hoida 5000–6000 km jagu iseenda kaalu.
Liftid.
Enamik kosmoseliftide tehnilisi lahendusi kasutab paigal püsivat kaablit ja masinaid, mis liiguvad mööda kaablit. Üheks suureks takistuseks liikuva kaabli kasutamisel võib olla vajadus teha kaabel keskelt laiemaks.
Kui masin kaablit mööda üles ronib, siis lisaks kõrguse kasvamisele suureneb ka kiirus, millega see Maa keskpunkti suhtes liigub.
Vastukaal.
Et kosmoselift üleval püsiks, peab selle massikese olema kõrgemal geostatsionaarsest orbiidist. Sellist olukorda on kõige lihtsam luua kasutades vastukaalu.
Kui kasutada vastukaaluna kaablit, siis on võimalik viia laadung nii kaugele, et kui see lahti lasta, lendab see Maa mõjupiirkonnast välja, planeetidevahelisse ruumi.
Ehitus.
Kosmoselifti ehitamiseks oleks vaja viia kaabel kokkukerituna geosünkroonsele orbiidile ja hakata seda alla kerima. Kui kaabli ots jõuab maapinnani, siis kinnitatakse selle üks ots ekvaatori lähedale, teisele otsale aga lisatakse massi ja see viiakse geostatsionaarsest orbiidist kaugemale.
Üks ettepanek on luua alguses võimalikult kerge kaabliga lift, viies alustuseks üles 20 tonni kaaluv kaabel, mida mööda oleks võimalik ronida 620 kg kaaluvate masinatega, mis omakorda viivad üles veel kaablit, laiendades esialgse riba kõige laiemast kohast 160 mm laiuseks. Tulemuseks oleks 750 tonni kaaluv kaabel, mida saaksid kasutada 20-tonnised kosmoseliftid.
Maavälised kosmoseliftid.
Kosmoselifti on võimalik ehitada ka teistele planeetidele, kuudele või asteroididele.
Näiteks on tänapäevaste materjalidega võimalik ehitada kosmoselift Marsile, kuna Marsi pinnal on gravitatsioon umbes 2,6 korda väiksem, samas kui ümber oma telje pöörleb see umbes sama kiiresti kui Maa. Marsi statsionaarne orbiit on Marsi pinnale palju lähemal ja on võimalik ehitada palju lühem lift. Ainukeseks takistuseks on Marsi kuu Phobos, mille orbiit on väga madal ja käib regulaarselt üle ekvaatori.
Ka on võimalik ehitada kosmoselift Kuule, kasutades Lagrange'i punkte või pannes lifti Maalt vaadates teisele poole kuud. Selline lift peaks küll olema väga pikk, kuid samuti tehtav tänapäevaste materjalidega, kuna sellele mõjuv gravitatsioon on väiksem.
Mõttekus.
Kosmoselift on majanduslikult mõttekas ainult siis, kui on vaja piisavalt suures koguses materjali Maa orbiidile saata.
Rakette kasutades maksab kilogrammi laadungi orbiidile toimetamine 4000 – 40 000 dollarit kg kohta (mida suurem rakett, seda rohkem). See hinnavahemik pole viimaste aastakümnete jooksul muutunud. Kosmoseliftiks vajalike materjalide väljatöötamise ja ehitamise hind ulatuks kümnetesse miljarditesse dollaritesse, samas ühe kilogrammi kosmosesse saatmise hind jääks sadade dollarite piirkonda.
2012. aasta jooksul lasti Maa orbiidile 78 raketti. Võttes ühe raketi laadungi suuruseks 9000 kg, on kokku aastas orbiidile viidavat materjali 700 tonni, geostatsionaarsele orbiidile oleks võimalik samu rakette kasutades viia umbes 350 tonni. Arvestades keskmiseks laadungi orbiidile toimetamise hinnaks 10 000 USD/kg kohta, kulutatakse laadungite kosmosesse viimiseks 7 miljardit dollarit aastas. Edwardsi plaani järgi ehitatava kosmoselifti hinnaks on arvestatud umbes 20 miljardit dollarit, kui jätta välja kaablimaterjali väljatöötamise kulud. Selline lift suudaks toimetada geostatsionaarsele orbiidile 15 000 kg päevas. Kui taoline lift töötaks enne purunemist viis aastat täisvõimsusel, siis maksaks kilogrammi laadungi orbiidile toimetamine 1000 USD/kg: 750 dollarit lifti ehitamiseks ja hooldamiseks ning 250 dollarit liftile laserite abil elektrienergia toimetamiseks, eeldades energiaülekandesüsteemi efektiivsuseks pool protsenti.
Kuna geostatsionaarse orbiidi kõrgus on 36 800 kilomeetrit, siis kuluks 300 km/h liikuval liftil geostatsionaarse orbiidi kõrgusele jõudmiseks viis päeva. Lisaks läbib kosmoselift ka Van Alleni kiirgusvööndi, mis tähendab, et kui transportida reisijaid, tuleb neid veel eraldi radiatsiooni eest varjestada.
Kosmoselifti kaablile kujutab veel ohtu kosmoseprügi, sest iga ese, mille trajektoori alumine osa jääb kosmoselifti kõrgusest allapoole, võib varem või hiljem kosmoselifti kaabliga kokku põrgata.