Vesmírný výtah

Vesmírný výtah? Žádná utopie.

Úvod.

Idea "schodů do vesmíru" je stará jako lidstvo samo. Dokládají to příběhy o Babylonské věži nebo o Jakubovu žebříku. Moderní koncept vesmírného výtahu (přesněji vesmírné věže) načrtl však až na konci devatenáctého století ruský génius Konstantin Ciolkovskij, později ho rozvinuli další sovětští a také američtí vědci. Prvním byl Jurij Arcutanov v roce 1960, který ho však publikoval jen v nedělní příloze sovětského deníku Pravda, zůstal tedy odbornou veřejností nepovšimnut. Do širšího povědomí odborné i laické veřejnosti koncept vesmírného výtahu uvedl až Američan Jerome Pearson, který nezávisle na předchozích autorech v roce 1975 publikoval moderní studii o výtahu v časopise Acta Astronautica<./p>

V tomto článku si uvedeme základní informace o vesmírném výtahu, jaký je jeho princip a jak vypadají plány na jeho uskutečnění. Projekt je v blízké době díky pokroku v nanotechnologiích realizovatelný a nepatří už jen do říše sci-fi. Soustředíme se především na navrhované způsoby řešení problémů spojených s jeho vybudováním a provozem. Vycházet budeme především ze závěrů doposud nejpodrobnější studie, kterou na objednávku NASA vypracoval Institute for Scientific Research pod vedením Dr. Edwardse. Konečný projekt se může samozřejmě lišit, avšak základní črty zůstanou s největší pravděpodobností velice podobné.

Ještě předtím však shrňme stručně o čem si budeme vyprávět:

Vesmírný výtah je zařízení, které podle současného tempa rozvoje technologií bude již zanedlouho realizovatelné a poskytne nám revoluční několika desítek až stonásobné zlevnění vynášení nákladu na oběžnou dráhu kolem Země a několika statisícinásobné zlevnění přepravy nákladu k blízkým planetám. Bude znamenat skutečný průlom v kosmickém věku a umožní skutečný průnik druhu Homo sapiens sapiens do vesmíru s enormním zlevněním všech technologických výdobytků založených na kosmickém průmyslu a s rozvojem dalších v budoucnu.

Fyzikální princip výtahu.

Princip je vcelku jednoduchý. Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem Země, musí mít dostatečnou oběžnou rychlost. Na povrchu Země se tato rychlost rovná tzv. první kosmické rychlosti, rovné cca 7,9 km/s, při které bude odstředivá síla působící na takové těleso rovna gravitační síle, kterou na něj působí Země. Čím výše jste nad povrchem Země, tím více slábne její gravitační přitažlivost a potřebná oběžná rychlost je nižší. V určité výšce pak nastane situace, kdy oběžná rychlost klesne natolik, že bude rovna rychlosti otáčení Země (zemského povrchu). Tato výška se nazývá geostacionární dráha a družice obíhající Zemi nad rovníkem po této dráze bude stále nad jedním místem na povrchu.

Obr.1: Vesmírný výtah v reálných proporcích.

Teď si představme, že z takovéhle družice spustíme na Zemi lano tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Část lana pod geostacionární dráhou bude gravitačně přitahovaná k Zemi (jelikož bude obíhat nižší rychlostí než je potřebná na vykompenzování gravitace), zatímco část lana nad geostacionární dráhou bude mít díky převažující odstředivé síle snahu od Země uniknout. Gravitační a odstředivá síla působící na celé lano tedy působí proti sobě. Lano tak při vhodné délce dokáže "levitovat" bez toho, že bychom museli použít dodatečný (např. raketový) pohon na to, aby lano zůstalo napnuté. Samozřejmě při vytahování nákladu po laně začne působit také dodatečná síla směrem k Zemi (jednak díky hmotnosti nákladu a vozidla, jednak na začátku díky jeho zrychlení). Pádu lana zabráníme tím, že lano ukotvíme na Zemi (na to má sloužit veliká pohyblivá platforma na způsob plovoucích ropných plošin) a těžiště lana (závislé především na délce lana nad geostacionární dráhou a vzdálenosti a hmotnosti protiváhy úplně na konci lana) posuneme o něco výš než je geostacionární dráha. Výsledkem bude, že celková odstředivá síla působící na lano bude o něco větší než gravitační přitažlivá síla a lano bude mít slabou tendenci uniknout od Země. Bude postačovat velice malý rozdíl těchto sil, řekněme několik desítek tun (závisí na projektované nosnosti výtahu). Bez problémů pak můžeme vytahovat náklad bez hrozby pádu nebo namotání lana na Zemi, jelikož tahle přebytečná odstředivá síla ho bude neustále udržovat ve stabilní pozici.

Tím se vyřeší také problém s tzv. Coriolisovou sílou, která bude působit na pohybující se náklad a tedy i na lano. Coriolisova síla působí na vytahovaný nebo klesající náklad díky tomu, že s výškou se mění oběžná rychlost nákladu - čím výše se náklad nachází, tím vyšší oběžnou rychlost na výtahu má. Tuhle rychlost při výstupu mu však musí lano dodat (při klesání odebrat) a tedy náklad bude na lano působit sílou kolmou na lano (z energetického hlediska je vesmírný výtah zařízení využívající rotační energii Země). Coriolisova síla je však velice malá a způsobí pouze jistou malou a dopředu vypočitatelnou odchylku lana (nepřesáhne hodnotu 1 obloukového stupně). Jakýmkoliv větším komplikacím (např. dlouhodobé navíjení lana na Zemi) zabrání zmiňovaná odstředivá síla. Z vědeckého hlediska je fyzikální princip výtahu plně vyřešen a není na něm nic nereálného nebo nejasného.

Dostupné cíle.

Jak již bylo vzpomenuto, čím větší výšku na výtahu dosáhnete, tím větší oběžnou rychlost budete mít. Od jisté výšky nad povrchem bude možné uvolněním z výtahu uvést objekty na nízkou eliptickou dráhu. Ve výšce 35 810 km zůstane těleso po odpoutání na kruhové geostacionární dráze. Z větší výšky bude možné vypouštět tělesa na vysokou eliptickou dráhu (navedení na konečnou dráhu žádoucí excentricity bude dosaženo dodatečným slabým raketovým pohonem). Ve výšce 46 770 km dosáhne oběžná rychlost na výtahu hodnotu druhé kosmické rychlosti 11.2 km/s a teda vypuštěním tělesa nad touto výškou bude možné poslat objekty do meziplanetárního prostoru. S dalším zvětšováním výšky bude rychlost neustále narůstat a bude možné posílat tělesa do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy. Přirozeně s narůstající délkou výtahu rostou i nároky na pevnost materiálu a náklady na jeho vybudování. Kompromisním řešením je výtah o délce cca 91 tisíc kilometrů. S takto dlouhým lanem se bude dát bez použití urychlovací rakety dostat k Venuši, Měsíci, Marsu a při využití gravitačního zrychlení míjejících planet  také k Jupiterově soustavě, což bohatě stačí. Delší lano by umožnilo cestovat i k dalším planetám, ale v současnosti by to nebylo rentabilní a ani příliš potřebné. Na cestování k vzdálenějším planetám bude efektivnější vynést na oběžnou dráhu sondu nebo kosmickou loď s vlastním raketovým pohonem.

Obr.2: Cíle v sluneční soustavě dostupné s využitím vesmírného výtahu. Vodorovná osa označuje délku lana vesmírného výtahu, zatímco svislá osa odpovídá vzdálenosti od Slunce dosažitelné použitím výtahu odpovídající délky.

Prvotní vypuštění na oběžnou dráhu.

Existuje několik variant, z nichž nejpropracovanější a nejjednodušší je varianta využívající současné technologie a raketové nosiče. Na vypuštění družice nesoucí prvotní lano spolu s raketovými motory a palivem potřebným na přesun na geostacionární dráhu bude stačit sedm startů raketoplánů a jeden start nosiče Centaurus. Z geostacionární dráhy se začne z družice odvíjet prvotní lano s nízkou nosností (protože jenom tak můžeme zabezpečit, že celé lano bude možné na jeden start dopravit na oběžnou dráhu. Skládání silnějšího lana z několika částí až na orbitě je riskantní, jelikož takové technologie nejsou na oběžné dráze odzkoušené a byly by velice náročné a nespolehlivé). Na konci bude umístěna malá sonda se slabým motorem, který dodá lanu prvotní impulz. Dále se lano bude odvíjet díky gravitaci Země. V průběhu odvíjení se bude družice synchronizovaně vzdalovat od Země tak, aby těžiště celého systému bylo neustále na geostacionární dráze. Malá sonda na konci lana bude obsahovat i vysílač, díky kterému bude lano po dosáhnutí povrchu Země lehce identifikovatelné. Po zachycení a ukotvení konce lana na plovoucí plošinu se vyšlou speciální climbery (šplhače - vozidla vynášející po laně náklad) v předpokládaném počtu 207, vezoucí další vrstvy lana. Ty během svého výstupu lano postupně rozšíří na požadovanou nosnost 20 tun. Podobný princip se využívá např. při budování visutých mostů. Každý z climberů bude následně umístěn na konci lana a bude sloužit jako protiváha spolu s původní družicí nesoucí prvotní lano. Po dokončení celého procesu budou moci začít fungovat samotné climbery s nákladem. Ukotvení lana bude zabezpečeno plovoucí plošinou na hladině oceánu (k výhodám tohoto řešení se vrátíme při popisu problémů a jejich řešení), podobnou s dnešními mořskými ropnými plošinami.

Problémy a jejich navrhovaná řešení.

Navzdory jednoduchosti principu určitě není třeba zvlášť zdůrazňovat, že vesmírný výtah je úplně nová a převratná technologie vyžadující rozsáhlý výzkum a vývoj. Při jeho konstrukci a stavbě bude potřeba čelit mnohým výzvám a problémům. Vesmírný výtah však již přešel prvními kritickými fázemi seriozních studií uskutečněných, popřípadě organizovaných, renomovanými vědci z Los Alamos National Laboratory, Marshall Space Flight Center, NASA Institute for Advanced Concepts, National Space Society, Institute for Scientific Research a podobně. Podívejme se stručně na výsledky těchto analýz a navrhované způsoby řešení problémů.

0. Existence dostatečně pevného a lehkého materiálu o potřebné délce.

Obr. 3: Struktura uhlíkových nanotrubiček vizualizovaná počítačem (vlevo) a pohled elektronovým mikroskopem na již vytvořené nanotrubičky (vpravo).

Kredit: http://www.chem.ufl.edu, http://jatonline.co.uk/~nanotubes

Největším problémem, který znemožňoval postavit výtah po celou dobu a posouval ho do říše sci-fi, byla neexistence dostatečně pevného a lehkého materiálu, který by vydržel extremní tah působící na lano výtahu. Všechno se však změnilo výzkumem japonského profesora Sumijo Iijimy v roce 1991, který objevil tzv. uhlíkové nanotrubičky (angl. carbon nanotubes). Jde o novou strukturu uhlíkových atomů (po tuze, diamantu a např. C60) příbuznou fulerenům, ve které jsou, zjednodušeně řečeno, uhlíkové atomy stočené v jednoatomové vrstvě do jakési mikroskopické rourky stotisíckrát tenčí než lidský vlas. Tento materiál je extrémně pevný v tahu (60 x pevnější než ocel) a lehký (hustota jenom o něco větší než hustota vody). Tyto dvě vlastnosti mu umožňují vydržet i tah (a s dostatečnou rezervou) lana vesmírného výtahu, který je pouze jednou z nepřeberného množství aplikací tohoto převratného nanotechnologického materiálu. Ne neodůvodněně se mluví o nástupu "doby uhlíkové", která změní náš každodenní život.

Materiál už tedy máme, je však potřeba samozřejmě pokračovat ve výzkumu, aby bylo možné vyrobit ho v dostatečné délce několika desítek tisíc kilometrů, což jistě ještě přinese nejedno překvapení a potřebu výzkumu. Materiál však existuje a vývoj v téhle oblasti velice rychle pokračuje

1. Meteorologické vlivy (vítr, blesky, déšť...).

Obr. 4: Modifikovaný design lana zabezpečující odolnost vůči meteorologickým vlivům (především větru). Levá část zobrazuje pohled zepředu, pravá část ukazuje boční profil lana. Svislá osa odpovídá výšce lana nad povrchem Země a vodorovná osa šířce, resp. tloušťce lana.

V nejnižší výšce nad povrchem je samozřejmě problémem přítomnost atmosféry. Výpočtem, odvozeným od použitého designu lana (který závisí na parametrech jako např. potřebná pevnost lana, odolnost vůči mechanickému poškození vlivem pohybujícího se nákladu a podobně), se dá zjistit, jaká je maximální přípustná rychlost větru, která ještě nezpůsobí přetrhnutí lana. Výsledek je podle očekávání poměrně optimistický - ohrozil by ho až hurikán. Řešením problému je výběr vhodné lokality na Zemi, chudé na bouřky a prudké změny počasí. Podle dlouhodobých meteorologických a klimatologických záznamů a vzhledem k potřebě umístění vesmírného výtahu blízko rovníku nejvhodnější lokalitou na jeho umístnění je oblast západně od Galapágských ostrovů v Tichém oceáně.

Tato oblast je vhodná i z důvodu úzce souvisejícího - oblačnosti. Pohon climberů bude totiž zabezpečen laserovým přenosem energie. Součástí climberů bude proto malý disk, který bude přijímat energii z vysílače na kotvící plošině. Tato technologie je již v značném stadiu rozpracování a byla úspěšně otestována. Blesky představují další riziko - i kdybychom totiž uhlíkové vlákna pokryly nevodivým materiálem, během bouřky a deště se voda na laně stává vodivou a blesk lano může zničit neboť jeho vodivost bude větší než vodivost vzduchu. Proto výtah bude v oblasti, kde se blesky nevyskytují - tedy západně od Galapág. Ojedinělým bouřkám (které se samozřejmě nedají zcela vyloučit) se bude možno vyhnout přesunem plovající kotvící plošiny podle reálné meteorologické situace (monitorované samozřejmě satelity).

Obr. 5: Výtah bude ukotven na plovoucí mořské plošině umožňující vyhnout se hurikánům a bouřkám.

2. Oxidace atmosférickým kyslíkem.

Nejedná se o molekuly kyslíku v atmosféře, ale o nebezpečný atomární kyslík ve výšce několika stovek kilometrů - je to velice agresivní látka. Experimenty ukazují, že i uhlíková nanovlákna oxidují. Řešení - naneseme na ně tenkou vrstvu kovu (z dlouhodobých experimentů na oběžné dráze jsou prokazatelně odolné např. zlato i jiné materiály). Váhu lana to ovlivní jen minimálně, protože se jedná pouze o úsek několika sto kilometrů (což je málo ve srovnání s celkovou délkou cca 91 000 km) a je postačující, aby vrstva měla tloušťku jen několika mikrometrů

3. Satelity na oběžné dráze.

Je přirozené, že může dojít ke kolizi lana se satelity během jejich oběhu. Existuje přesná databáze satelitů, takže není problém na týdny dopředu vypočítat hrozbu srážky. Lano bude mobilní - právě z tohoto důvodu bude základna pohyblivá (plovoucí plošina) a manévry se budou provádět tak, aby se předešlo jakýmkoliv srážkám. Frekvence manévrů bude v rozumných mezích, protože satelitů je limitované množství

4. Odpad a trosky na oběžné dráze. Mikrometeority.

V současnosti je na oběžné dráze množství odpadu, které je seriózní hrozbou nejen pro vesmírný výtah. Úlomky stupňů raket, trosky ze zaniklých sond, staré nepoužívané satelity atd... Mnoho desítek tisíc objektů o velikosti nad 1 cm. Naštěstí se vyskytují pouze na nízké oběžné dráze (cca od 200 do 1000 km). Řešení je několik:

• monitorování trosek.

  Dnes jsou trosky mapovány do velikosti 10 cm. Kvůli mezinárodní vesmírné stanici ISS se za 100 milionů dolarů připravuje monitorování až do velikosti 1 cm. Podle teoretických výpočtů (NASA používá simulační programy kalibrované např. i pozorováními ISS a raketoplánů) vyplývá, že výtah se bude muset vyhýbat úlomkům větším než 1 cm přibližně jedenkrát denně. To je akceptovatelná frekvence v rámci únosnosti. Trosky menší než 1 cm spolu s mikrometeority nepředstavují vážný problém, protože i když jejich počet narůstá a jejich kinetická energie je stále značná, nejsou pro výtah nebezpečné, a to díky druhému řešení:

• vhodný makroskopický a mikroskopický design lana.

  V prvním řadě bude šířka lana v kritické výšce zdvojena. Podobně průměr jednotlivých vláken lana a vzdálenosti mezi nimi budou takové, aby se minimalizovala škoda způsobená mikrometeoritem/malými troskami. Zakomponování příčných vláken taktéž umožní zvýšit odolnost vůči poškození. Velikou výhodou bude realizovat design lana ne v podobě lana v běžném slova smyslu, nýbrž půjde spíše o stuhu - pás široký v průměru jeden metr a tenký pouze několik mikrometrů (tyto parametry se budou měnit v závislosti na výšce od povrchu). Kromě toho nebude pás plochý, ale bude tvarován do oblouku. Výpočty ukazují, že takový design sníží nebezpečí a velikost poškození až o několik řádů. Životnost lana bude při vhodném designu až 200 let, což je plně postačující.

Obr. 6: Průřez navrženým lanem (vlevo); závislost šířky lana od výšky nad zemí (uprostřed); a tzv. Hoytether (vpravo) - příčný design lana zvětšující odolnost vůči poškození mikrometeority a troskami na oběžné dráze, navržený Robertem Hoytem.

5. Oscilace lana.

Gravitačním a slapovým působením Měsíce a Slunce, a také vlivem stoupání a klesání pohybujícího se nákladu, bude docházet k oscilacím. Řešením je vhodná frekvence a rychlost pohybujících se climberů spolu se synchronizovanou délkou lana. Výpočty ukazují, že např. lano o délce cca 70 000 km by mělo veliké problémy díky rezonanční frekvenci s oběhem Měsíce/rotací kolem Země. Navrhované lano má však délku 91 000 km - je to výhodné nejen z hlediska oscilací, ale také z hlediska uváděných dostupných cílů v Sluneční soustavě

6. Zahřívání lana.

Lano se bude přirozeně zahřívat jednak působením slunečního záření, tak i vystupujícími climbery a také oscilacemi a pnutím v laně. Výpočty ukazují, že lano uvažovaného designu bez problémů vše vyzáří přirozeným tepelným vyzařováním do volného prostoru. Je však potřeba si uvědomit, že pokud půjdeme s climberem nad geostacionární dráhu (např. při vypouštění sond na Měsíc a k jiným planetám), energii nebudeme muset na šplhání dodávat, nýbrž energii budeme dostávat! Stejně jako i při snášení nákladu z oběžné dráhy na Zemi - climber bude muset brzdit a tedy energie se bude uvolňovat. Tento přebytek energie můžeme zužitkovat např. konverzí na energii elektrickou. Přebytek tepla sa bude řešit vyzařováním, vedením, anebo případně i absorbcí do části nákladu (např. do vody, jelikož voda má velikou tepelnou kapacitu, i když tohle řešení by představovalo snížení efektivního nákladu). Je zajímavé, že výtah z fyzikálního pohledu bude pracovat velice efektivně a energeticky úsporně. I v případě nevyužívání brzdné energie bude na provoz stačit zdroj s výkonem cca 20 MW. Není třeba vyvíjet žádnou novou technologii, podobné zdroje mají již i dnešní ropné plošiny

7. Ionosféra a její vybíjení.

Ionosféra je oblast atmosféry ve výšce od cca 20 do 2000 km nad povrchem, která obsahuje ionizované částice nesoucí elektrický náboj (o nezanedbatelném napětí přibližně 300 V/m). Jelikož lano bude mít jistou vodivost, může teoreticky tento náboj vybíjet. Hustota ionosféry je však nízká a analýza ukazuje, že vybíjení bude vzhledem k vlastnostem lana (např. nízká vodivost, malý průřez) a ionosféry velice malé, maximálně v okolí několika málo metrů od lana. Nehrozí tedy žádný problém s přílišným zahříváním lana díky tomuhle efektu ani vybití ionosféry z dlouhodobého hlediska. Samozřejmě, při konstrukci climberů (především pro lidi) se bude muset počítat s existencí ionosféry.

8. Teroristický útok, nehoda výtahu.

Motivací pro teroristy nebudou škody na životech. Celé lano totižto váží pouze několik stovek tun, přičemž zaútočit můžou reálně jenom na jeho spodní část - i v případě útoku družicí (v plánech jsou samozřejmě i akce typu Pakistánská družice, která by dva roky plnila mírové vědecké účely  a náhle změnila kurz přímo na lano...") dojde k přerušení lana maximálně do výšky 1000 km, což je jenom něco přes setinu celé jeho délky, takže na Zemi v nejhorším případě spadne několik tun lana. Jestli by však došlo k přerušení lana ve větší výšce, tak téměř všechno shoří v atmosféře ( jelikož lano je velice tenké a lehké), tedy celkový destrukční efekt je na úrovni padajícího cáru kancelářského papíru. Zdravotní účinky shořených uhlíkových nanotrubiček (např. při vdechnutí) by neměly být škodlivé, přesto výzkum v tomhle směru pokračuje. Motivace teroristů může být tedy jenom ekonomická - způsobit škody tím, že se zničí ekonomicky výhodný prostředek dopravy na oběžnou dráhu. Jenomže - jestli se postaví první výtah (za cca 40 mld. $ v současných cenách), tak druhý a další výtahy budou podstatně levnější - jelikož již nebude potřebný složitý proces prvotního vynášení na oběžnou dráhu pomocí klasických raket. Bude možné vybudovat několik desítek výtahů v rychlém sledu, takže i kdyby některé z nich byli zničeny teroristickým útokem, znovunatažení lana nebude tak nákladné vzhledem k existenci ostatních výtahů. Teroristé tím ztrácejí důležitý prvek motivace. Kromě toho, pohyblivá plošina se bude nacházet několik stovek kilometrů od jakýchkoliv leteckých linek, takže jediná reálná možnost je útok balistickou střelou anebo družicí, ne letadlem. Všechno bude kontrolovat samozřejmě americká (či jiná) armáda. Navíc další postavené výtahy budou sloužit již pro komerční firmy a pro jiné státy. Takže to již nebude majetek jen národů čelících terorismu, nýbrž i jiných krajin, vůči kterým teroristé nebudou mít motivaci útočit. Minimální destrukční následky se přirozeně vztahují i na případ nehody výtahu

9. Neexistující technologie - utopie?

Velikou výhodou tohoto projektu proti mnohým jiným je, že nestaví na neexistujících technologiích. Všechno od kotvící plošiny (typu ropná plošina a existující projekt Sea Launch), přes výrobu energie a její laserový přenos, elektrický pohon climberů, prvotní vynesení na oběžnou dráhu pomocí raketoplánů a existujících nosičů atd, jsou existující technologie, případně technologie v značně rozvinutém stádiu vývoje. Samozřejmě, jelikož výtah bude jedinečný, veliké množství výzkumu se bude muset ještě přece jenom uskutečnit, avšak důležitý je fakt, že principiální problém neexistuje. Existují především dvě záležitosti, které si vyžadují několik let výzkumu (což je vcelku krátká doba, vezmeme-li v úvahu revolučnost výsledku):

• nevyrobili jsme ještě dostatečně dlouhé lano z nanotrubiček. To je vzhledem k vývoji v této oblasti s největší pravděpodobností jenom otázka uváděných několika let (např. Japonsko je zatím schopné produkovat 120 tun uhlíkových nanotrubiček omezené délky za rok). Dosavadní experimenty s několikametrovými pásy z nanotrubiček dokazují, že lano bude možné vyrobit a také jeho pevnost bude dostatečná na udržení obrovského tahu, který bude na lano působit.
• existuje pouze minimální ochrana člověka před kosmickým zářením během výstupu na geostacionární dráhu. To je pravda - jelikož rychlost výstupu na výtahu je cca 200 km/hod, na geostacionární dráhu to může trvat i více než týden. Na nízké oběžné dráze (pod cca 1000 km) to není veliký problém, kosmonauti tam tráví týdny i roky již dnes. Problém nastane, pokud pojedeme výše - na geostacionární dráhu a dále (k Marsu atd) je potřebné překročit ionosféru a tzv. van Allenovy radiační pásy kolem Země, které chrání Zemi před nebezpečným kosmickým zářením. Stínění kovovými lištami je velice náročné na hmotnost a tedy bude možné takovýmto způsobem lidi vozit na geostacionární orbitu až když bude postaven výtah s větší kapacitou (prvotní bude mít kapacitu cca 20 tun). V průběhu několika let se výtah dá upravit na nosnost až 1000 tun nákladu. Přesto tato metoda nebude velice efektivní, a proto se musí vyvinout elektromagnetické stínění. To je však ještě jen v plenkách, na rozdíl od ostatních důležitých součástí projektu.

Ovšem vynášení nákladu a lidí jsou dvě rozdílné věci. Doprava kosmonautů na oběžnou dráhu může v prvních fázích zůstat nadále v rukách čistě raketových pohonů, dokud se nevyvine vhodné elektromagnetické stínění. V každém případě vesmírný výtah není žádnou konkurencí pro raketové pohony, naopak, je jejich spojencem. Díky kosmickému výtahu budeme moci zkonstruovat přímo na oběžné dráze veliké kosmické lodě, stanice a sondy o hmotnosti stovek a tisíců tun. Budeme moci postavit orbitální města nebo sluneční elektrárny, všechno to jsou projekty náročné na množství dopraveného materiálu a tedy uskutečnitelné až v době, kdy se doprava materiálu na oběžnou dráhu stane opravdu ekonomickou. Přímo na oběžné dráze budeme moci konstruovat silné raketové (a jiné) motory na samotné cestování vesmírem, nejenom na vynášení na oběžnou dráhu se všemi problémy, které jsou s tím spojené. A všechno velice lacino. K tomu přispívá i fakt, že výtah umožňuje nejenom vynášení nákladu, ale také jeho šetrné a bezpečné snesení na povrch.

Kompletní odhadované náklady na první výtah (včetně vývoje, vynesení na oběžnou dráhu, provozu a všeho s tím souvisejícího) jsou cca 40 miliard dolarů. Doba stavby cca 10 let. Porovnejte to např. se 60 mld. dolarů, které bude stát mezinárodní vesmírná stanice ISS (anebo se 173 miliardami dolarů, které zaplatily USA do června 2005 na válku v Iráku). Druhý výtah bude možné postavit levněji, cca 13 mld. $, už jenom za několik let, třetí výtah ještě levněji a rychleji tak, jak se bude zvyšovat kapacita předchozích výtahů.

Převratné možnosti a rozvoj.

Po vybudování prvního funkčního výtahu kosmonautika zaznamená obrovský skok vpřed - jelikož doprava na oběžnou dráhu neuvěřitelně zlevní, bude vesmír přístupný i chudším zemím, soukromým firmám a jednotlivcům. Navíc díky výtahu bude mnohonásobně levnější dostat se k Marsu, jelikož prakticky za stejnou cenu jako vynesení na oběžnou dráhu může náklad získat rychlost potřebnou i na cestu k Marsu. Existují již i projekty vesmírného výtahu na Marsu, který má některá specifika v porovnání se Zemí - menší gravitace, menší poloměr, dva kroužící měsíčky Fobos a Deimos. Výsledek - výtah bude méně náročný v porovnání se Zemí, bude kratší (přitom se stejnou kapacitou jako pozemský), a nebude se muset vypořádávat s pozemskými problémy díky tenčí atmosféře a žádnému odpadu na oběžné dráze. Ukotvení by mohlo být situováno ne na rovníku, nýbrž např. na největší neaktivní sopce ve Sluneční soustavě Mons Olympus, čím se vyhneme měsícům Phobosu a Deimosu a navíc vrchol sopky se nachází ve výšce cca 24 km nad okolím, tedy výrazně nad nejhustšími vrstvami atmosféry.

Zároveň i bližší cíl - Měsíc - poskytuje možnosti vlastního výtahu. Díky pomalé rotaci Měsíce cca jednou za 29 dní však nebude využívat stacionární dráhu kolem Měsíce, nýbrž např. Lagrangeho bod 1 - místo, kde se gravitační přítažlivost Země a Měsíce navzájem vyrovnává, ve výšce 56 000 km nad povrchem Měsíce. Lunární výtah by byl delší než zemský, ale díky nižší gravitaci by nepotřeboval být až natolik pevný v tahu a dal by se vybudovat dokonce již i ze v současnu existujících komerčních materiálů jako Kevlar, Spectra či vlákno M5.

Dovedete si představit, jaký pokrok bude znamenat, když na Měsíc a Mars budeme moci dopravit a stejně tak i přivést materiál za mizivý zlomek současné ceny? Až tehdy nastane začátek opravdové kolonizace Měsíce a Marsu, skutečný masivní průnik člověka do vesmíru, který změní náš každodenní život.

Obr. 7: Časový harmonogram realizovatelný v případě dostatku finančních zdrojů uvolněných na projekt. Spodní osa představuje uplynulé roky.

1. Návrh climberů a první družice.
2. Konstrukce první družice.
3. Vypuštění první družice na geostacionární dráhu.
4. Konstrukce climberů.
5. Výroba materiálu lana.
6. Budování lana pomocí climberů.
7. Návrh laserového napájení.
8. Budování pozemní energetické základny/elektrárny pro laserové napájení.
9. Návrh systému mapování trosek na oběžné dráze.
10. Budování zařízení pro mapování trosek.
11. Návrh kotvící plošiny.
12. Budování kotvící plošiny.

1-12. Budování prvního výtahu.
13. Druhý výtah.
14. Třetí až desátý výtah.
15. Výtah s nosností jednoho tisíce tun.
16. Začátek provozu výtahů pro komerční účely.
17. Začátek budování geostacionární stanice.
18. Návrh výtahu na Marsu.
19. Výroba lana pro výtah na Marsu.
20. Převoz lana k Marsu.
21. Začátek budování dalších lan pro výtahy na Marsu.
22. Začátek budování marťanské orbitální stanice.
23. Budování dalších pozemských výtahů a geostacionárních stanic.
24. Těžba materiálů z asteroidů.
25. Kolonizace Marsu.
26. Bezpilotní průzkum Sluneční soustavy.
27. Budování výtahů při dalších planetách.
28. Pilotovaný průzkum Sluneční soustavy.

Na závěr musím připomenout, že tento článek vzhledem k omezenému rozsahu slouží pouze jako úvod do problematiky vesmírného výtahu. Nemohli jsme tu pokrýt celou její šířku do detailů. Mnohem podrobnější studii a i odpovědi na další otázky najdete v originální studii uvedené na konci článku jakožto i v příspěvcích z poslední konference týkající se výtahu.

Jestli jste se dočetli až sem a podařilo se nám ve vás vzbudit alespoň štipku zájmu o tento projekt, tak článek splnil svůj účel. Jedním z hlavních momentálních nedostatků projektu vesmírného výtahu je totiž skutečnost, že jenom málo lidí má zatím o něm spolehlivější informace, přesněji řečeno jenom málo lidí ví o jeho blízké realizovatelnosti a o tom, že již nepatří pouze do říše sci-fi jak tomu bylo před rokem 1991. Doufáme, že tento článek přispěl k propagaci tohoto výjimečného projektu, který - zrealizuje-li se - posune lidstvo o velký krok blíže ke hvězdám.

Per aspera ad astra! (Přes překážky ke hvězdám!)

Autor:
Juraj Kotulic Bunta [Japan Atomic Energy Agency]
juraj_kotulic AT yahoo.com
 

Zdroje s podrobnými informacemi i pro širší veřejnost (anglicky):

1. Institute for Scientific Research, The Space Elevator Final Report to NASA Institute for Advanced Concepts.
2. The Space Elevator 3rd Annual Conference, June 28-30, 2004, Washington, D.C.
3. Wikipedia
4. Physical principles
 

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru. Téma s komentářem k tomu konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.