Menu

Výtah do vesmíru

Pro naše vnoučata by tento titulek mohl znít stejně obyčejně jako pro nás dnes hlášení v metru. Bohatí technologičtí obři slibují v příštích letech revoluci v kosmickém cestování s transportními technikami odvozenými ze sci-fi románů a filmů. Začíná technologická soutěž o vesmír.

Moderní vesmírné cestování je drahá záležitost: přeprava jednoho kilogramu nákladu k ISS přijde zhruba na 20 000 dolarů. A to se jedná „jen“ o vzdálenost 400 km od Země. „Doručení“ astronauta o hmotnosti 70 kilogramů tak překoná hranici 1,4 milionu amerických dolarů - to je pěkně drahý lístek. Jedním z hlavních cílů kosmického cestování je proto snížit náklady na dopravu.

Vysoké náklady jsou způsobeny hustou atmosférou a gravitací. Překonat je vyžaduje gigantické vícestupňové nosné rakety, celé týmy inženýrů, obrovské kosmické základny pro starty raket a vysoce specializovaný průmysl pro výrobu jednorázových dopravních prostředků.

V posledních deseti letech ale došlo v této oblasti k pozoruhodným inovacím. Dříve mohly do vesmíru proniknout pouze vládní agentury jako NASA, ESA nebo Roscosmos. Mezitím ale vznikly také soukromé společnosti, které nezávisle vyvíjejí rakety a vysílají je do vesmíru. Zatím se však téměř vždy jednalo jen o komunikační družice pro orbity blízké Zemi.

Elon Musk zajistil USA prostřednictvím své společnosti SpaceX v této oblasti nesporné vedení, protože za posledních 15 let dokázal snížit počáteční náklady na 56,5 milionu dolarů. Pro srovnání: let amerických raket Atlas V a Delta IV stojí 109, respektive 160 milionů amerických dolarů. Pokud SpaceX bude schopen optimalizovat technologii opětovného použití boosterů Falcon 9, mohly by náklady klesnout na pouhých 5 až 7 milionů dolarů.

Jedna věc ohledně raket je jasná: Průmysl se připravuje na dlouhý, vyčerpávající maraton, aby snížil náklady, optimalizoval procesy a našel nové materiály. Ještě lepší by ale bylo najít zásadní alternativy k vypouštění raket, nejlepší pak znovupoužitelné dopravní prostředky.

Schodiště do nebe

Co by se stalo, kdyby se postavila věž tak vysoká, že dosáhne až do vesmíru? To by způsobilo, že se moderní pohádka stane skutečností a začlení vesmírné cestování do naší normální dopravní sítě. Tato myšlenka není nová: je o ní řeč dokonce i v mýtech, jako je Yggdrasil ze Skandinávie, v anglickém příběhu Jack a fazole nebo v biblické Babelské věži. Dokonce i zakladatel vesmírného létání Konstantin Eduardovič Ciolkovskij navrhl takovou strukturu poté, co poprvé uviděl Eiffelovu věž.

Z technického hlediska takový „žebřík do nebe" nejprve popsal student Jurij Arcutanov na sanktpeterburském Státním technologickém institutu. Dne 31. července 1960 vydal v novinách Komsomolskaja pravda článek s názvem V Kosmos na elektrovoze (Komsomolskaja pravda byly noviny pro mladé v tehdejším Sovětském svazu). Navrhl stavbu orbitálního výtahu, která by začala „odshora“, pomocí geostacionární družice, ze které by byl spuštěn jakýsi kabel. Tento nápad byl založen na článku bývalého britského leteckého velitele Arthura C. Clarka. Ten tyto družice popsal jako Alien Stations - satelity umístěné na oběžné dráze tak, aby vždy zůstávaly na konstantním místě podél rovníku. To by bylo možné, kdyby kruhová rychlost satelitu byla shodná s rotací Země. Další výpočty ukázaly, že satelit by musel cestovat ve výšce 35 786 km nad zemským povrchem při rychlosti 3,07 km/s. Od té doby se vědecká literatura odvolává na geostacionární oběžné dráhy jako na Clarke belts. Arthur C. Clarke se nicméně proslavil především jako sci-fispisovatel, jeho scénář posloužil jako základ pro legendární film Vesmírná odysea 2001 Stanleyho Kubricka.
Druhým hlavním impulzem pro podobný projekt byl krátký článek o novém syntetickém materiálu neuvěřitelné síly, který byl vyroben v USA. Byl to prototyp kevlaru od společnosti DuPont. Materiál byl pětkrát odolnější než ocel. Kevlar se dnes používá všude tam, kde je vyžadována velká síla a nízká hmotnost: v ochranných vestách, brzdových destičkách nebo speciálních potazích.

Je projekt závislý na dostupných materiálech?

Bylo vypočítáno, že kabel musí odolat mechanickému namáhání nejméně 60-80 000 megapascalů (MPa). Čím větší bude jeho síla, tím jednodušší bude konstrukce. Co mohou moderní technologie nabídnout v tomto ohledu?
A co třeba ocel? Obecně, pevnost v tahu se mezi jednotlivými typy oceli značně liší. Tepelně zpevněné slitiny (chrom-mangan-křemík) typu 30KHGSA, používané pro klíčové stavební prvky, udrží až 1 400 MPa. Široce rozšířená ocel St3sp normální jakosti s podílem obsahu uhlíku 0,03 % zvládne kolem 400 MPa. Dnešními mistry světa jsou syntetické polymery Zylon s pevností v tahu do 6 000 MPa. Naopak teoretická maximální pevnost v tahu křemenných vláken a krystalických uhlíkových vláken je 20 000 MPa! Na tomto místě je dobré zmínit zajímavou iniciativu, kterou zahájili odborníci z neziskové organizace Spaceward - od roku 2005 organizují Space Elevator Games: chtějí uctít sovětského inženýra Jurije Arcutanova tím, že mu věnovali jeho vlastní jednotku - Yuri. Ta by měla sloužit k hodnocení vlastností slibných materiálů. Jednotka se vztahuje k lomové mechanice a vyjadřuje poměr pevnosti v tahu k hustotě materiálu (vyjádřené v Pa x m3/kg). Největší jednotka Myuri, kterou používají inženýři, je uvedena v GPa x m3/g.

Tyto parametry mají svůj smysl. Na otázku, v jaké výšce by se ocelový drát přivázaný na balon přetrhl vlastní vahou, bude odpověď jasná: jeho maximální délka je přímo úměrná pevnosti v tahu a nepřímo úměrná hustotě materiálu. Takže ocelová slitina má lomovou délku 0,2 Myuri (pevnost v tahu - 1,4 GPa, hustota - 8 g/m3) a rozpadá se působením vlastní hmotnosti ve výšce 18 kilometrů. Lomová délka kevlaru je 2,4 Myuri. Jak již bylo uvedeno výše, Zylon vede pole s 3,5 Myuri.

Průlom by mohl způsobit uhlík

Z praktických důvodů vždy potřebujete materiály, jejichž lomová délka je vyšší o určitý faktor. V románu Rajské fontány musel Arthur C. Clarke přijít s materiálem, který by i při velmi tenkém profilu mohl nést dospělé lidské bytosti. V listopadovém vydání časopisu Nature z roku 1991 japonský fyzik Sumio Iijima, zaměstnanec společnosti Nippon Electric Co. (NEC), publikoval článek nazvaný Syntéza uhlíkových nanotrubiček, ve kterém naznačuje víru, že se najdou nové materiály s vysokou pevností, které pomohou oživit sny o kosmickém cestování.

Ve skutečnosti diamanty, nejtvrdší přírodní materiál, vznikly výhradně z uhlíku. Jeho atomy tvoří prostorové mřížky udržované spolu silnými kovalentními vazbami typu sp2. Ale grafit je také uhlík, jen uspořádaný trochu jinak! Vzhledem k tomu se cesta ke grafenovým trubičkám nezdá tak daleko. Jedná se především o přísně uspořádané monomolekulární struktury - druh dvourozměrného krystalu se vzrušujícími mechanickými vlastnostmi. Ty by teoreticky byly vhodné pro stavbu výtahů. V laboratoři mohou být v současné době vyráběny nanotrubičky o délce menší než jeden metr, což je stále ještě daleko od požadovaných konstrukcí. Vyřešit tento problém bude velmi obtížné.

Americký futurista Howard Henson například tvrdí, že praktická výroba nanotrubiček je problematická, protože jejich strukturální uniformita prostě nemůže být zaručena. Kvůli kvantovým efektům vykazovaly dokonce pravidelné silné uhlíkové mřížky lokální vady. Nicola Puňo, profesorka Polytechnického institutu v Turíně, se specializuje na výzkum nanomateriálů a po dlouhých výpočtech dospěla k neočekávanému závěru: jednovrstvé uhlíkové nanotrubičky nemohou mít sílu, kterou potřebujeme! Dokonce i jednoatomové vady plochých uhlíkových krystalů mohou způsobit, že celá struktura bude velmi křehká. A kolik takových závad by obsahovalo tisíc kilometrů kabelu? A to zatím vůbec nezahrnujeme vnější faktory, jako jsou vítr, déšť, mráz, prach, mikrometeority a záření.

To nezabrání Yojimu Ishikawovi z japonské firmy Obayashi, aby oznámil výstavbu skutečného kosmického výtahu na bázi uhlíkových nanotrubiček do roku 2050. Cena: zhruba 100 miliard dolarů. Americká společnost Liftport Group ze Seattlu dokonce slíbila, že postaví výtah už do roku 2031. Stanou se tyto odvážné plány skutečností? Kdo ví, mohlo by to nakonec jít rychleji, než si myslíme!

Foto popis| Grafika kosmického výtahu vytvořená umělcem Glennem Clovisem.
Foto popis| „Příští zastávka: Clarkova orbita. Vážení cestující, oblečte si prosím skafandry a aktivujte své systémy podpory životních funkcí.“
Foto popis| Článek Jurije Arcutanova v Komsomolské pravdě z 31. června 1960.
Foto popis| Clarkův náčrt stacionárních satelitů v časopise Wireless World z října 1945. Odesílatel A (Země), přenašeč (satelit), přijímač B a C (Země).
Foto popis| Kevlarová vlákna ve své typické žluté barvě. Průměr vlákna je 10 mikro m. Kevlar byl používán od 70. let k výrobě neprůstřelných vest. Vlákna jsou uspořádána v mnoha vrstvách, které jsou schopné zastavit malé projektily.
Foto popis| Výtah do vesmíru jako sci-fi Vynález kosmického výtahu byl základem legendárního románu „Rajské fontány“ z roku 1979 od Arthura C. Clarka, který získal dvě hodnotné ceny sci-fi: Hugo a Nebula. Při své první návštěvě SSSR se Clarke setkal s Jurijem Arcutanovem a vyjádřil obdiv k jeho projektu, který byl do podrobností vypracován na základě všech známých mechanických zákonů - jakkoliv se to zdá téměř nemožné.
Foto popis| SCHÉMA STAVBY KOSMICKÉHO VÝTAHU
Foto popis| V jaké výšce létají satelity? V současnosti obíhá kolem Země okolo 3 500 družic, z nichž jen zhruba polovina je funkční. Oběžná dráha ISS je „pouze“ 400 km nad zemí. V nízké oběžné dráze Země (LEO) ve výšce do 2 000 km se nachází asi 500 družic. Oběžná dráha družic systému GPS (Global Positioning System) je 20 000 km.
Foto popis| Kosmický výtah Damokles v roce 2117, podobu navrhl umělec Sergio Botero.
Foto autor| Foto: Sergio Botero

O autorovi| autor@chip.cz


Příbuzná témata: