آسانسور فضایی؛از رویا تا واقعیت

طرح آسانسور فضایی این قابلیت را دارد که جا یگزینی مناسب و کم هزینه برای فضاپیما های امروزی باشدو تبدیل به وسیله ی اصلی حمل و نقل برای سفرهای فضایی شود .حتی فضاپیماها را میتوان از طریق آسانسور فضایی به مدار منتقل کرد که از آنجا به مقصد اصلی خود در فضا حرکت کنند.

این نوع پرتاب سوخت بسیار کمتری نسبت به پرتاب های از سطح زمین نیاز خواهد داشت.در پرتاب های از سطح زمین برای فرار از گرانش و اصطکاک جو نیاز به مقادیر بسیار زیاد سوخت که به افزایش فوق العاده وزن فضاپیما منجر میشود .در برخی از طرح ها از ساخت این سامانه روی ماه حتی مریخ صحبت میشود.

آسانسور فضایی رویایی است که مانند رویای پرواز یا رویای سفر به ماه در ذهن نویسندگان داستان های علمی-تخیلی و دانشمندان شکل گرفت.حالا این رویا در حال نزدیک و نزدیکتر شدن به واقعیت است.

ساخت آسانسور فضایی

آسانسورفضایی یک ریسمان بسیارسبک وبسیارمحکم دارد که ازنانولوله های کربنی ساخته خواهد شد.ریسمان ازیک طرف به سکویی دراقیانوس اطلس وازطرف دیگربه ماهواره ای که درفضابه عنوان وزنه تعادل عمل می کند،متصل خواهد شد. گردشی وضعی زمین،نیروی گریزاز مرکزی کافی برای غلبه برکشش گرانش زمین ایجاد می کندوباعث می شود که ریسمان کشیده ومحکم نگه داشته شود.بنابراین آسانسورفضایی یک پل دائمی بین زمین وفضامهیا خواهد کرد.ازبالابرنده های مکانیکی متصل به نوار یاریسمان،می توان برای انتقال بار ودر نهایت انسان به مدار استفاده کرد.هزینه تخمین زده شده،تنها220تا880دلار به ازای هرکیلوگرم خواهد بودکه بسیار کمتراز هزینه تمام شده ماموریت های پرتابی امروزی است.

برای درک بهترساختار یک آسانسور فضایی،یک قلاب سنگ رادر نظربگیرید؛نخی که یک طرف آن سنگی بسته شده وطرف دیگرآن در دست شماست.دراین ساختار،نخ همان ریسمان نانولوله کربنی،دست شمازمین یاایستگاه زمینی،و سنگ همان وزنه تعادل است که می تواند یک ماهواره باشد.حال اگردستی که نخ رادر آن گرفته اید،جلوی صورت ودقیقا مقابل چشم ها نگه دارید وبه دور خودتان بچرخید،سنگ براثر نیروی گریزاز مرکز،مستقیما جلوی صورت شما ودر راستای نخ قرار می گیرد؛اما ازدید شماسنگ بدون حرکت وساکن به نظرمی رسد،زیرا سرعت گردش سنگ وسرعت گردش شما یکسان است.این پدیده،ایده وانگاره اصلی آسانسورهای فضایی است.وزنه تعادل به دورزمین وباسرعت یکسان باگردش وضعی آن می چرخد وریسمان رامستقیم نگه می دارد،بنابراین بالابرها می توانندروی ریسمان،مستقیم وبه سمت بالا و پایین حرکت کنند.

نانو لوله های کربنی باساختار منحصربه فرد خود،ماده ای بسیار سودمند برای ساخت ریسمانِ انتقال در آسانسورهای فضایی خواهند بود.حال،مثال قلاب سنگ رادوباره درنظر بگیرید.اگر اندازه نخ خیلی بلند باشد،شما هرچه قدرهم که سریع به دورخود بچرخید،نمی توانید نیروی لازم برای قرار گرفتن سنگِ انتهای ریسمان را درراستای چشمان خود ایجاد کنید؛وبرعکس اگر اندازه نخ کوتاه باشد،شماباید خیلی آرام به دورخود بچرخید تانخ در راستای چشمان شما ثابت شود.حال این مثال رابسط می دهیم؛می دانیم که سرعت محوری زمین ثابت است،بنابراین باید طول ریسمان براساس این سرعت انتخاب شود که همیشه مستقیم و محکم ونسبت به یک نقطه روی سطح زمین،بدون حرکت به نظربرسد.

استفاده از"مدارزمین آهنگ"این امکان رابه ماخواهد داد.مدارزمین آهنگ،مداری است که دقیقا بالای استوای زمین یعنی عرض جغرافیایی صفردرجه ودر ارتفاع 36هزارکیلومتری ازسطح دریاواقع شده است.خاصیت این مداربه گونه ای است که اگرجسمی دراین مدارقرار داده شود،ازروی سطح زمین وبانگاه به آسمان،این جسم بدون حرکت به نظرمی رسد.به بیان دیگر،دوره گردش جسمی که درمدار زمین آهنگ قرار دارد،بادوره گردش زمین به دور محورخودهم سرعت یا"سنکرون"است.این مدارزمین آهنگ دریک مقیاس گسترده درمقاله ای باعنوان "ایستگاه های رله برون زمینی:آیا ایستگاه های ماهواره ای توانایی پوشش رادیویی سراسرزمین راداراهستند؟"توسط"آرتور سی.کلارک"فقیدنوشته شده بود ودرسال1928درمجله ای به نام"جهان بدون سیم"منتشرشد.به خاطرهمین موضوع،این مدار به کمربند یا"مدار کلارک"نیز مشهوراست.جالب است بدانید که آسانسورهای فضایی هم زمان باانتشاررمان آرتور سی.کلارک به نام"سرچشمه های بهشت"به مخاطبان گسترده ای معرفی شد.

همان طورکه پیش ازاین اشاره شد،یک آسانسور فضایی شامل یک سکوی شناور است که به عنوان پایگاه زمینی خواهد بود،یک کابل که همان ریسمان ساخته شده ازنانو لوله های کربنی است،بالا برنده های مکانیکی که برای حمل بارو مسافر مورد استفاده قرار خواهد گرفت،و همچنین وزنه تعادل خواهد بود.

حال به شرح کوتاهی در مورد هر بخش می پردازیم:

ریسمانی درآسمان

قسمت اصلی و مهم یک آسانسور فضایی،کابل آن خواهد بود.کابل ازنانو لوله های کربنی ساخته خواهد شدکه فقط چندسانتی متر پهنا دارند وبه ضخامت کاغذ هستند.کشف نانو لوله های کربنی درسال1991باعث جدی تر شدن فکرساخت آسانسورفضایی توسط دانشمندان ومهندسان شدو به این باور رسیدند که آسانسورهای فضایی رامی توان ساخت.نانو لوله های کربنی صدبرابر قوی تراز فولاد وبه انعطاف پذیری پلاستیک هستند.قدرت و استقامت آنهاازساختار منحصربه فردشان ناشی می شودکه شبیه ساختارتوپ فوتبال است.زمانی که دانشمندان قادر به ساخت نخ یارشته ای ازنانو لوله های کربنی شوند،امکان ساخت ریسمانی که کابل نگهدارنده راشکل دهد،وجود خواهد داشت.

ریسمان یاکابل آسانسورفضایی می تواند به دو صورت ساخته شود:

** نانو لوله های کربنی بلندبا چندین متر درازا که می توان آنهارا به هم بافت وساختاری طناب مانند راشکل داد.(تا سال2005،بلندترین نانو لوله فقط چند سانتی متر درازا داشت.)

** نانو لوله های کربنی کوتاه می توانند دریک ماتریس پلیمری قرار بگیرند،اما پلیمرهای کنونی به خوبی به نانو لوله های کربنی بسته نمی شوند که درنتیجه،ماتریسِ تحتِ تنش،استقامت کافی رانخواهد داشت.

نانو لوله های کربنی احتیاج به تحقیقات گسترده تر و در ابعاد جهانی دارند،چون گستره کاربرد آنهابه آسانسورهای فضایی محدود نمی شود،بلکه ازآنها می توان در پل های معلق،مواد کامپوزیت جدید،موشک ها و هواپیماهای سبک تر،صنایع نظامی،اتصالات داخلی پردازنده های کامپوزیتی و موارد بسیاردیگری استفاده کرد.نمونه جدیدی ازنانو لوله های کربنی که به تازگی کشف شده،دارای مقاومت کششی 6/9گیگاپاسکال وچگالی آن تنهادر حدود116گرم برسانتی مترمکعب است که به درازای چند سانتی متر ساخته شده است.

سواری تااوج

تا زمانی که کار بر روی کابل یاریسمان ادامه دارد،دیگر بخش های آسانسورفضایی رامی توان بااستفاده ازفناوری های شناخته شده ساخت.این بخش ها شامل بالابرهای روباتیک ،ایستگاه مهار،وسامانه انتقال قدرت باریکه نوری هستند.

بالابرها یا صعود کننده ها

آسانسورهایی که ما روزانه ازآنها استفاده می کنیم دارای کابل متحرک هستند،یعنی نیروی موتورالکتریکی، کابل راحرکت داده وکابین متصل به آن،بالا یا پایین می رود.ولی در طرحی که برای آسانسورفضایی درنظر گرفته شده،کابل،ثابت وبه عنوان مسیری برای صعوداست،و غلتک هایی که به صورت دوتایی روبه روی هم قرار گرفته اند،به دلیل اصطکاکی که باکابل ایجاد می کنند،امکان بالاو پایین رفتن آسانسوررا مهیا می کنند.

ایستگاه مهار

شروع حرکت آسانسورفضایی ازسکویی متحرک،در اقیانوس اطلس ودر مکانی نزدیک استوا خواهد بود که کابل یا ریسمان به آن متصل ومهار خواهد شد.

وزنه تعادل

دربالای کابل یا ریسمان،یک وزنه تعادل سنگین قرار خواهد گرفت.درطرح های ابتدایی،یک سیارک به عنوان وزنه تعادل درنظرگرفته شده بود.ولی درطرح های اخیر،استفاده ازوزنه تعادلِ ساخته شده روی زمین مدنظراست که چیزی شبیه به ماهواره های امروزی خواهد بود که توسط فضاپیما به فضامنتقل شده ودر مدار قرار خواهد گرفت.

انتقال توان وانرژی به بالابرها

توان وانرژی،هردو موضوعات مهمی برای بالابرها هستند.بالابرها به مقدار قابل توجهی انرژی پتانسیل احتیاج دارندتا به سرعت،مسیررا برای حرکت بازنگه دارند.طرح های مختلفی برای انتقال انرژی به بالابرها وجود دارد،ازانتقال بدون سیم انرژی تاذخیره انرژی در خود بالابرها قبل ازشروع صعود آنها به فضا.اما طرح های اخیر،اشاره به انتقال انرژی توسط سامانه لیزری الکترون آزاد"دارد.این سامانه که درایستگاه مهارقرار خواهد گرفت،با ترکیبی ازآینه های قابل تنظیم وسلول های قدرت زای نوری یافتوولتائیک که روی بالابرها قرار دارند،عمل خواهد کرد.

سلول های قدرت زای نوری به نوبه خودقابل چرخش و تغییر جهت هستندتا بتوانند بیشترین مقدار نور لیزر را دریافت کنند.این روش در مقایسه باروش های دیگر کمترین تلفات حرارتی و بیشترین بازده رابرای آسانسورهای فضایی خواهد داشت.پس ازدریافت نورلیزر توسط سلول های نوری،این سلول ها نورلیزر رابه الکتریسیته تبدیل می کنندو الکتریسیته توسط موتورهای الکتریکی خاص،نیروی لازم رابرای حرکت بالابر ایجاد خواهد کرد.

منبع:ماهنامه دانشمند