by H φυσική και η τεχνολογία των διαστημικών ανελκυστήρων
Κατ’ αρχήν να τονίσω ότι οι διαστημικοί ανελκυστήρες δεν ανήκουν πλέον στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας αλλά έχουν περάσει στο στάδιο των μελετών. Πρώτος συνέλαβε την ιδέα ο Konstantin Tsiolkovsky και ακολούθησε ποιός άλλος; Ο Arthur Clarke, ο οποίος στο μηθιστόρημά του ” The Fountains of paradise” περιγράφει πως θα μπορούσε να είναι ένας διαστημικός ανελκυστήρας. Όταν τον ρώτησαν πότε θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί μία τέτοια κατασκευή απάντησε “50 χρόνια αφότου σταματήσουν όλοι να γελούν”. Όλοι σταμάτησαν να γελούν το 1991 με την επαναστατική ανακάλυψη των νανοσωλήνων άνθρακα το πιό ελαφρύ και πιό ανθεκτικό υλικό που διαθέτουμε αυτή τη στιγμή. Οι νανοσωλήνες άνθρακα θα μπορούσαν να αποτελέσουν ιδανικό υλικό για την κατασκευή ενός σύρματος ουτε λίγο ούτε πολύ 100.000 km. To 2018 έγινε η πρώτη mini δοκιμή από Ιάπωνες και πλέον οι μελέτες έχουν προχωρήσει στο σχεδιασμό των ζητημάτων που πριν λίγο καιρό φάνταζαν άλυτα. Κατασκευή σύρματος, τοποθέτηση σύρματος, αντίβαρο. Μία πρώτη ιδέα για το τι είναι ένας διαστημικός ανελκυστήρας. Φανταστείται ένα σώμα δεμένο σε ένα νήμα που το περιστρέφουμε κατακόρυφα. Κάποια στιγμή ξεκολάει ένα κομμάτι από το σώμα και εκτοξεύεται με την γραμική του ταχύτητα υ = ωr εκείνη τη στιγμή εκτελώντας βολή. Αν μεγαλώνουμε το μήκος του σκοινιού συνέχεια κάποια στιγμή το κομμάτι που θα ξεκολήσει ή που θα το αναγκάσουμε εμείς να ξεκολήσει θα αποκτήσει ταχύτητα διαφυγής και ακόμα μεγαλύτερη. Βασική προϋπόθεση για την εκτέλεση του πειράματος είναι να μη σπάσει το νήμα. Θα με συγχωρέσετε αλλά σε τέτοιου είδους προβλήματα δε μπορώ να μη χρησιμοποιήσω την έννοια της φυγόκεντρης δύναμης. Στο πείραμά μας για να κρατάω το νήμα τεντωμένο στο ανώτερο σημείο πρέπει Fφυγόκεντρος > Βάρος. Κάτι αντίστοιχο θα λέγαμε για τον διαστημικό ανελκυστήρα με μία ουσιώδη διαφορά. Δεν έχουμε αβαρές νήμα αλλά ένα σύρμα μήκους 100.000 km.
Η κατασκευή αποτελείται από ένα σύρμα που θα περιγράψω παρακάτω δεμένο στη γη σε πλατφόρμα στον Ωκεανό ώστε να απορροφούνται τυχαίοι κραδασμοί ή για αποφυγή σύγκρουσης με διαστημικά σκουπίδια και σε ένα βαρύ αντίβαρο περίπου στα 100.000 km που κρατά το σύρμα τεντωμένο. Ενδιάμεσα υπάρχει μία πλατφόρμα σε γεωστατική τροχιά που θέτει σε περιστροφική κίνηση την κατασκευή με περίοδο Τ = 24h. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Η ταχύτητα VG της πλατφόρμας είναι ταχύτητα δορυφόρου, η ταχύτητα V του ανελκυστήρα και η VA του αντίβαρου δεν είναι ταχύτητες δορυφόρου αλλά V = ωr όπου r η απόσταση από το κέντρο της γης και ω = 2π/Τ σταθερή σε όλο το μήκος του σύρματος. Στον ανελκυστήρα ενεργούν το βάρος του W = mg και η φυγόκεντρη δύναμη Fφυγ = mω2r. Καθώς ο ανελκυστήρας ανέρχεται το βάρος του μειώνεται και η φυγόκεντρη μεγαλώνει. Μέχρι τη γεωστατική τροχιά Fφυγ < W , στη γεωστατική τροχιά Fφυγ = W και πάνω από τη γεωστατική τροχιά Fφυγ > W οπότε ο ανελκυστήρας μας ανεβαίνει με κατανάλωση ενέργειας όση χρειάζεται για να φρενάρει(Στη γεωστατική τροχιά rG3/T2 = GM/4π2 => (4π2/Τ2)rG = GM/rG2 => Fφυγ = W συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, κάτω από τη γεωστατική τροχιά r < rG => r3/T2 < GM/4π2 => (4π2/Τ2)r < GM/r2 => Fφυγ < W). Μία δέσμη Laser στον επίγειο σταθμό τροφοδοτεί φωτοβολταϊκά στον ανελκυστήρα με μία ισχύ περίπου 2,5 MW που μετατρέπεται σε ηλεκτρική για τη λειτουργία συμβατικού ηλεκτροκινητήρα ώστε ο ανελκυστήρας να ανεβαίνει σαν ηλεκτροκίνητο Fiatάκι με ταχύτητα περίπου 200 km/h και να φτάνει στη γεωστατική τροχιά σε 6 ημέρες περίπου(λίγο μας ενδιαφέρει καθώς με τον διαστημικό ανελκυστήρα διαστημικά ταξίδια θα πραγματοποιούνται καθημερινά). Το ασανσέρ θα έχει βάρος 20 tn εκ των οποίων οι 13 tn θα είναι οφέλιμο φορτίο. Η οικονομία σε ενέργεια είναι πολύ μεγάλη και περιορίζεται μόλις στο 20% της ενέργειας που θα χρειαζόταν ένας χημικός πύραυλος για να ανυψώσει το ίδιο βάρος στο ίδιο ύψος. Αντίβαρο μπορεί να είναι ένας μεγάλος διαστημικός σταθμός ή συλλογή από …σκουπίδια ή ένας αστεροειδής(δεν είναι πολύ μακριά η εποχή που θα μπορούμε να αλλάζουμε τροχιά σε αστεροειδείς και δορυφόρους πλανητών). Να σημειώσω ότι ενδεχόμενα να υπάρχουν δύο γραμμές και να γίνεται τροφοδοσία απευθείας με ηλεκτρικό ρεύμα από τη γη καθώς μερικοί νανοσωλήνες άνθρακα είναι αγώγιμοι.
Λοιπόν. Μπαίνεις με το διαστημικό σου όχημα στον ανελκυστήρα και πατάς το κουμπί “Mars”. Απολαμβάνεις ένα ήρεμο ταξιδάκι 10 ημερών με μόλις 200 km/h και όταν φτάσεις στο κατάλληλο ύψος ανοίγει η πόρτα του ασανσέρ και αρχίζει η πτήση για τον Άρη και αυτό δεν είναι αστείο. Για παράδειγμα:
Όταν ο ανελκυστήρας φτάσει στο ανώτερο ύψος που υπολογίζεται σε h = 96.000 km θα απέχει από το κέντρο της γης r = 96000 + 6378 η ακτίνα του ισημερινού = 102.378 km και θα έχει γραμμική ταχύτητα υ = (2π/Τ)r = (2π/86400)χ102378000 = 7445,14 m/s . Η ταχύτητα διαφυγής από αυτό το ύψος προκύπτει εύκολα από τους γνωστούς τύπους υδ = 2796,08 m/s οπότε διαστημόπλοιο που θα αφαιθεί ελεύθερο εκεί θα φτάσει στη σφαίρα επιρροής της γης(άπειρο) με ένα υπόλοιπο ταχύτητας 7445,14 – 2796,08 = 4949,06 m/s και θα μπεί σε ηλιοκεντρική τροχιά μεταφοράς με ταχύτητα = ταχύτητα γης γύρω από τον ήλιο + 4949 = 34949 m/s , ταχύτητα που είναι ικανή να πάει το διαστημόπλοιο μέχρι τον Δία. Στη συνέχεια με gravity assist στο Δία να πάει στον Κρόνο και με διαδοχικές gravity assist να βγει έξω από το ηλιακό σύστημα όπως ακριβώς τα Voyager. Φυσικά οι διαστημικοί ανελκυστήρες θα μεταφέρουν δορυφόρους, αστροναύτες και εφόδια στον ISS με πολύ χαμηλότερο κόστος απο τη SpaceX. Όμως χρειαζόμαστε μια επένδυση 6 δις δολαρίων για να ανταγωνιστούμε τον Musk κάτι που μπορεί να κάνει πρώτος ο …Musk.
Το εξαιρετικά δύσκολο κομμάτι της κατασκευής είναι το σύρμα και πως θα τοποθετηθεί. Αν συζητούσαμε για ένα φεγγάρι ή για τον Άρη με μικρή βαρύτητα τα πράγματα θα ήταν εύκολα, στη γη όμως ένα σύρμα 100.000 km θα έχει τεράστιο βάρος και θα απαιτείται μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Άρχισαν να γίνονται σοβαρές μελέτες για διαστημικούς ανελκυστήρες στη γη όταν η επιστήμη των υλικών έδωσε τους νανοσωλήνες άνθρακα με διάμετερο μόλις 1 mm2 , ελαφροί(πυκνότητα μόλις 1,3 g/cm3), 100 φορές ισχυρότεροι από το ατσάλι και εύκαμπτοι σαν πλαστικό στοιχεία που τους δίνουν μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό(μέχρι και 100 Gpa). Στο σχήμα κάτω ένας νανοσωλήνας άνθρακα σε μεγέθυνση, οι κόμποι είναι τα άτομα άνθρακα(Οι ομοιοπολικοί δεσμοί του άνθρακα είναι αυτοί που προσδίδουν την μεγάλη αντοχή του υλικού). 
Όταν το σύρμα τοποθετηθεί κάθε στοιχειώδης μάζα του κάτω από τη γεωστατική τροχιά δέχεται συνισταμένη δύναμη(τάση) προς τα κάτω και κάθε στοιχειώδης μάζα πάνω από τη γεωστατική τροχιά δέχεται συνισταμένη δύναμη προς τα πάνω. Συμπέρασμα: Τη μεγαλύτερη τάση δέχεται το σύρμα στη γεωστατική τροχιά, επομένως το σύρμα στη γεωστατική τροχιά πρέπει να έχει μεγάλη επιφάνεια για να αντέξει στη μεγάλη τάση, έτσι το σύρμα έχει σχήμα κώνου με τη βάση στη γεωστατική τροχιά και κορυφή στη γη και στο αντίβαρο. Όποιος ενδιαφέρεται για όλη αυτή τη φυσική του σύρματος (εκ των πραγμάτων δύσκολη) υπάρχει μία πολύ καλή αναλυτική παρουσίαση στο Youtube ” Τhe physics of space elevators”.
Όσον αφορά την τοποθέτηση του νήματος και του αντίβαρου τα πράγματα επίσης δυσκολεύουν. Δυσκολεύουν σήμερα, στο μέλλον μπορεί να βρεθούν λύσεις και θα βρεθούν. Μία ιδέα είναι το πολύ λεπτό νήμα να τηλιχτεί σε ένα μεγάλο καρούλι. Όταν το καρούλι φτάσει στη χαμηλή δορυφορική τροχιά ξετυλήγεται και όταν φτάσει στη γη προσδένεται στον σταθμό βάσης ενώ το διαστημόπλοιο με το καρούλι ανέρχεται σε μεγαλύτερο ύψος μέχρι το σταθμό στη γεωστατική τροχιά. Η συνέχεια είναι εύκολη σχετικά καθώς το σύρμα ανεβαίνει μόνο του(μεγαλύτερη φυγόκεντρος).
ΚΑΙ ΜΙΑ ΑΠΟΡΙΑ. Γιατί πρέπει το κέντρο μάζας της κατασκευής να είναι πολύ πιο πάνω από την γεωστατική τροχιά; Εγώ νομίζω ότι όταν το είχα βρεί και δε θυμάμαι που δεν το μετέφρασα σωστά. Όχι πρέπει να είναι αλλά είναι. Έτσι κι αλλιώς αφού το μήκος πάνω από τη γεωστρατική τροχιά είναι μεγαλύτερο το κέντρο μάζας είναι σίγουρα πάνω από τη γεωστατική τροχιά. Το πολύ πιο πάνω σημαίνει πολύ μεγάλη μάζα αντίβαρου που ούτως ή άλλως είναι πολύ μεγάλη για να δέχεται μεγάλη φυγόκεντρο για να κρατά το σύρμα τεντωμένο.
