في القرن الحادي والعشرين، لم تعد المصاعد مجرد آليات ترفع الأحمال إلى ارتفاع معين. مع زيادة السرعة والقدرة على التحميل، أصبحت المصاعد أكثر من مجرد مركبات.

وكمثال على ذلك، يمكننا أن نقدم عملاق السيارات الياباني، ميتسوبيشي. وقام مهندسوها بتطوير مصعد قادر على الارتفاع بسرعة 60 كم/ساعة. ولكن كما سترون الآن، هذا ليس الحد الأقصى.

وبطبيعة الحال، تم تصميم هذه المصاعد لأطول المباني في العالم - ناطحات السحاب. ولا يهم في أي بلد يقع المبنى، والشيء الرئيسي هو أن المصعد يعمل. وإلا كيف يمكنك رفع الناس إلى ارتفاع 50 طابقا؟ وفي 100؟ إذا ظل معدل الصعود كما هو، فسوف يتدفق الوقت ببطء لا يصدق. ولذلك، فإن قدرة المصاعد تتزايد كل يوم.

الأفضل في هذا الأمر هم اليابانيون. أعلنت شركة أوباياشي، بعد بعض التفكير، أن ناطحات السحاب بعيدة كل البعد عن الحد الأقصى. يقوم مهندسو الشركة بإنشاء مصعد إلى الفضاء. زمن الإنشاء: حوالي 40 سنة. على الأرجح، بحلول عام 2050 سيتم الانتهاء من البناء الفخم.

من المخطط جعل مقصورة المصعد واسعة قدر الإمكان لرفع عشرات الأشخاص. سوف يرتفع الناس حتى يجدوا أنفسهم في الفضاء. من الناحية التكنولوجية هذا ممكن. بعد كل شيء، قام مهندسون من اليابان بتطوير كابل خاص مصنوع من أنابيب الكربون النانوية. هذه المادة أقوى بحوالي عشرين مرة وأكثر متانة من أقوى أنواع الفولاذ في العالم، ويمكنك مشاهدة أفلام وثائقية حول هذا الموضوع عبر الإنترنت. علاوة على ذلك، سيرتفع المصعد بسرعة 200 كم/ساعة، مما يعني الوصول إلى ارتفاع 36 ألف كيلومتر خلال أسبوع واحد فقط.

من الصعب تحديد من سيخصص الأموال لمثل هذا المشروع. بعد كل شيء، استمر تطوير المصعد الفضائي لسنوات عديدة، بدءًا من النظريات حول هذا الأمر في بداية القرن العشرين.

عادة، يتم الاستيلاء على مثل هذه المشاريع الطموحة من قبل موظفي ناسا، لكنهم الآن، مثل الولايات المتحدة ككل، لديهم مشاكل ضخمة في المجال الاقتصادي.

هل سيكون اليابانيون قادرين على تنفيذ مثل هذا المشروع الضخم؟ هل ستكون قادرة على دفع تكاليفها وتحقيق ربح حقيقي؟ لن نتمكن من الإجابة على هذه الأسئلة. ومع ذلك، فإن حقيقة تفكير اليابانيين من حيث العقود المقبلة تذكرنا مرة أخرى بأن التخطيط ليس أقوى سمة للعقلية الروسية.

وطالما يتم تعميم العلوم في اليابان بهذه الطريقة، فلا داعي للقلق بشأن قطاعها التكنولوجي، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتسويق والاقتصاد، والذي بدوره يغذي العلم.

سيقوم اليابانيون ببناء مصعد إلى الفضاء بحلول عام 2050

سيكون هذا الجهاز قادرًا على إيصال الأشخاص والبضائع إلى المحطة الفضائية، والتي ستظهر أيضًا في المستقبل.

أعلنت شركة أوباياشي اليابانية عن خططها لبناء مصعد إلى الفضاء بحلول عام 2050. ويعد اليابانيون بأنه سيكون قادرًا على الارتفاع إلى ارتفاع 60 ألف ميل ونقل الأشخاص والبضائع إلى محطة فضائية، والتي ستظهر أيضًا في المستقبل البعيد. تقارير ايه بي سي نيوز.

ويضمن المصنعون أيضًا أن المصعد الجديد سيكون أكثر أمانًا وأرخص من المكوك الفضائي. وفي الوقت الحالي، تبلغ تكلفة إرسال كيلوغرام واحد من البضائع بالحافلة المكوكية حوالي 22 ألف دولار. وسيتمكن جهاز الخيال العلمي أوباياشي من نقل ما يصل إلى 200 كيلوغرام مقابل نفس المبلغ.

تعتقد إدارة شركة البناء أن ظهور نظام النقل هذا سيصبح ممكنًا مع ظهور المواد الكربونية النانوية. وفقًا للمدير التنفيذي لشركة أوباياشي، يوجي إيشيكاوا، ستكون كابلات المصعد عبارة عن أنابيب نانوية مستقبلية أقوى بمئة مرة من تلك المصنوعة من الفولاذ. في الوقت الحالي، لا يمكننا إنشاء كابلات طويلة. وقال إنه لا يزال بإمكاننا صنع أنابيب نانوية قطرها 3 سنتيمترات، ولكن بحلول عام 2030 سننجح، مضيفا أن المصعد سيكون قادرا على إيصال ما يصل إلى 30 شخصا إلى المحطة الفضائية في أسبوع واحد فقط.

يعتقد أوباياشي أن مصعده سيحدث ثورة في السفر إلى الفضاء. تقوم الشركة بإشراك الطلاب من جميع الجامعات في اليابان للعمل في هذا المشروع. كما أنها تأمل في التعاون مع العلماء الأجانب.

تعتبر المصاعد اليابانية من أفضل المصاعد في العالم. كما تعمل شركة يابانية حاليًا على تطوير أسرع مصعد على وجه الأرض. وستقدمها شركة هيتاشي إلى إحدى ناطحات السحاب الصينية. وسيكون هذا المصعد قادرا على الوصول إلى سرعات تصل إلى 72 كيلومترا في الساعة ويرتفع إلى ارتفاع 440 مترا، أي حتى الطابق 95.

منذ حوالي خمسين عامًا، اعتقد الناس أنه بحلول عصرنا هذا، ستكون الرحلات الفضائية متاحة مثل السفر بوسائل النقل العام في أيامهم. ولسوء الحظ، فإن هذه الآمال لم تتحقق. ولكن ربما سيكون من الممكن بالفعل في عام 2050 الوصول إلى الفضاء بالمصعد - وقد قدمت شركة Obayashi Corporation اليابانية مفهوم هذه السيارة.

المصاعد مختلفة! يوجد مصعد عادي، ويوجد مصعد في الحمام، ويوجد مصعد داخل حوض السمك، وتعد شركة أوباياشي بإطلاق مصعد إلى الفضاء خلال عقود قليلة! في الواقع، هناك العديد من المجموعات العلمية والهندسية حول العالم، التي تشرف عليها وكالة الفضاء ناسا، تعمل على إنشاء مثل هذه التقنيات. ومع ذلك، وفقا لليابانيين، فإن هذه العملية تتم ببطء شديد، لذلك قررت شركة أوباياشي تطوير مصعد فضائي بشكل مستقل.

الإنجاز الرئيسي لمسابقات ناسا هو أنها أثبتت إمكانية إنشاء مصعد فضائي. تعد شركة أوباياشي بإطلاق هذه السيارة غير العادية بحلول عام 2050!

وسيقود هذا المصعد من الأرض إلى المحطة الفضائية الواقعة على ارتفاع 36 ألف كيلومتر. لكن طول الكابل سيكون 96 ألف كيلومتر. يعد ذلك ضروريًا لإنشاء ثقل موازن مداري. في المستقبل، يمكن استخدامه لتمديد مسار المصعد.

أخبار العلماء مستعدون لبناء مصعد ماسي إلى الفضاءيمكنك القراءة على هواتفك وأجهزة iPad وiPhone وAndroid وغيرها من الأجهزة.

اكتشف العلماء في جامعة ولاية بنسلفانيا طريقة لإنشاء خيوط نانوية رقيقة للغاية من الماس والتي ستكون مثالية لرفع مصعد فضائي إلى القمر. وقد اقترح الخبراء سابقًا أن خيوط الألماس النانوية يمكن أن تكون مادة مثالية لإنشاء كابل للمصعد إلى الفضاء.

قام الفريق، بقيادة أستاذ الكيمياء جون بيدنج، بإخضاع جزيئات البنزين المعزولة لدورات ضغط متناوبة في بيئة سائلة. واندهش المختصون من النتيجة، عندما تجمعت ذرات الكربون في سلسلة مرتبة ومبنية بشكل متقن. ابتكر العلماء خيوط نانوية أصغر بـ 20 ألف مرة من شعر الإنسان. ومع ذلك، فإن سلاسل الماس هي التي قد تكون أقوى مادة على وجه الأرض.

وفي الآونة الأخيرة، قام فريق من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا في أستراليا بمحاكاة تخطيط خيوط الماس النانوية باستخدام دراسات ديناميكية جزيئية واسعة النطاق. وتوصل الفيزيائيون إلى استنتاج مفاده أن مثل هذه المادة ستكون أكثر مرونة في المستقبل مما كان يعتقد سابقًا، إذا تم اختيار التركيب الجزيئي بشكل صحيح.

وافترض العلماء أن إطالة خيط الماس قد تؤدي في نهاية المطاف إلى جعل المادة الناتجة هشة للغاية، لكن الأبحاث أثبتت عكس ذلك. لذلك، تتمتع خيوط الكربون النانوية بفرصة كبيرة لاستخدامها في الفضاء، بما في ذلك ككابل للمصعد إلى القمر، والذي تم اقتراح مفهومه لأول مرة في عام 1895.

المصادر: spaceon.ru، www.bfm.ru، dlux.ru، news.ifresh.ws، mirkosmosa.ru

ترتيب المتنورين لآدم وايزهاوبت

الصين - مناطق الجذب

مونيز

أسرار ستونهنج

عامل الجذب الرئيسي في نيبال

نيبال هي أعلى دولة جبلية في العالم. وهنا تقع جبال الهيمالايا الشهيرة التي يحلم جميع المتسلقين بتسلقها. ...

عقدة النقص

أحد المفاهيم الأكثر إثارة للاهتمام في علم النفس هو عقدة النقص. إن فهم سيكولوجية هذا العقد هو خطوة مهمة في حل هذه المشكلة...

ترتيب صهيون. الدردار المقطوع

المعلومات التي تفيد بأن جماعة سيون، المعروفة باسم أخوية سيون، هي منظمة حقيقية، أصبحت متاحة للجمهور لأول مرة في عام 1956...

كتاب قديم عن قبر تيمورلنك

ولم يكن مالك كايوموف الشاهد الوحيد على هذه الحادثة الغريبة. شاهد عيان آخر على تحذير الكبار من المقهى هو كمال عيني ابن...

المؤتمر الأقاليمي الرابع لأطفال المدارس

"الطريق إلى النجوم"

مصعد الفضاء خيال أم حقيقة؟

مكتمل:

____________________

مشرف:

___________________

ياروسلافل

مقدمة

أفكار مصعد الفضاء بقلم K.E. تسيولكوفسكي، يو.ن. أرتسوتانوفا، ج.ج. بولياكوفا

تصميم مصعد الفضاء

وصف المشاريع الحديثة

خاتمة

مقدمة

في عام 1978، نُشرت رواية الخيال العلمي لآرثر سي. كلارك "ينابيع الجنة"، والتي خصصت لفكرة بناء مصعد فضائي. تجري الأحداث في القرن الثاني والعشرين في جزيرة تابروبان غير الموجودة، والتي، كما يشير المؤلف في المقدمة، تتوافق مع 90٪ من جزيرة سيلان (سريلانكا).

في كثير من الأحيان، يتنبأ كتاب الخيال العلمي بظهور اختراع ليس من قرنهم، ولكن في وقت لاحق بكثير.

ما هو مصعد الفضاء؟

المصعد الفضائي هو مفهوم هيكل هندسي لإطلاق البضائع إلى الفضاء بدون صواريخ. يعتمد هذا التصميم الافتراضي على استخدام كابل يمتد من سطح الكوكب إلى محطة مدارية تقع في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض. لأول مرة، عبر كونستانتين تسيولكوفسكي عن هذه الفكرة في عام 1895، وقد تم تطوير الفكرة بالتفصيل في أعمال يوري أرتسوتانوف.

الغرض من هذا العمل هو دراسة إمكانية بناء مصعد فضائي.

أفكار مصعد الفضاء بقلم K.E. تسيولكوفسكي، يو.ن. أرتسوتانوف وج. بولياكوفا

كونستانتين تسيولكوفسكي عالم ومخترع ومدرس روسي وسوفييتي علم نفسه بنفسه. مؤسس علم الملاحة الفضائية النظري. وبرر استخدام الصواريخ في الرحلات الفضائية وتوصل إلى استنتاج حول ضرورة استخدام "القطارات الصاروخية" - نماذج أولية للصواريخ متعددة المراحل. تتعلق أعماله العلمية الرئيسية بالطيران وديناميكيات الصواريخ والملاحة الفضائية.

ممثل الكونية الروسية، عضو الجمعية الروسية لمحبي الدراسات العالمية. مؤلف أعمال الخيال العلمي ومؤيد ومروج لأفكار استكشاف الفضاء. اقترح تسيولكوفسكي ملء الفضاء الخارجي باستخدام المحطات المدارية. كان يعتقد أن تطور الحياة على أحد كواكب الكون سيصل إلى هذه القوة والكمال مما يجعل من الممكن التغلب على قوى الجاذبية ونشر الحياة في جميع أنحاء الكون.

في عام 1895، كان العالم الروسي كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي أول من صاغ مفهوم ومفهوم المصعد الفضائي. ووصف هيكلًا قائمًا بذاته يمتد من مستوى الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. وبارتفاع 36 ألف كيلومتر فوق خط الاستواء، وباتباع اتجاه دوران الأرض، عند نقطة النهاية بفترة مدارية مدتها يوم واحد بالضبط، سيبقى هذا الهيكل في موضع ثابت.

يو
ري نيكولايفيتش أرتسوتانوف هو مهندس روسي ولد في لينينغراد. خريج لينينغرادسكي

يُعرف المعهد التكنولوجي بأنه أحد رواد فكرة المصعد الفضائي. في عام 1960، كتب مقالًا بعنوان "إلى الفضاء - بواسطة قاطرة كهربائية"، حيث ناقش مفهوم المصعد الفضائي باعتباره وسيلة فعالة من حيث التكلفة وآمنة ومريحة للوصول إلى المدار لتسهيل استكشاف الفضاء.

طور يوري نيكولاييفيتش فكرة كونستانتين تسيولكوفسكي. اعتمد مفهوم أرتسوتانوف على ربط الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض بكابل متصل بالأرض. واقترح استخدام القمر الصناعي كقاعدة لبناء البرج، حيث سيبقى القمر الصناعي المتزامن مع الأرض فوق نقطة ثابتة على خط الاستواء. وبمساعدة ثقل الموازنة، سيتم إنزال الكابل من المدار المتزامن مع الأرض إلى سطح الأرض، بينما سيتحرك الثقل الموازن بعيدًا عن الأرض، مع الحفاظ على مركز كتلة الكابل ثابتًا بالنسبة للأرض.

أ اقترح رتسوتانوف ربط أحد طرفي هذا "الحبل" بخط استواء الأرض، وربط وزن متوازن بالطرف الثاني، الواقع بعيدًا عن الغلاف الجوي للكوكب. ولو كان "الحبل" طويلا بما فيه الكفاية، لتجاوزت قوة الطرد المركزي قوة الجاذبية ومنعت سقوط الحمولة على الأرض. من الحسابات التي قدمها أرتسوتانوف، يترتب على ذلك أن قوة الجذب وقوة الطرد المركزي متساوية على ارتفاع حوالي 42000 كيلومتر. إن نتيجة هذه القوى، التي تساوي الصفر، تعمل على تثبيت "الحجر" بشكل موثوق في ذروته.

الآن سوف تسير القاطرات الكهربائية المغلقة عموديًا نحو الأعلى - نحو المدار. ستساعد الزيادة السلسة في السرعة والكبح السلس على تجنب الحمولة الزائدة التي تتميز بها عملية إطلاق الصاروخ. وبعد عدة ساعات من السفر بسرعة 10 - 20 كيلومترا في الثانية، ستتبع المحطة الأولى - عند نقطة الاعتدال، حيث ستفتح محطة إعادة الشحن المنتشرة في انعدام الجاذبية أبواب الحانات والمطاعم والصالات - ورائعة منظر للأرض من النوافذ.

بعد التوقف، لن تكون المقصورة قادرة على التحرك دون إهدار الطاقة فحسب، حيث سيتم إلقاؤها بعيدًا عن الأرض بواسطة قوة الطرد المركزي، ولكن أيضًا، بالإضافة إلى ذلك، سيولد المحرك، الذي تم تحويله إلى وضع الدينامو، الكهرباء اللازمة للعودة .

أما المحطة الثانية والأخيرة فقد اقترح أن تكون على مسافة 60 ألف كيلومتر من الأرض، حيث ستكون القوى الناتجة مساوية لقوة الجاذبية على سطح الأرض، وتسمح بنشوء جاذبية صناعية في "المحطة النهائية". ". هنا، على حافة أطول تلفريك، سيكون هناك ميناء فضائي مداري حقيقي. كما هو متوقع، سيطلق سفن الفضاء عبر النظام الشمسي، مما يمنحها سرعة محترمة ويحدد المسار.

لا يريد يوري أرتسوتانوف أن يقتصر على حبل بدائي ، فقد علق عليه محطات الطاقة الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى تيار كهربائي ، وملفات لولبية تولد مجالًا كهرومغناطيسيًا. ولا بد أن تتحرك «قاطرة كهربائية» في هذا المجال.

إذا قمنا بتقدير وزن سطح الطريق المغناطيسي هذا، مع الأخذ في الاعتبار طول 60 ألف كيلومتر، فسيتبين - مئات الملايين من الأطنان؟ أكثر بكثير. ستكون هناك حاجة إلى أكثر من ألف صاروخ لسحب هذا الوزن إلى المدار! في ذلك الوقت بدا الأمر مستحيلا.

ومع ذلك، هذه المرة توصل العالم إلى الفكرة الصحيحة: ليس من الضروري بناء المصعد من الأسفل إلى الأعلى، مثل برج سيكلوب ضخم - يكفي إطلاق قمر صناعي اصطناعي إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض، والذي سينطلق منه الخيط الأول يتم خفضها. وفي مقطعه العرضي، يكون هذا الخيط أرق من شعرة الإنسان، بحيث لا يتجاوز وزنه ألف طن. بعد تثبيت الطرف الحر للخيط على سطح الأرض، سيتم تشغيل "العنكبوت" من الأعلى إلى الأسفل على طول الخيط - وهو جهاز خفيف ينسج خيطًا ثانيًا متوازيًا. وسيعمل حتى يصبح الحبل سميكًا بدرجة كافية لدعم "القاطرة الكهربائية"، واللوحة الكهرومغناطيسية، ومحطات الطاقة الشمسية، وغرف الراحة والمطاعم.

من المفهوم تمامًا لماذا ظلت فكرة يوري فاليريفيتش أرتسوتانوف في عصر سباقات الفضاء دون أن يلاحظها أحد. في ذلك الوقت لم تكن هناك مادة قادرة على تحمل مثل هذا الضغط العالي للكابل.

وفي تطوير أفكار أرتسوتانوف، اقترح جورجي بولياكوف من معهد أستراخان التربوي مشروعه للمصعد الفضائي في عام 1977.

في الأساس، لا يختلف هذا المصعد تقريبًا عن المصعد الموصوف أعلاه. يشير بولياكوف فقط إلى أن المصعد الفضائي الحقيقي سيكون أكثر تعقيدًا بكثير من ذلك الذي وصفه أرتسوتانوف. في الواقع، سيتكون من سلسلة من المصاعد البسيطة ذات الأطوال المتناقصة بشكل متتابع. كل منها عبارة عن نظام متوازن ذاتيًا، ولكن فقط بفضل وصول أحدهم إلى الأرض، يتم ضمان استقرار الهيكل بأكمله.

تم اختيار طول المصعد (حوالي 4 أضعاف قطر الأرض) بطريقة تجعل الجهاز المنفصل عن قمته قادرًا على التحرك بالقصور الذاتي إلى الفضاء الخارجي. في أعلى نقطة ستكون هناك نقطة إطلاق للمركبات الفضائية بين الكواكب. والسفن العائدة من الرحلة، بعد أن دخلت في السابق مدارًا ثابتًا، "ترفع" في منطقة القاعدة.

من وجهة نظر التصميم، يتكون المصعد الفضائي من أنبوبين متوازيين أو أعمدة ذات مقطع عرضي مستطيل، يختلف سمك جدرانها وفقًا لقانون معين. على طول إحداهما تتحرك الكبائن للأعلى وعلى طول الأخرى - للأسفل. بالطبع، لا شيء يمنعك من بناء العديد من هذه الأزواج. قد لا يكون الأنبوب مستمرًا، ولكنه يتكون من العديد من الكابلات المتوازية، ويتم تثبيت موضعها بواسطة سلسلة من الإطارات المستطيلة المستعرضة. وهذا يجعل من السهل تركيب وإصلاح المصعد.

كبائن المصعد هي مجرد منصات مدفوعة بمحركات كهربائية فردية. يتم إرفاق الأحمال أو الوحدات السكنية بها - بعد كل شيء، يمكن أن تستمر الرحلة في المصعد لمدة أسبوع، أو حتى أكثر.

لتوفير الطاقة، يمكنك إنشاء نظام يشبه التلفريك. وتتكون من سلسلة من البكرات يتم من خلالها إلقاء الكابلات المغلقة ذات الكبائن المعلقة عليها. يتم تثبيت محاور البكرة، حيث يتم تركيب المحركات الكهربائية، على حامل المصعد. هنا يكون وزن الكابينة الصاعدة والهابطة متوازنًا بشكل متبادل، وبالتالي يتم إنفاق الطاقة فقط على التغلب على الاحتكاك.

بالنسبة لـ "خيوط التوصيل" التي يتكون منها المصعد نفسه، من الضروري استخدام مادة تكون نسبة ضغط كسرها إلى كثافتها أكبر بـ 50 مرة من الفولاذ. يمكن أن تكون هذه "مركبات" مختلفة أو فولاذ رغوي أو سبائك البريليوم أو شعيرات كريستالية...

إلا أن جورجي بولياكوف لا يتوقف عند توضيح خصائص المصعد الفضائي. ويشير إلى حقيقة أنه بحلول نهاية القرن العشرين، سيكون المدار المتزامن مع الأرض "مليئًا" بكثافة بالمركبات الفضائية من مختلف الأنواع والأغراض. وبما أنهم جميعا سيكونون بلا حراك تقريبا بالنسبة لكوكبنا، فمن المغري للغاية ربطهم بالأرض ومع بعضهم البعض باستخدام المصاعد الفضائية والطريق السريع للنقل الدائري.

وبناء على هذا الاعتبار، يطرح بولياكوف فكرة وجود "قلادة" كونية للأرض. ستكون القلادة بمثابة نوع من التلفريك (أو السكك الحديدية) بين المحطات المدارية، وستوفر لها أيضًا توازنًا مستقرًا في المدار المتزامن مع الأرض.

وبما أن طول “القلادة” كبير جدًا (260 ألف كيلومتر)، فيمكن وضع الكثير من المحطات عليها. إذا، على سبيل المثال، على بعد 100 كيلومتر من المستوطنات، سيكون عددهم 2600. ويبلغ عدد سكانها 10 آلاف نسمة في كل محطة، وسيعيش 26 مليون شخص على الحلبة. وإذا زاد حجم وعدد هذه "الفظائع"، فإن هذا الرقم سيرتفع بشكل حاد.

تصميم مصعد الفضاء

قاعدة

عن قاعدة المصعد الفضائي هي المكان الموجود على سطح الكوكب حيث يتم توصيل الكابل وبدء رفع الحمولة. ويمكن أن تكون متنقلة، وتوضع على متن سفينة عابرة للمحيطات. ميزة القاعدة المتحركة هي القدرة على أداء المناورات لتجنب الأعاصير والعواصف. مزايا القاعدة الثابتة هي مصادر طاقة أرخص ويمكن الوصول إليها بسهولة، والقدرة على تقليل طول الكابل. إن الفارق الذي يبلغ بضعة كيلومترات من الحبل صغير نسبياً، ولكنه يمكن أن يساعد في تقليل السُمك المطلوب لجزءه الأوسط وطول الجزء الممتد إلى ما بعد المدار الثابت بالنسبة للأرض. بالإضافة إلى القاعدة، يمكن وضع منصة على بالونات الستراتوسفير لتقليل وزن الجزء السفلي من الكابل مع إمكانية تغيير الارتفاع لتجنب تدفقات الهواء الأكثر اضطرابًا، وكذلك تخميد الاهتزازات المفرطة على طول الطول بالكامل من الكابل.

كابل

يجب أن يكون الكابل مصنوعًا من مادة ذات قوة شد عالية للغاية بالنسبة لنسبة الجاذبية النوعية. سيكون المصعد الفضائي مبررًا اقتصاديًا إذا كان من الممكن إنتاج كابل على نطاق صناعي وبسعر معقول بكثافة مماثلة للجرافيت وقوة تبلغ حوالي 65-120 جيجا باسكال. وللمقارنة فإن قوة معظم أنواع الفولاذ تبلغ حوالي 1 جيجا باسكال، وحتى أقوى الأنواع لا تزيد عن 5 جيجا باسكال، والفولاذ ثقيل الوزن. تتمتع مادة الكيفلار الأخف بكثير بقوة تتراوح بين 2.6-4.1 جيجا باسكال، بينما تتمتع ألياف الكوارتز بقوة تصل إلى 20 جيجا باسكال وما فوق. وفقًا للنظرية، يجب أن تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بقابلية للتمدد أعلى بكثير من تلك المطلوبة لمصعد الفضاء. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا إنتاجها بكميات صناعية ونسجها في الكابلات قد بدأت للتو في التطور. من الناحية النظرية، يجب أن تكون قوتها أكثر من 120 جيجا باسكال، ولكن من الناحية العملية، كانت أعلى قوة شد للأنابيب النانوية أحادية الجدار هي 52 جيجا باسكال، وفي المتوسط ​​تنكسر في حدود 30-50 جيجا باسكال. أقوى خيط منسوج من الأنابيب النانوية سيكون أضعف من مكوناته.

في تجربة أجراها علماء من جامعة جنوب كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، أظهرت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار قوة محددة أعلى بـ 117 مرة من الفولاذ وأعلى بـ 30 مرة من الكيفلار. كان من الممكن الوصول إلى قيمة 98.9 جيجا باسكال، وكانت القيمة القصوى لطول الأنبوب النانوي 195 ميكرومتر. وفقا لبعض العلماء، حتى أنابيب الكربون النانوية لن تكون قوية بما يكفي لصنع كابل مصعد فضائي.

أتاحت التجارب التي أجراها علماء من جامعة التكنولوجيا في سيدني إمكانية إنشاء ورق الجرافين. تعتبر اختبارات العينات مشجعة: كثافة المادة أقل بخمس إلى ست مرات من كثافة الفولاذ، في حين أن قوة الشد أعلى بعشر مرات من مقاومة الفولاذ الكربوني. وفي الوقت نفسه، يعد الجرافين موصلًا جيدًا للتيار الكهربائي، مما يسمح باستخدامه لنقل الطاقة إلى المصعد كحافلة اتصال.

في يونيو 2013، أعلن مهندسون من جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة عن إنجاز جديد: بفضل التكنولوجيا الجديدة لإنتاج الجرافين، من الممكن الحصول على صفائح بحجم قطري يبلغ عدة عشرات من السنتيمترات وقوة أقل بنسبة 10٪ فقط من النظرية.

سماكة الكابل

يجب أن يتحمل المصعد الفضائي وزنه على الأقل، وهو وزن كبير نظرًا لطول الكابل. تزيد السماكة من ناحية من قوة الكابل، ومن ناحية أخرى تزيد من وزنه، وبالتالي القوة المطلوبة. سيختلف الحمل عليه في أماكن مختلفة: في بعض الحالات، يجب أن يدعم قسم من الحبل وزن الأجزاء الموجودة أدناه، وفي حالات أخرى يجب أن يتحمل قوة الطرد المركزي التي تحمل الأجزاء العلوية من الحبل في المدار. لتحقيق هذا الشرط وتحقيق الأمثلية للكابل عند كل نقطة، سيكون سمكه متغيرًا.

يمكن إثبات أنه مع الأخذ في الاعتبار جاذبية الأرض وقوة الطرد المركزي، ولكن دون الأخذ في الاعتبار التأثير الأصغر للقمر والشمس، سيتم وصف المقطع العرضي للكابل اعتمادًا على الارتفاع بالصيغة التالية:

أين تكون مساحة المقطع العرضي للكابل بدلالة المسافة r من مركز الأرض.

تستخدم الصيغة الثوابت التالية:

- مساحة المقطع العرضي للكابل على مستوى سطح الأرض.

- كثافة مادة الكابل.

- قوة الشد لمواد الكابل.

- التردد الدائري لدوران الأرض حول محورها هو 7.292·10−5 راديان في الثانية.

- المسافة بين مركز الأرض وقاعدة الكابل. ويساوي نصف قطر الأرض تقريبًا 6,378 كيلومترًا.

- تسارع السقوط الحر عند قاعدة الكابل 9.780 م/ث².

تصف هذه المعادلة حبلًا يزداد سمكه في البداية بشكل كبير، ثم يتباطأ نموه على ارتفاع عدة أنصاف أقطار الأرض، ثم يصبح ثابتًا، ويصل في النهاية إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. بعد ذلك، يبدأ سمك في الانخفاض مرة أخرى.

وبالتالي، فإن نسبة مساحات مقطع الكابل عند القاعدة وعند النقطة المستقرة بالنسبة إلى الأرض (r = 42,164 km) هي:

ص
وبوضع هنا كثافة وقوة الفولاذ، وقطر الكابل عند مستوى الأرض 1 سم، نحصل على قطر عند المستوى المستقر بالنسبة إلى الأرض يبلغ عدة مئات من الكيلومترات، مما يعني أن الفولاذ والمواد الأخرى المألوفة لدينا غير صالحة للبناء. مصعد.

ويترتب على ذلك أن هناك أربع طرق لتحقيق سمك كابل أكثر معقولية على مستوى GSO:

استخدم مواد أقل كثافة. وبما أن كثافة معظم المواد الصلبة تقع في نطاق صغير نسبيًا من 1000 إلى 5000 كجم/م3، فمن غير المرجح أن يتم تحقيق أي شيء هنا.

استخدم مواد أكثر متانة. الأبحاث تسير بشكل رئيسي في هذا الاتجاه. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى بعشرات المرات من أفضل أنواع الفولاذ، وسوف تقلل بشكل كبير من سمك الكابل على المستوى المستقر بالنسبة إلى الأرض. نفس الحساب، تم إجراؤه على افتراض أن كثافة الكابل تساوي كثافة ألياف الكربون ρ = 1.9 جم / سم 3 (1900 كجم / م 3)، مع قوة نهائية σ = 90 GPA (90 109 باسكال) وقطر الكابل عند تسمح لك القاعدة التي يبلغ طولها 1 سم (0.01 م) بالحصول على قطر كابل عند GSO يبلغ 9 سم فقط.

ارفع قاعدة الكابل إلى أعلى. ونظرًا لوجود الأسي في المعادلة، فإن رفع القاعدة قليلاً حتى يقلل بشكل كبير من سمك الكابل. يتم اقتراح أبراج يصل ارتفاعها إلى 100 كيلومتر، والتي، بالإضافة إلى توفير الكابل، ستتجنب تأثير العمليات الجوية.

اجعل قاعدة الكابل رفيعة قدر الإمكان. لا يزال يتعين أن يكون سميكًا بدرجة كافية لدعم الرفع المحمل، وبالتالي فإن الحد الأدنى لسمك القاعدة يعتمد أيضًا على قوة المادة. ويحتاج الكابل المصنوع من أنابيب الكربون النانوية إلى أن يكون سمك قاعدته ملليمترًا واحدًا فقط.

هناك طريقة أخرى وهي جعل قاعدة المصعد متحركة. إن التحرك حتى بسرعة 100 م/ث سيعطي بالفعل زيادة في السرعة الدائرية بنسبة 20% ويقلل طول الكابل بنسبة 20-25%، مما يجعله أخف بنسبة 50% أو أكثر. إذا قمت "بتثبيت" الكابل على طائرة أو قطار أسرع من الصوت، فلن يتم قياس الزيادة في كتلة الكابل بالنسب المئوية، ولكن بعشرات المرات (لكن الخسائر الناجمة عن مقاومة الهواء لا تؤخذ في الاعتبار). هناك أيضًا فكرة لاستخدام خطوط القوة الشرطية للمجال المغناطيسي للأرض بدلاً من الكابل المصنوع من الأنابيب النانوية.

ثقل الموازنة

يمكن إنشاء ثقل الموازنة بطريقتين - عن طريق ربط جسم ثقيل (على سبيل المثال، كويكب أو مستوطنة فضائية أو رصيف فضائي) خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض، أو عن طريق مد الحبل نفسه لمسافة كبيرة خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض. الخيار الثاني مثير للاهتمام لأنه من الأسهل إطلاق الأحمال إلى الكواكب الأخرى من نهاية الكابل الممدود، لأنه يحتوي على سرعة كبيرة بالنسبة للأرض.

الزخم الزاوي والسرعة والميل

وتزداد السرعة الأفقية لكل قسم من الكابل مع الارتفاع بما يتناسب مع المسافة إلى مركز الأرض، فتصل إلى السرعة الكونية الأولى في المدار الثابت بالنسبة للأرض. ولذلك، عند رفع حمولة، فإنه يحتاج إلى الحصول على زخم زاوي إضافي (السرعة الأفقية). يتم الحصول على الزخم الزاوي بسبب دوران الأرض. في البداية، يتحرك المصعد بشكل أبطأ قليلاً من الكابل (تأثير كوريوليس)، وبالتالي "يبطئ" الكابل ويحرفه قليلاً نحو الغرب. عند سرعة الصعود 200 كم/ساعة، سوف يميل الكابل بمقدار درجة واحدة. يقوم المكون الأفقي للتوتر في كابل غير عمودي بسحب الحمل إلى الجانب، مما يؤدي إلى تسريعه في الاتجاه الشرقي - ونتيجة لذلك، يكتسب المصعد سرعة إضافية. وفقًا لقانون نيوتن الثالث، فإن الكابل يبطئ حركة الأرض بمقدار قليل، والثقل الموازن بمقدار كبير، ونتيجة لتباطؤ دوران الثقل الموازن، سيبدأ الكابل بالالتفاف حول الأرض. في الوقت نفسه، فإن تأثير قوة الطرد المركزي يجبر الكابل على العودة إلى الوضع الرأسي المناسب للطاقة، بحيث يكون في حالة توازن مستقر. إذا كان مركز ثقل المصعد دائمًا فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض، بغض النظر عن سرعة المصعد، فلن يسقط. بحلول الوقت الذي تصل فيه الحمولة إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO)، يكون زخمها الزاوي كافيًا لإطلاق الحمولة إلى المدار. إذا لم يتم تحرير الحمل من الكبل، فعند التوقف عموديًا عند مستوى GSO، سيكون في حالة توازن غير مستقر، ومع دفعة متناهية الصغر إلى الأسفل، سيترك GSO ويبدأ في السقوط على الأرض عموديًا التسارع، مع التباطؤ في الاتجاه الأفقي. سيتم نقل فقدان الطاقة الحركية من المكون الأفقي أثناء الهبوط من خلال الكابل إلى الزخم الزاوي لدوران الأرض، مما يسرع دورانها. عند دفعه لأعلى، سيترك الحمل أيضًا GSO، ولكن في الاتجاه المعاكس، أي أنه سيبدأ في الارتفاع على طول الكابل مع تسارع من الأرض، ليصل إلى السرعة النهائية في نهاية الكابل. وبما أن السرعة النهائية تعتمد على طول الكابل، فيمكن بالتالي تحديد قيمتها بشكل تعسفي. تجدر الإشارة إلى أن تسارع وزيادة الطاقة الحركية للحمل أثناء الرفع، أي تفككه في دوامة، سيحدث بسبب دوران الأرض، والذي سيتباطأ. هذه العملية قابلة للعكس تمامًا، أي إذا وضعت حملًا على نهاية الكابل وبدأت في خفضه، وضغطه بشكل حلزوني، فإن الزخم الزاوي لدوران الأرض سيزداد وفقًا لذلك. عند خفض الحمل، ستحدث العملية العكسية، وإمالة الكابل إلى الشرق.

انطلق إلى الفضاء

وفي نهاية الكابل على ارتفاع 144 ألف كيلومتر، سيكون المكون العرضي للسرعة 10.93 كيلومترًا في الثانية، وهو أكثر من كافٍ لمغادرة مجال الجاذبية الأرضية وإطلاق السفن إلى زحل. إذا سُمح للجسم بالانزلاق بحرية على طول الجزء العلوي من الحبل، فسيكون لديه سرعة كافية للهروب من النظام الشمسي. سيحدث هذا بسبب انتقال الزخم الزاوي الإجمالي للكابل (والأرض) إلى سرعة الجسم المطلق. لتحقيق سرعات أكبر، يمكنك إطالة الكابل أو تسريع الحمل باستخدام الكهرومغناطيسية.

وصف المشاريع الحديثة

ظهرت مقترحات أكثر تفصيلاً في منتصف وأواخر القرن العشرين. وكان من المأمول أن يُحدث المصعد الفضائي ثورة في الوصول إلى الفضاء القريب من الأرض، إلى القمر والمريخ وحتى أبعد من ذلك. هذا المبنىاستطاع مرة واحدة وإلى الأبد لحل المشكلة المرتبطة بإرسال شخص إلى الفضاء. سيساعد المصعد بشكل كبير العديد من وكالات الفضاء في نقل رواد الفضاء إلى مدار كوكبنا. وقد يعني إنشائها نهاية الصواريخ الملوثة للفضاء.ومع ذلك، فإن الاستثمار الأولي ومستوى التكنولوجيا المطلوبة أوضحا أن مثل هذا المشروع كان غير عملي وأحاله إلى عالم الخيال العلمي.

هل من الممكن حل مشكلة مثل هذا البناء في الوقت الحالي؟ ويعتقد أنصار المصاعد الفضائية أن هناك حاليا إمكانيات كافية لحل هذه المشكلة التقنية. إنهم يعتقدون أن الصواريخ الفضائية عفا عليها الزمن وتسبب ضررا لا يمكن إصلاحه للطبيعة وهي باهظة الثمن بالنسبة للمجتمع الحديث.

ويكمن حجر العثرة في كيفية بناء مثل هذا النظام. يقول فونغ: "في البداية، يجب أن يتم تصنيعه من مادة غير موجودة بعد، ولكنها قوية ومرنة مع خصائص الكتلة والكثافة المناسبة لدعم النقل وتحمل القوى الخارجية المذهلة". "أعتقد أن كل هذا سيتطلب سلسلة من المهام المدارية الأكثر طموحًا والمشي في الفضاء في مدارات أرضية منخفضة ومرتفعة في تاريخ جنسنا البشري."

ويضيف أن هناك أيضًا مخاوف تتعلق بالسلامة. "حتى لو تمكنا من حل الصعوبات التقنية الكبيرة المرتبطة ببناء مثل هذا الشيء،تظهر صورة مخيفة لجبنة عملاقة بها ثقوب أحدثها كل هذا الحطام الفضائي والحطام في الأعلى.

يعمل العلماء حول العالم على تطوير فكرة المصعد الفضائي. أعلن اليابانيون في أوائل عام 2012 أنهم يخططون لبناء مصعد فضائي. وقد أبلغ الأمريكيون عن الشيء نفسه في نهاية عام 2012. في عام 2013، تذكرت وسائل الإعلام الجذور الروسية لـ”المصعد الفضائي”. إذن متى ستصبح هذه الأفكار حقيقة؟

مفهوم شركة أوباياشي اليابانية

تقترح الشركة طريقة البناء التالية: يتم تثبيت أحد طرفي كابل عالي القوة بواسطة منصة ضخمة في المحيط، ويتم تأمين الطرف الآخر إلى محطة مدارية. تتحرك المقصورة المصممة خصيصًا على طول الحبل، والتي يمكنها توصيل البضائع أو رواد الفضاء أو سائحي الفضاء على سبيل المثال.

ويفكر أوباياشي في استخدام أنابيب الكربون النانوية، وهي أقوى بعشرات المرات من الفولاذ، كمادة لصنع الكابل. لكن المشكلة هي أن طول هذه الأنابيب النانوية يقتصر حاليًا على حوالي 3 سم، في حين أن المصعد الفضائي سيتطلب كابلًا يبلغ طوله الإجمالي 96000 كيلومتر. ومن المتوقع أن يكون من الممكن التغلب على الصعوبات القائمة في ثلاثينيات القرن الحالي تقريبًا، وبعد ذلك سيبدأ التنفيذ العملي لمفهوم المصعد الفضائي.

ويدرس أوباياشي بالفعل إمكانية إنشاء مقصورات سياحية خاصة مصممة لاستيعاب ما يصل إلى 30 راكبًا. بالمناسبة، ستستغرق الرحلة إلى المدار عبر كابل مصنوع من أنابيب الكربون النانوية سبعة أيام، لذلك سيتعين توفير أنظمة دعم الحياة الضرورية وإمدادات الغذاء والماء.

ويتوقع أوباياشي إطلاق المصعد الفضائي بحلول عام 2050 فقط.

مصعد الفضاء من مجموعة LiftPort

لن تصبح الأرض فقط هي الشيء الذي سيتم فيه بناء مثل هذا المصعد. وفقا لمجموعة من الخبراء من شركة LiftPort Group، قد يكون القمر بمثابة هذا الكائن.

أساس المصعد الفضائي القمري هو كابل شريطي مسطح مصنوع من مواد عالية القوة. سوف تنتقل جندول النقل على طول هذا الكابل إلى سطح القمر والعودة، لتوصيل الأشخاص والمواد المختلفة والآليات والروبوتات.

سيتم الاحتفاظ بالنهاية "الفضائية" للكابل بواسطة محطة الفضاء PicoGravity Laboratory (PGL) الموجودة عند نقطة L1 Lagrange في نظام القمر-الأرض، وهي النقطة التي تلغي فيها جاذبية القمر والأرض بعضها البعض. على القمر، سيتم توصيل نهاية الكابل بمحطة Anchor Station، الواقعة في منطقة Sinus Medi (تقريبًا في منتصف "وجه" القمر الذي ينظر إلى الأرض) وجزء من البنية التحتية لمصعد الفضاء القمري.

سيتم تنفيذ شد كابل المصعد الفضائي بواسطة ثقل موازن، والذي سيتم تثبيته بواسطة كابل أرق يبلغ طوله 250 ألف كيلومتر، والذي سيكون بالفعل تحت رحمة الجاذبية الأرضية. سيكون للمحطة الفضائية لمختبر PicoGravity هيكل معياري، مشابه لهيكل محطة الفضاء الدولية الحالية، مما سيسمح بتوسيعها بسهولة وإضافة عقد إرساء تسمح لأنواع مختلفة من المركبات الفضائية بالالتحام بالمحطة.

الهدف الرئيسي من هذا المشروع ليس بناء المصعد الفضائي نفسه. سيكون هذا المصعد مجرد وسيلة لتوصيل المركبات الأوتوماتيكية إلى القمر، والتي ستقوم بشكل مستقل باستخراج المعادن المختلفة، بما في ذلك المعادن الأرضية النادرة والهيليوم 3، وهو وقود واعد لمفاعلات الاندماج النووي الحراري المستقبلية، وربما وقود لسفن الفضاء المستقبلية.

“لسوء الحظ، لا يزال هذا المشروع مستحيلاً عملياً بسبب افتقار الناس إلى العديد من التقنيات الأساسية. لكن البحث في معظم هذه التقنيات مستمر منذ بعض الوقت، ومن المؤكد أنه سيأتي وقت ينتقل فيه بناء مصعد فضائي من فئة الخيال العلمي إلى عالم الأشياء الممكنة عمليا.

يعد متخصصو LiftPort Group بإجراء تصميم عملي ومفصل للهيكل بحلول نهاية عام 2019.

"مركبة الكواكب العامة"

دعونا نفكر في مشروع يسمى المركبة الكوكبية العامة (GVT). تم طرحه وإثباته من قبل المهندس أناتولي يونيتسكي من غوميل.

في عام 1982، نُشر مقال في مجلة "التكنولوجيا للشباب" يدعي فيه المؤلف أن البشرية ستحتاج قريبًا إلى مركبة جديدة بشكل أساسي قادرة على توفير النقل على طريق الأرض-الفضاء-الأرض.

وفقًا لـ A. Yunitsky، فإن GPV عبارة عن عجلة مغلقة يبلغ قطرها العرضي حوالي 10 أمتار، وترتكز على جسر علوي خاص مثبت على طول خط الاستواء. ويتراوح ارتفاع الجسر، حسب التضاريس، من عدة عشرات إلى عدة مئات من الأمتار. يتم وضع الجسر على دعامات عائمة في المحيط.

يوجد في قناة مغلقة تقع على طول محور جسم GPV حزام لا نهاية له يحتوي على تعليق مغناطيسي وهو نوع من دوار المحرك. يتم إحداث تيار فيه، والذي سيتفاعل مع المجال المغناطيسي الذي أنشأه، وسيبدأ الشريط، الذي لا يواجه أي مقاومة (يتم وضعه في الفراغ)، في التحرك. بتعبير أدق، في الدوران حول الأرض. عند الوصول إلى سرعة الهروب الأولى، سيصبح الشريط عديم الوزن. مع مزيد من التسارع، ستبدأ قوة الطرد المركزي من خلال التعليق المغناطيسي في ممارسة قوة رفع رأسية متزايدة باستمرار على جسم GPV حتى توازن كل متر طولي منه (ستبدو المركبة وكأنها عديمة الوزن - لماذا لا تكون سفينة مضادة للجاذبية ؟).

يتم وضع البضائع والركاب في مركبة مثبتة على الجسر مع حزام علوي تم لفه مسبقًا بسرعة 16 كم / ثانية، ويبلغ كتلته 9 أطنان لكل متر، وهو نفس الحزام السفلي تمامًا، ولكنه ثابت بلا حراك. يتم ذلك بشكل أساسي داخل جسم GPV وجزئيًا خارجه، ولكن بحيث يتم توزيع الحمل ككل بالتساوي. بعد تحريرها من المقابض التي تمسك GPV على الجسر، سيبدأ قطرها في النمو ببطء تحت تأثير قوة الرفع، وسيرتفع كل متر خطي منه فوق الأرض. وبما أن شكل الدائرة يتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة، فإن السيارة، التي قامت بنسخ ملف تعريف الجسر مسبقًا، ستأخذ شكل حلقة مثالية بعد الرفع.

يمكن ضبط سرعة صعود السيارة على أي جزء من المسار على نطاق واسع: من سرعة المشاة إلى سرعة الطائرة. تمر السيارة عبر القسم الجوي بسرعات دنيا.

وفقًا لأناتولي يونيتسكي، فإن الوزن الإجمالي لـ GPV سيكون 1.6 مليون طن، والقدرة الاستيعابية - 200 مليون طن، وقدرة الركاب - 200 مليون شخص. العدد المقدر لعمليات السير في الفضاء GPV على مدى خمسين عامًا من الخدمة هو 10 آلاف رحلة.

خاتمة

هناك العديد من مشاريع المصاعد الفضائية، وكلها تختلف قليلاً عما اقترحه أرتسوبانوف، لكن العلماء الآن يفترضون أن مواد الأنابيب النانوية ستصبح متاحة.

سيحدث المصعد الفضائي ثورة في صناعة الفضاء من خلال توصيل الأشخاص والبضائع إلى المدار بتكلفة أقل بكثير من مركبات الإطلاق التقليدية.

دعونا نأمل أنه في النصف الثاني من القرن الحادي والعشرين، ستبدأ المصاعد الفضائية في العمل خارج الأرض: على القمر والمريخ وأجزاء أخرى من النظام الشمسي. ومع تطور التكنولوجيا، سوف تنخفض تكاليف البناء تدريجيا.

على الرغم من أن هذه المرة تبدو بعيدة وغير قابلة للتحقيق، إلا أن الأمر متروك لنا كيف سيكون المستقبل ومدى سرعة ظهوره.

اليوم، تستكشف المركبات الفضائية القمر والشمس والكواكب والكويكبات والمذنبات والفضاء بين الكواكب. لكن الصواريخ التي تعمل بالوقود الكيميائي لا تزال وسيلة باهظة الثمن ومنخفضة الطاقة لدفع الحمولات إلى ما هو أبعد من جاذبية الأرض. لقد وصلت تكنولوجيا الصواريخ الحديثة عمليا إلى حدود القدرات التي تحددها طبيعة التفاعلات الكيميائية. هل وصلت البشرية إلى طريق مسدود تكنولوجي؟ لا على الإطلاق، إذا نظرت إلى الفكرة القديمة للمصعد الفضائي.

عند الأصول

أول شخص فكر بجدية في كيفية التغلب على جاذبية الكوكب باستخدام تقنية "السحب" كان أحد مطوري المركبات النفاثة، فيليكس زاندر. على عكس الحالم والمخترع بارون مونشاوزن، اقترح زاندر خيارًا علميًا لمصعد فضائي للقمر. هناك نقطة على المسار بين القمر والأرض حيث توازن قوى الجاذبية لهذه الأجسام بعضها البعض. وتقع على مسافة 60 ألف كيلومتر من القمر. كلما اقتربنا من القمر، ستكون جاذبية القمر أقوى من جاذبية الأرض، وكلما ابتعدنا عنها ستكون أضعف. لذا، إذا قمت بتوصيل القمر بكابل إلى بعض الكويكبات المتبقية، على سبيل المثال، على مسافة 70 ألف كيلومتر من القمر، فإن الكابل فقط هو الذي سيمنع الكويكب من السقوط إلى الأرض. سيتم تمديد الكابل باستمرار بقوة الجاذبية، وعلى طوله سيكون من الممكن الارتفاع من سطح القمر إلى ما هو أبعد من الجاذبية القمرية. من الناحية العلمية، هذه فكرة صحيحة تمامًا. لم يحظ على الفور بالاهتمام الذي يستحقه فقط لأنه في زمن زاندر لم تكن هناك ببساطة مواد لا ينكسر الكابل منها تحت ثقله.

"في عام 1951، قام البروفيسور بكمنستر فولر بتطوير جسر دائري عائم حول خط استواء الأرض. كل ما هو مطلوب لجعل هذه الفكرة حقيقة هو مصعد فضائي. ومتى سنحصل عليه؟ لا أود أن أخمن، لذا سأقوم بتعديل الإجابة التي قدمها آرثر كانترويتز عندما سأله أحدهم سؤالاً حول نظام إطلاق الليزر الخاص به. سيتم بناء المصعد الفضائي بعد 50 عامًا من توقف الناس عن الضحك على الفكرة. (“المصعد الفضائي: تجربة فكرية أم مفتاح الكون؟” خطاب في المؤتمر الدولي الثلاثين للملاحة الفضائية، ميونيخ، 20 سبتمبر 1979.)

الأفكار الأولى

أيقظت النجاحات الأولى لرواد الفضاء خيال المتحمسين مرة أخرى. في عام 1960، لفت المهندس السوفيتي الشاب، يوري أرتسوتانوف، الانتباه إلى ميزة مثيرة للاهتمام لما يسمى بالأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GSS). وتقع هذه الأقمار الصناعية في مدار دائري بالضبط في مستوى خط استواء الأرض ولها فترة مدارية تساوي طول يوم الأرض. ولذلك، فإن القمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض يحوم باستمرار فوق نفس النقطة على خط الاستواء. اقترح أرتسوتانوف ربط GSS بكابل إلى نقطة تقع تحته على خط استواء الأرض. سيكون الكابل بلا حراك بالنسبة للأرض، وعلى طوله تقترح فكرة إطلاق كابينة مصعد إلى الفضاء. هذه الفكرة المشرقة استحوذت على عقول الكثيرين. حتى أن الكاتب الشهير آرثر سي كلارك كتب رواية خيال علمي بعنوان "نوافير الجنة"، حيث ترتبط الحبكة بأكملها ببناء مصعد فضائي.

مشاكل المصاعد

واليوم، أصبحت فكرة المصعد الفضائي على نظام GSS قيد التنفيذ بالفعل في الولايات المتحدة الأمريكية واليابان، بل ويتم تنظيم مسابقات بين مطوري هذه الفكرة. تهدف الجهود الرئيسية للمصممين إلى العثور على مواد يمكن من خلالها صنع كابل بطول 40 ألف كيلومتر، وهو قادر على دعم ليس فقط وزنه، ولكن أيضًا وزن الأجزاء الهيكلية الأخرى. إنه لأمر رائع أن يتم بالفعل اختراع مادة مناسبة للكابل. هذه هي أنابيب الكربون النانوية. قوتها أعلى بعدة مرات مما هو مطلوب لمصعد فضائي، لكننا ما زلنا بحاجة إلى تعلم كيفية صنع خيط خالٍ من العيوب من هذه الأنابيب يبلغ طوله عشرات الآلاف من الكيلومترات. ليس هناك شك في أن مثل هذه المشكلة التقنية سيتم حلها عاجلاً أم آجلاً.

من الأرض إلى المدار الأرضي المنخفض، يتم تسليم البضائع بواسطة صواريخ الوقود الكيميائي التقليدية. ومن هناك، تقوم القاطرات المدارية بإسقاط البضائع على "منصة المصعد السفلية"، والتي يتم تثبيتها بشكل آمن بواسطة كابل متصل بالقمر. مصعد ينقل البضائع إلى القمر. ونظرًا لغياب الحاجة إلى الكبح (والصواريخ نفسها) في المرحلة الأخيرة وأثناء الصعود من القمر، فمن الممكن تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف. ولكن، على عكس الموصوف في المقال، فإن هذا التكوين يكرر عمليا فكرة زاندر ولا يحل مشكلة إزالة الحمولة من الأرض، مع الحفاظ على تكنولوجيا الصواريخ لهذه المرحلة.

المهمة الثانية والجادة أيضًا في طريق بناء مصعد فضائي هي تطوير محرك للمصعد ونظام إمداده بالطاقة. بعد كل شيء، يجب أن تصعد المقصورة لمسافة 40 ألف كيلومتر دون التزود بالوقود حتى نهاية التسلق! ولم يتوصل أحد بعد إلى كيفية تحقيق ذلك.

توازن غير مستقر

لكن الصعوبة الأكبر، وحتى التي لا يمكن التغلب عليها، التي يواجهها المصعد إلى قمر صناعي ثابت بالنسبة إلى الأرض ترتبط بقوانين الميكانيكا السماوية. إن GSS في مداره الرائع فقط بسبب توازن الجاذبية وقوة الطرد المركزي. وأي انتهاك لهذا التوازن يؤدي إلى تغيير القمر الصناعي مداره وترك "نقطة وقوفه". حتى التباينات الصغيرة في مجال الجاذبية الأرضية، وقوى المد والجزر للشمس والقمر، وضغط ضوء الشمس تؤدي إلى حقيقة أن الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض تنجرف باستمرار. ليس هناك أدنى شك في أنه تحت وطأة نظام المصعد، لن يتمكن القمر الصناعي من البقاء في المدار الثابت بالنسبة للأرض وسيسقط. ومع ذلك، هناك وهم بأنه من الممكن تمديد الحبل إلى ما هو أبعد من المدار الثابت بالنسبة للأرض ووضع ثقل موازن ضخم في نهايته البعيدة. للوهلة الأولى، فإن قوة الطرد المركزي المؤثرة على الثقل الموازن المرفق ستشد الكابل بحيث لا يتمكن الحمل الإضافي من الكابينة الذي يتحرك على طوله من تغيير موضع الثقل الموازن، وسيظل المصعد في وضع العمل. سيكون هذا صحيحًا إذا تم استخدام قضيب صلب غير قابل للانحناء بدلاً من الكابل المرن: فسيتم نقل طاقة دوران الأرض عبر القضيب إلى المقصورة، ولن تؤدي حركتها إلى ظهور قوة جانبية لا يتم تعويضه عن طريق توتر الكابل. وهذه القوة ستؤدي حتماً إلى تعطيل الاستقرار الديناميكي للمصعد القريب من الأرض، وسوف ينهار!

ملعب سماوي

لحسن الحظ بالنسبة لأبناء الأرض، فإن الطبيعة تخبئ لنا حلاً رائعًا - القمر. ليس القمر ضخمًا جدًا لدرجة أنه لا يمكن لأي مصاعد تحريكه فحسب، بل إنه أيضًا في مدار دائري تقريبًا وفي نفس الوقت يواجه الأرض دائمًا بجانب واحد! الفكرة تقترح نفسها ببساطة - مد مصعد بين الأرض والقمر، مع تأمين كابل المصعد بنهاية واحدة فقط، على القمر. يمكن خفض الطرف الثاني من الكابل تقريبًا إلى الأرض نفسها، وسوف تسحبه قوة الجاذبية كخيط على طول الخط الذي يربط بين مراكز كتلة الأرض والقمر. ويجب عدم السماح للطرف الحر بالوصول إلى سطح الأرض. يدور كوكبنا حول محوره، وبالتالي ستكون سرعة نهاية الكابل حوالي 400 متر في الثانية بالنسبة لسطح الأرض، أي التحرك في الغلاف الجوي بسرعة أكبر من سرعة الصوت. لا يمكن لأي هيكل أن يتحمل مثل هذه المقاومة للهواء. ولكن إذا قمت بخفض عربة المصعد إلى ارتفاع 30-50 كم، حيث يكون الهواء مخلخلًا تمامًا، فيمكن إهمال مقاومته. ستبقى سرعة المقصورة حوالي 0.4 كم/ثانية، ويمكن الوصول إلى هذه السرعة بسهولة بواسطة طائرات الستراتوبلان الحديثة على ارتفاعات عالية. من خلال الطيران إلى مقصورة المصعد والالتحام بها (تم تطوير تقنية الالتحام هذه منذ فترة طويلة سواء في بناء الطائرات للتزود بالوقود أثناء الطيران أو في المركبات الفضائية)، يمكنك نقل الحمولة من جانب الطائرة الستراتوبلان إلى المقصورة أو إلى الخلف . بعد ذلك، ستبدأ مقصورة المصعد بالصعود إلى القمر، وستعود الطائرة الستراتوبلان إلى الأرض. بالمناسبة، يمكن ببساطة إسقاط البضائع التي يتم تسليمها من القمر من المقصورة بالمظلة والتقاطها آمنة وسليمة على الأرض أو في المحيط.

تجنب الاصطدامات

يجب أن يحل المصعد الذي يربط الأرض والقمر مشكلة أخرى مهمة. يوجد في الفضاء القريب من الأرض عدد كبير من المركبات الفضائية العاملة وعدة آلاف من الأقمار الصناعية غير النشطة وشظاياها وغيرها من الحطام الفضائي. سيؤدي الاصطدام بين المصعد وأي منهم إلى انقطاع الكابل. ولتجنب هذه المشكلة، يقترح جعل الجزء “السفلي” من الكابل، الذي يبلغ طوله 60 ألف كيلومتر، قابلاً للرفع وإزالته من منطقة حركة الأقمار الصناعية للأرض عندما لا تكون هناك حاجة إليه هناك. إن مراقبة مواقع الأجسام في الفضاء القريب من الأرض قادرة تمامًا على التنبؤ بالفترات التي ستكون فيها حركة عربة المصعد في هذه المنطقة آمنة.

ونش للمصعد الفضائي

يواجه المصعد الفضائي إلى القمر مشكلة خطيرة. تتحرك كابينة المصاعد التقليدية بسرعة لا تزيد عن بضعة أمتار في الثانية، وبهذه السرعة حتى الصعود إلى ارتفاع 100 كيلومتر (إلى الحد الأدنى للفضاء) يجب أن يستغرق أكثر من يوم. حتى لو تحركت بالسرعة القصوى لقطارات السكك الحديدية البالغة 200 كم/ساعة، فإن الرحلة إلى القمر ستستغرق ما يقرب من ثلاثة أشهر. من غير المرجح أن يكون هناك طلب على مصعد قادر على القيام برحلتين فقط إلى القمر سنويًا.

إذا قمت بتغطية الكابل بفيلم موصل فائق، فسيكون من الممكن التحرك على طول الكابل على وسادة مغناطيسية دون الاتصال بمادته. في هذه الحالة، سيكون من الممكن تسريع نصف الطريق وفرامل المقصورة في منتصف الطريق.

تظهر عملية حسابية بسيطة أنه مع تسارع قدره 1 جرام (أي ما يعادل الجاذبية المعتادة على الأرض)، ستستغرق الرحلة بأكملها إلى القمر 3.5 ساعة فقط، أي أن المقصورة ستكون قادرة على القيام بثلاث رحلات إلى القمر يوميًا . يعمل العلماء بنشاط على إنشاء الموصلات الفائقة التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، ويمكن توقع ظهورها في المستقبل المنظور.

لرمي القمامة

ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه في منتصف الرحلة ستصل سرعة المقصورة إلى 60 كم/ثانية. إذا تم فصل الحمولة من المقصورة بعد التسارع، فيمكن توجيهها بهذه السرعة إلى أي نقطة في النظام الشمسي، إلى أي كوكب آخر. وهذا يعني أن المصعد المتجه إلى القمر سيكون قادرًا على توفير رحلات جوية خالية من الصواريخ من الأرض داخل النظام الشمسي.

وإمكانية إلقاء النفايات الضارة من الأرض إلى الشمس باستخدام المصعد ستكون غريبة تمامًا. نجمنا الأصلي هو فرن نووي يتمتع بهذه القوة بحيث أن أي نفايات، حتى المشعة، سوف تحترق دون أن يترك أثرا. لذا فإن المصعد الكامل إلى القمر لا يمكن أن يصبح الأساس للتوسع الفضائي للبشرية فحسب، بل يمكن أيضًا أن يصبح وسيلة لتطهير كوكبنا من إهدار التقدم التكنولوجي.

ظلت فكرة المصعد الفضائي تثير عقول البشرية لسنوات عديدة، منذ اللحظة التي صاغ فيها العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي الفكرة والمفهوم لأول مرة في عام 1895. مستوحى من برج إيفل الذي تم بناؤه مؤخرًا، وصف هيكلًا قائمًا بذاته يمتد من مستوى الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. وبارتفاع 36 ألف كيلومتر فوق خط الاستواء، وباتباع اتجاه دوران الأرض، عند نقطة النهاية بفترة مدارية مدتها يوم واحد بالضبط، سيبقى هذا الهيكل في موضع ثابت.

ظهرت مقترحات أكثر تفصيلاً في منتصف وأواخر القرن العشرين، مع بدء سباق الفضاء ومع تزايد انتشار البعثات المأهولة إلى مدار حول الأرض. كان من المأمول أن يتمكن المصعد الفضائي من تقليل تكلفة الوصول إلى مدار الأرض بشكل كبير، مما يحدث ثورة في الوصول إلى الفضاء القريب من الأرض، إلى القمر والمريخ وما بعده. ومع ذلك، فإن الاستثمار الأولي ومستوى التكنولوجيا المطلوبة أوضحا أن مثل هذا المشروع كان غير عملي وأحاله إلى عالم الخيال العلمي.

في العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين، بدأ التعامل مع هذا المفهوم بجدية أكبر، حيث أصبحت تقنيات . يمكن "نسج" هذه الهياكل الأسطوانية الممتدة التي يتراوح قطرها من واحد إلى عدة عشرات من النانومترات في خيوط ذات أطوال غير محدودة. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه المادة بقوة عالية بما فيه الكفاية وفي نفس الوقت كثافة منخفضة ضرورية لإنشاء كابل مصعد فضائي.

لكن القيود مختلفة: فحتى الآن، يتم إنتاج أنابيب الكربون النانوية بكميات صغيرة. لا يكفي كابل واحد "إلى السماء". في عام 2004، كان الطول القياسي للأنبوب النانوي أحادي الجدار 0.4 سنتيمتر فقط، وفي عام 2006، تمكن العلماء من إطالة المنتج النانوي إلى 7 ملليمتر. وفي عام 2008 تمكن العلماء من نسج "سجادة" من الأنابيب النانوية وصل طولها إلى 185 سم وعرضها 92 سم، ولكن منذ ذلك الحين لم تحدث اختراقات جديدة في هذه الصناعة. هذه التكنولوجيا واعدة للغاية، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين عملية الإنتاج.

وفي الوقت نفسه، يواصل العلماء في جميع أنحاء العالم تطوير فكرة المصعد الفضائي. لذلك أعلن اليابانيون في بداية عام 2012، في نهاية عام 2012. في عام 2013، تذكرت وسائل الإعلام الجذور الروسية لـ "المصعد الفضائي" و. إذن، متى ستصبح مثل هذه الأفكار التي تبدو مجنونة حقيقة؟

إذا اعتمدنا على مبادئ علم المستقبل، واستخدمنا أساليب استقراء البيانات، وافترضنا أن الديناميكيات العالمية لتمويل الأنشطة العلمية ستبقى على نفس المستوى، مع الأخذ في الاعتبار المكونات السياسية والاقتصادية والاجتماعية، فيمكننا التنبؤ بالاكتشافات العلمية بدقة تامة، الوقت التقريبي لإنشاء نموذج أولي وإدخال التقنيات في الإنتاج الضخم وبدء استخدام المجتمع للمنتجات القائمة عليها. على سبيل المثال، قانون مور يعمل في مجال الإلكترونيات منذ أكثر من 40 عامًا.

يؤكد علماء المستقبل، استنادًا إلى الحقائق والأعمال والاتجاهات العلمية، أن الأمر سيستغرق عدة عقود من البحث لتطوير عمليات جديدة لتخليق أنابيب الكربون النانوية. سيحدث مثل هذا الاكتشاف تقريبًا في أربعينيات القرن الحادي والعشرين وسيُحدث ثورة في مجال الهندسة الميكانيكية والبناء. ومع القدرة على "نسج" الأنابيب النانوية المصغرة في خيوط أطول، سوف تحصل البشرية على مواد ذات قوة عالية (أقوى بمئات المرات من الفولاذ وأقوى بعشرات المرات من الكيفلار). وبالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى، ستصبح تكنولوجيا بناء المصعد الفضائي متاحة. ولنتخيل أنه تم تحقيق القوة المطلوبة وهي 130 جيجا باسكال، فماذا بعد ذلك؟ لا تزال هناك مشاكل في التصميم. على سبيل المثال، هل تحتاج إلى تحديد كيفية تحييد الاهتزازات الخطيرة في الكابل الناتجة عن سحب الجاذبية من القمر والشمس، إلى جانب الضغط الناتج عن هبوب الرياح الشمسية؟

ويجب أيضًا التغلب على الصعوبات القانونية والمالية الكبرى. هناك حاجة إلى اتفاقيات دولية جديدة بشأن سلامة الطيران وأمن الطيران والتعويض في حالة وقوع حادث أو حادث إرهابي. ويثير تشغيل آلية التأمين قلقًا خاصًا نظرًا لاحتمال وقوع كارثة إذا حدث خطأ ما. وفي غضون ذلك، سيتم بناء هياكل تجريبية أصغر لتوضيح المفاهيم الأساسية على ارتفاعات منخفضة. وهذا سوف يمهد الطريق في نهاية المطاف لهياكل أكبر بكثير من

وفي أواخر سبعينيات القرن الحادي والعشرين، وبعد 15 عامًا من البناء النشط، سيصبح المصعد الفضائي، الذي يمتد من سطح الأرض إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض، جاهزًا للعمل بكامل طاقته. وستتضمن عملية البناء وضع المركبة الفضائية في وضع ثابت على ارتفاع 35786 كيلومترًا فوق خط الاستواء، ثم إنزال كابل يتوسع تدريجيًا نحو الأرض. كما سيتم وضعه صعودا من هذه النقطة - على ارتفاع يزيد على 47 ألف كيلومتر، حيث لن تخضع الأجسام لقوة الجاذبية الأرضية. سيتم وضع ثقل موازن كبير في الطرف الخارجي للكابل لإبقاء الكابل مشدودًا. من المرجح أن تكون "النقطة المرجعية" وموقع المحطة الأرضية للمصعد الفضائي هي غيانا الفرنسية أو أفريقيا الوسطى أو سريلانكا أو إندونيسيا.

كما هو الحال مع معظم أشكال النقل والبنية التحتية في أواخر القرن الحادي والعشرين، سيتم التحكم في المصعد الفضائي من خلال الأنظمة والبرامج. سيقومون بمراقبة جميع أجزاء الهيكل باستمرار والحفاظ على هيكله وقابليته للخدمة وأدائه. إذا لزم الأمر، يمكن إرسال الروبوتات لإصلاح المشاكل في شبكة الكابلات أو مكونات المصعد الأخرى من مستوى الأرض إلى الفراغ البارد في الفضاء.

سيحدث المصعد الفضائي ثورة في صناعة الفضاء من خلال توصيل الأشخاص والبضائع إلى المدار بتكلفة أقل بكثير من مركبات الإطلاق التقليدية. يمكن رفع أكثر من 1000 طن من المواد إلى الفضاء الخالي من الهواء باستخدام مصعد في يوم واحد، وهو ما يزيد عن وزن محطة الفضاء الدولية، التي استغرق بناؤها أكثر من عقد من الزمن في مطلع القرن.

مثل هذا الارتفاع، بالطبع، يستغرق الكثير من الوقت مقارنة بالصواريخ، لكنه يحدث بسلاسة أكبر، دون زيادة التحميل الزائد ودون استخدام المتفجرات. وعند مغادرة الغلاف الجوي والوصول إلى المدار الأرضي المنخفض، الذي يتراوح بين 160 و2000 كيلومتر، يمكن للسفن التي تحمل البضائع أو الركاب الدخول إلى مدارها الخاص حول الأرض. بالإضافة إلى ذلك، يمكنهم مغادرة المدار المتزامن مع الأرض (تحتاج فقط إلى إضافة السرعة) للهروب من جاذبية الأرض ومواصلة السفر أبعد، إلى أماكن أبعد، على سبيل المثال، إلى القمر أو المريخ.

وفي العقود المقبلة، ستعمل مصاعد فضائية إضافية خارج الأرض: على القمر، والمريخ، وربما حتى في أجزاء أخرى من النظام الشمسي. مع تطور التكنولوجيا، ستنخفض تكلفة الأنابيب النانوية جنبًا إلى جنب مع المخاطر التقنية. علاوة على ذلك، سيكون بناء المصاعد أكثر ملاءمة بسبب الجاذبية المنخفضة: 0.16 جم على القمر و0.38 جم على المريخ.

على الرغم من أن سبعينيات القرن الحادي والعشرين تبدو بعيدة جدًا وبعيدة المنال بالنسبة للكثيرين، نظرًا للمشاكل الحالية في العلوم، فإن الأمر متروك لي ولكم كيف سيكون المستقبل ومدى السرعة التي سيأتي بها.

نشكر ميخائيل أستاخوف والمشروع المستقبلي “المستقبل الآن” على إعداد المقال.

ووفقا للحسابات النظرية، يبدو أنها مادة مناسبة. إذا افترضنا مدى ملاءمتها لصناعة الكابلات، فإن إنشاء مصعد فضائي يعد مشكلة هندسية قابلة للحل، على الرغم من أنها تتطلب استخدام التطورات المتقدمة و. وتقوم ناسا بالفعل بتمويل التطورات ذات الصلة في المعهد الأمريكي للبحث العلمي، بما في ذلك تطوير مصعد قادر على التحرك بشكل مستقل على طول الكابل. من المفترض أن تكون هذه الطريقة في المستقبل أرخص بكثير من استخدام مركبات الإطلاق.

يوتيوب الموسوعي

1 / 5

✪ مصعد الفضاء، تذكرتنا إلى الفضاء!

✪ مصعد فضائي إلى القمر | قفزة عظيمة

✪ مصعد فضائي. الحلم والواقع. أو الخيال؟

✪ سيتم بناء مصعد فضائي بطول 20 كيلومترًا في كندا

✪ مصعد الفضاء (قراءة ألكسندر كوتوف)

ترجمات

تصميم

وللمقارنة فإن قوة معظم أنواع الفولاذ تبلغ حوالي 1 جيجا باسكال، وحتى أقوى الأنواع لا تزيد عن 5 جيجا باسكال، والفولاذ ثقيل الوزن. تتمتع مادة الكيفلار الأخف بكثير بقوة تتراوح بين 2.6-4.1 جيجا باسكال، بينما تتمتع ألياف الكوارتز بقوة تصل إلى 20 جيجا باسكال وما فوق. قد تكون القوة النظرية لألياف الماس أعلى قليلاً.

تكنولوجيا نسج هذه الألياف لا تزال في مهدها.

وفقا لبعض العلماء، حتى أنابيب الكربون النانوية لن تكون قوية بما يكفي لصنع كابل مصعد فضائي.

أتاحت التجارب التي أجراها علماء من جامعة التكنولوجيا في سيدني إمكانية إنشاء ورق الجرافين. تعتبر اختبارات العينات مشجعة: كثافة المادة أقل بخمس إلى ست مرات من كثافة الفولاذ، في حين أن قوة الشد أعلى بعشر مرات من مقاومة الفولاذ الكربوني. وفي الوقت نفسه، يعد الجرافين موصلًا جيدًا للتيار الكهربائي، مما يسمح باستخدامه لنقل الطاقة إلى المصعد كحافلة اتصال.

في يونيو 2013، أعلن مهندسون من جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة عن إنجاز جديد: بفضل التكنولوجيا الجديدة لإنتاج الجرافين، من الممكن الحصول على صفائح بحجم قطري يبلغ عدة عشرات من السنتيمترات وقوة أقل بنسبة 10٪ فقط من النظرية.

سماكة الكابل

يجب أن يتحمل المصعد الفضائي وزنه على الأقل، وهو وزن كبير نظرًا لطول الكابل. تزيد السماكة من ناحية من قوة الكابل، ومن ناحية أخرى تزيد من وزنه، وبالتالي القوة المطلوبة. سيختلف الحمل عليه في أماكن مختلفة: في بعض الحالات، يجب أن يتحمل جزء من الكابل وزن الأجزاء الموجودة أدناه، وفي حالات أخرى يجب أن يتحمل قوة الطرد المركزي التي تحمل الأجزاء العلوية من الكابل في المدار. لتحقيق هذا الشرط وتحقيق الأمثلية للكابل عند كل نقطة، سيكون سمكه متغيرًا.

يمكن إثبات أنه مع الأخذ في الاعتبار جاذبية الأرض وقوة الطرد المركزي (ولكن دون الأخذ في الاعتبار التأثير الأصغر للقمر والشمس)، سيتم وصف المقطع العرضي للكابل اعتمادًا على الارتفاع بالصيغة التالية:

A (r) = A 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] (\displaystyle A(r)=A_(0 )\ \exp \left[(\frac (\rho )(s))\left[(\begin(matrix)(\frac (1)(2))\end(matrix))\omega ^(2)( r_(0)^(2)-r^(2))+g_(0)r_(0)(1-(\frac (r_(0))(r)))\right]\right])

هنا ا (ص) (\displaystyle A(r))- مساحة المقطع العرضي للكابل كدالة للمسافة ص (\displaystyle r)من مركزأرض.

تستخدم الصيغة الثوابت التالية:

تصف هذه المعادلة حبلًا يزداد سمكه في البداية بشكل كبير، ثم يتباطأ نموه على ارتفاع عدة أنصاف أقطار الأرض، ثم يصبح ثابتًا، ويصل في النهاية إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. بعد ذلك، يبدأ سمك في الانخفاض مرة أخرى.

وبالتالي فإن نسبة مساحات المقطع العرضي للكابل عند القاعدة وعند GSO ( ص= 42,164 كم) هو: A (r G E O) A 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4, 832 × 10 7 m 2 s 2 ] (\displaystyle (\frac (A(r_(\mathrm (GEO))))(A_(0)) )=\exp \left[(\frac (\rho )(s))\times 4.832\times 10^(7)\,\mathrm (\frac (m^(2))(s^(2))) \يمين])

وبالتعويض هنا عن الكثافة والقوة بمواد مختلفة وأقطار كابلات مختلفة على مستوى الأرض، نحصل على جدول بأقطار الكابلات على مستوى GSO. تجدر الإشارة إلى أن الحساب تم إجراؤه بشرط أن يقف المصعد "بذاته" بدون تحميل - نظرًا لأن مادة الكابل تتعرض بالفعل للتوتر من وزنها (وهذه الأحمال قريبة من الحد الأقصى المسموح به لهذا الغرض) مادة).

قطر الكابل عند مستوى الخليج، حسب قطره عند مستوى الأرض،
للمواد المختلفة (محسوبة باستخدام أحدث صيغة)، م

مادة	كثافة ρ (\displaystyle \rho )، كجم÷م 3	قوة الشد س (\displaystyle s)، بنسلفانيا	قطر الكابل عند مستوى الأرض
			1 ملم	1 سم	10 سم	1 م
الصلب المدرفلة على الساخن St3	7760	0.37 10 9	1.31 10 437	1.31 10 438	1.31 10 439	1.31 10 440
سبائك الصلب عالية 30KhGSA	7780	1.4 10 9	4.14 10 113	4.14 10 114	4.14 10 115	4.14 10 116
ويب	1000	2.5 10 9	0.248 10 6	2.48 10 6	24.8 10 6	248 10 6
ألياف الكربون الحديثة	1900	4 10 9	9.269 10 6	92.69 10 6	926.9 10 6	9269 10 6
أنابيب الكربون النانوية	1900	90 10 9	2.773·10 -3	2.773·10 -2	2.773·10 -1	2.773

وبالتالي، فمن غير الواقعي بناء مصعد من الفولاذ الإنشائي الحديث. السبيل الوحيد للخروج هو البحث عن المواد ذات الكثافة المنخفضة و/أو القوة العالية جدًا.

على سبيل المثال، يتضمن الجدول أنسجة العنكبوت (حرير العنكبوت). هناك العديد من المشاريع الغريبة لإنتاج الشبكات في "مزارع العناكب". في الآونة الأخيرة، ظهرت تقارير تفيد أنه، بمساعدة الهندسة الوراثية، كان من الممكن إدخال جين عنكبوتي في جسم الماعز، يقوم بتشفير بروتين شبكة العنكبوت. الآن يحتوي حليب الماعز المعدل وراثيا على بروتين العنكبوت. لا يزال من غير المعروف ما إذا كان من الممكن الحصول من هذا البروتين على مادة تشبه شبكة العنكبوت في خصائصها. ولكن، وفقا للصحافة، فإن مثل هذه التطورات جارية

الاتجاه الواعد الآخر هو ألياف الكربون وأنابيب الكربون النانوية. يتم استخدام ألياف الكربون بنجاح في الصناعة اليوم. إن الأنابيب النانوية أقوى بنحو 20 مرة، لكن تكنولوجيا إنتاج هذه المادة لم تخرج من المختبر بعد. تم بناء الجدول على افتراض أن كثافة الكابل المصنوع من الأنابيب النانوية هي نفس كثافة ألياف الكربون.

فيما يلي عدة طرق أكثر غرابة لبناء مصعد فضائي:

ثقل الموازنة

يمكن إنشاء ثقل الموازنة بطريقتين - عن طريق ربط جسم ثقيل (على سبيل المثال، كويكب أو مستوطنة فضائية أو رصيف فضائي) خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض، أو عن طريق مد الحبل نفسه لمسافة كبيرة خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض. الخيار الثاني مثير للاهتمام لأنه من الأسهل إطلاق الأحمال إلى الكواكب الأخرى من نهاية الكابل الممدود، لأنه يحتوي على سرعة كبيرة بالنسبة للأرض.

الزخم الزاوي والسرعة والميل

وتزداد السرعة الأفقية لكل قسم من الكابل مع الارتفاع بما يتناسب مع المسافة إلى مركز الأرض، فتصل إلى السرعة الكونية الأولى في المدار الثابت بالنسبة للأرض. لذلك، عند رفع حمولة، فإنها تحتاج إلى اكتساب زخم زاوي إضافي (السرعة الأفقية).

يتم الحصول على الزخم الزاوي بسبب دوران الأرض. في البداية، يتحرك المصعد بشكل أبطأ قليلاً من الكابل (تأثير كوريوليس)، وبالتالي "يبطئ" الكابل ويحرفه قليلاً نحو الغرب. عند سرعة الصعود 200 كم/ساعة، سوف يميل الكابل بمقدار درجة واحدة. يقوم مكون التوتر الأفقي في كابل غير عمودي بسحب الحمل إلى الجانب، مما يؤدي إلى تسريعه في الاتجاه الشرقي (انظر الرسم البياني) - ونتيجة لذلك، يكتسب المصعد سرعة إضافية. وفقًا لقانون نيوتن الثالث، يبطئ الكابل حركة الأرض بمقدار صغير، ويبطئ الثقل الموازن بمقدار أكبر بكثير؛ ونتيجة لتباطؤ دوران الثقل الموازن، سيبدأ الكابل في الالتفاف حول الأرض.

وفي الوقت نفسه، فإن تأثير قوة الطرد المركزي يجبر الكابل على العودة إلى الوضع الرأسي المناسب للطاقة [ ]، بحيث يكون في حالة توازن مستقر. إذا كان مركز ثقل المصعد دائمًا فوق المدار الثابت بالنسبة للأرض، بغض النظر عن سرعة المصعد، فلن يسقط.

بحلول الوقت الذي تصل فيه الحمولة إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO)، يكون زخمها الزاوي كافيًا لإطلاق الحمولة إلى المدار. إذا لم يتم تحرير الحمل من الكبل، فعند التوقف عموديًا عند مستوى GSO، سيكون في حالة توازن غير مستقر، ومع دفعة متناهية الصغر إلى الأسفل، سيترك GSO ويبدأ في السقوط على الأرض عموديًا التسارع، مع التباطؤ في الاتجاه الأفقي. سيتم نقل فقدان الطاقة الحركية من المكون الأفقي أثناء الهبوط من خلال الكابل إلى الزخم الزاوي لدوران الأرض، مما يسرع دورانها. عند دفعه لأعلى، سيترك الحمل أيضًا GSO، ولكن في الاتجاه المعاكس، أي أنه سيبدأ في الارتفاع على طول الكابل مع تسارع من الأرض، ليصل إلى السرعة النهائية في نهاية الكابل. وبما أن السرعة النهائية تعتمد على طول الكابل، فيمكن بالتالي تحديد قيمتها بشكل تعسفي. تجدر الإشارة إلى أن تسارع وزيادة الطاقة الحركية للحمل أثناء الرفع، أي تفككه في دوامة، سيحدث بسبب دوران الأرض، والذي سيتباطأ. هذه العملية قابلة للعكس تمامًا، أي إذا وضعت حملًا على نهاية الكابل وبدأت في خفضه، وضغطه بشكل حلزوني، فإن الزخم الزاوي لدوران الأرض سيزداد وفقًا لذلك.

عند خفض الحمل، ستحدث العملية العكسية، وإمالة الكابل إلى الشرق.

انطلق إلى الفضاء

وفي نهاية الكابل على ارتفاع 144 ألف كيلومتر، سيكون المكون العرضي للسرعة 10.93 كيلومترًا في الثانية، وهو أكثر من كافٍ لمغادرة مجال الجاذبية الأرضية وإطلاق السفن إلى زحل. إذا سُمح للجسم بالانزلاق بحرية على طول الجزء العلوي من الحبل، فسيكون لديه سرعة كافية للهروب من النظام الشمسي. سيحدث هذا بسبب انتقال الزخم الزاوي الإجمالي للكابل (والأرض) إلى سرعة الجسم المطلق.

لتحقيق سرعات أكبر، يمكنك إطالة الكابل أو تسريع الحمل باستخدام الكهرومغناطيسية.

على الكواكب الأخرى

يمكن بناء مصعد فضائي على كواكب أخرى. علاوة على ذلك، كلما انخفضت الجاذبية على الكوكب وزادت سرعة دورانه، أصبح تنفيذ البناء أسهل.

ومن الممكن أيضًا مد مصعد فضائي بين جسمين سماويين يدوران حول بعضهما البعض ويواجهان بعضهما البعض باستمرار (على سبيل المثال، بين بلوتو وشارون أو بين مكونات الكويكب المزدوج (90) المضاد)، ولكن بما أن مداراتهما ليست كذلك إذا رسمنا دائرة دقيقة، فسوف يكون من الضروري وجود جهاز لتغيير طول مثل هذا المصعد بشكل مستمر. وفي هذه الحالة، يمكن استخدام المصعد ليس فقط لإطلاق البضائع إلى الفضاء، ولكن أيضًا "للسفر بين الكواكب".

بناء

يتم البناء من محطة ثابتة بالنسبة للأرض. ينحدر أحد طرفيه إلى سطح الأرض ممتدًا بقوة الجاذبية. والآخر، لتحقيق التوازن، هو في الاتجاه المعاكس، ويتم سحبه بواسطة قوة الطرد المركزي. وهذا يعني أنه يجب تسليم جميع مواد البناء إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض بالطريقة التقليدية. أي أن تكلفة توصيل المصعد الفضائي بالكامل إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض هي الحد الأدنى لسعر المشروع.

التوفير في استخدام المصعد الفضائي

من المفترض أن المصعد الفضائي سيقلل بشكل كبير من تكلفة إرسال البضائع إلى الفضاء. إن بناء المصاعد الفضائية مكلف، لكن تكاليف تشغيلها منخفضة، لذا من الأفضل استخدامها لفترات طويلة من الزمن لنقل كميات كبيرة جدًا من البضائع. حاليًا، سوق إطلاق البضائع ليس كبيرًا بما يكفي لتبرير بناء مصعد، لكن التخفيض الكبير في السعر يجب أن يؤدي إلى توسع السوق.

لا يوجد حتى الآن إجابة على سؤال ما إذا كان المصعد الفضائي سيعيد الأموال المستثمرة فيه أم أنه سيكون من الأفضل استثماره في مواصلة تطوير تكنولوجيا الصواريخ.

ومع ذلك، يمكن أن يكون المصعد مشروعًا هجينًا، وبالإضافة إلى وظيفة توصيل البضائع إلى المدار، يظل قاعدة لبرامج بحثية وتجارية أخرى لا تتعلق بالنقل.

الإنجازات

منذ عام 2005، تقام مسابقة Space Elevator Games السنوية في الولايات المتحدة، والتي تنظمها مؤسسة Spaceward Foundation بدعم من وكالة ناسا. هناك فئتان في هذه المسابقات: "أفضل كابل" و"أفضل روبوت (مصعد)".

في مسابقة الرفع، يجب على الروبوت أن يقطع مسافة محددة، ويتسلق كابلًا رأسيًا بسرعة لا تقل عن تلك التي تحددها القواعد (في مسابقة عام 2007، كانت المعايير كما يلي: طول الكابل - 100 متر، الحد الأدنى للسرعة - 2 م/ث، والسرعة التي يجب تحقيقها هي 10 م/ث) . وكانت أفضل نتيجة لعام 2007 هي قطع مسافة 100 متر بمتوسط ​​سرعة 1.8 م/ث.

بلغ إجمالي جوائز مسابقة Space Elevator Games في عام 2009 4 ملايين دولار.

وفي مسابقة قوة الحبل، يجب على المشاركين توفير حلقة طولها مترين مصنوعة من مادة شديدة التحمل ولا يزيد وزنها عن 2 جرام، تخضع لاختبارات تركيب خاصة للتأكد من عدم تمزقها. للفوز بالمسابقة، يجب أن تكون قوة الكابل أكبر بنسبة 50% على الأقل في هذا المؤشر من العينة المتاحة لناسا بالفعل. أفضل نتيجة حتى الآن تعود إلى الكابل الذي يتحمل حمولة تصل إلى 0.72 طن.

لا تشمل المنافسة مجموعة ليفتبورت، التي اكتسبت سمعة سيئة بسبب ادعاءاتها بإطلاق مصعد فضائي في عام 2018 (تم تأجيله لاحقًا إلى عام 2031). تجري شركة Liftport تجاربها الخاصة، على سبيل المثال، في عام 2006، تسلق المصعد الآلي حبلًا قويًا ممتدًا باستخدام البالونات. من أصل كيلومتر ونصف، تمكن المصعد من تغطية 460 مترًا فقط. في أغسطس وسبتمبر 2012، أطلقت الشركة مشروعًا لجمع الأموال لإجراء تجارب جديدة مع المصعد على موقع Kickstarter الإلكتروني. اعتمادًا على الكمية التي تم جمعها، من المخطط رفع الروبوت لمسافة كيلومترين أو أكثر.

كما أعلنت مجموعة LiftPort عن استعدادها لبناء مصعد فضائي تجريبي على القمر، بناءً على التقنيات الحالية. يقول رئيس الشركة مايكل لين إن بناء مثل هذا المصعد قد يستغرق ثماني سنوات. الاهتمام بالمشروع أجبر الشركة على تحديد هدف جديد وهو إعداد المشروع وجمع أموال إضافية لبدء دراسة جدوى ما يسمى "المصعد القمري". ووفقا للين، فإن بناء مثل هذا المصعد سيستغرق سنة واحدة وسيكلف 3 ملايين دولار. لقد لفت متخصصو ناسا الانتباه بالفعل إلى مشروع LiftGroup. تعاون مايكل لين مع وكالة الفضاء الأمريكية في مشروع مصعد فضائي.

مشاريع مماثلة

المصعد الفضائي ليس المشروع الوحيد الذي يستخدم الحبال لإطلاق الأقمار الصناعية في المدار. أحد هذه المشاريع هو Orbital Skyhook (الخطاف المداري). ويستخدم سكاي هوك حبلا ليس طويلا مقارنة بالمصعد الفضائي الموجود في مدار أرضي منخفض ويدور بسرعة حول الجزء الأوسط منه. ونتيجة لهذا، يتحرك أحد طرفي الكابل بالنسبة إلى الأرض بسرعة منخفضة نسبيًا، ويمكن تعليق الأحمال من الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت. في الوقت نفسه، يعمل تصميم Skyhook مثل دولاب الموازنة العملاقة - وهو تراكم عزم الدوران والطاقة الحركية. ميزة مشروع Skyhook هي جدواه باستخدام التقنيات الحالية. الجانب السلبي هو أن Skyhook يستخدم الطاقة الناتجة عن حركته لإطلاق الأقمار الصناعية، وسوف تحتاج هذه الطاقة إلى التجديد بطريقة ما.

مشروع شبكة الستراتوسفير لناطحات السحاب. المشروع عبارة عن شبكة من المصاعد المدارية، متحدة في أشكال سداسية، تغطي الكوكب بأكمله. عند الانتقال إلى المراحل التالية من البناء، تتم إزالة الدعامات، ويستخدم إطار شبكة المصعد لبناء مستوطنة ستراتوسفيرية عليه. يوفر المشروع العديد من المناطق السكنية.

مصعد الفضاء في أعمال مختلفة

• يستخدم كتاب روبرت هاينلين يوم الجمعة مصعدًا فضائيًا يسمى "شجرة الفاصولياء"
• في فيلم اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بيتكا في الفضاء عام 1972، تخترع الشخصية الرئيسية مصعدًا فضائيًا.
• أحد أعمال آرثر كلارك الشهيرة، نوافير الجنة، مبني على فكرة المصعد الفضائي. بالإضافة إلى ذلك، يظهر مصعد الفضاء في الجزء الأخير من رباعيته الشهيرة A Space Odyssey (3001: The Last Odyssey).
• في ستار تريك: فوييجر الحلقة 3.19، "Rise"، يساعد المصعد الفضائي الطاقم على الهروب من كوكب ذي جو خطير.
• الحضارة   IV لديها مصعد فضائي. ها هو واحد من "المعجزات الكبرى" اللاحقة.
• تذكر رواية الخيال العلمي لتيموثي زان "دودة القز" ("سبينريت"، 1985) كوكبًا قادرًا على إنتاج ألياف فائقة. أراد أحد السباقات المهتمة بالكوكب الحصول على هذه الألياف خصيصًا لبناء مصعد فضائي.
• في رواية الخيال العلمي لفرانك شوتزينج "الحد"، يعمل المصعد الفضائي كنقطة مركزية للمكائد السياسية في المستقبل القريب.
• في رواية سيرجي لوكيانينكو "النجوم - الألعاب الباردة"، قامت إحدى الحضارات خارج كوكب الأرض، في عملية التجارة بين النجوم، بتسليم الأرض خيوطًا فائقة القوة يمكن استخدامها لبناء مصعد فضائي. لكن الحضارات خارج كوكب الأرض أصرت حصريًا على استخدامها للغرض المقصود منها - وهو المساعدة أثناء الولادة.
• في رواية الخيال العلمي التي كتبها J. Scalzi "محكوم عليها بالنصر" (المهندس Scalzi، John. حرب الرجل العجوز)، يتم استخدام أنظمة المصاعد الفضائية بنشاط على الأرض، والعديد من المستعمرات الأرضية وبعض الكواكب من السباقات الذكية الأخرى المتقدمة للغاية للتواصل مع أرصفة السفن بين النجوم.
• في رواية الخيال العلمي "غدًا سيكون الخلود" للكاتب ألكسندر جروموف، تدور الحبكة حول حقيقة وجود مصعد فضائي. هناك جهازان - مصدر وجهاز استقبال، باستخدام "شعاع الطاقة"، قادر على رفع "كابينة" المصعد إلى المدار.
• تقدم رواية الخيال العلمي لألستير رينولدز "Abyss City" وصفًا تفصيليًا لهيكل وعمل المصعد الفضائي وتصف عملية تدميره (نتيجة هجوم إرهابي).
• رواية الخيال العلمي لتيري براتشيت ستراتا تعرض الخط، وهو جزيء اصطناعي طويل للغاية يستخدم كمصعد فضائي.
• في رواية الخيال العلمي لجراهام ماكنيل Mechanicum، توجد المصاعد الفضائية على المريخ وتسمى أبراج تسيولكوفسكي
• مذكور في أغنية مجموعة Zvuki Mu "Elevator to Heaven".
• في بداية لعبة Sonic Colors، يمكن رؤية Sonic وTails وهما يستقلان المصعد الفضائي للوصول إلى Dr. Eggman's Park.
• في كتاب ألكسندر زوريش "Somnambulist 2" من سلسلة Ethnogenesis، تسافر الشخصية الرئيسية ماتفي جوميلوف (بعد زرع شخصية بديلة - مكسيم فيرخوفتسيف، الطيار الشخصي للرفيق ألفا، رئيس "Star Fighters") في مصعد مداري.
• في قصة «الثعبان» لكاتب الخيال العلمي ألكسندر جروموف، يستخدم الأبطال مصعدًا فضائيًا «في الطريق» من القمر إلى الأرض.
• ضمن سلسلة روايات الخيال العلمي