Stavitelia sa odpradávna predbiehajú v tom, kto postaví vyššiu budovu. Od biblickej babylonskej veže sme sa už čo-to naučili a v súčasnosti najvyššia budova sveta, Burdž Chalífa v Dubaji, meria impozantných 828 m. A teraz si predstavte, že dáme architektom a inžinierom neobmedzený rozpočet a úlohu postaviť niečo 43 000-krát vyššie, orbitálnu vežu, vesmírny výťah. O tomto koncepte sme sa zhovárali s Matúšom Toderiškom z vesmírneho podcastu Slnečná zostava.
Ako definujeme geostacionárnu obežnú dráhu?
Geostacionárna obežná dráha sa nachádza vo výške 35 786 km priamo nad zemským rovníkom. Družice na nej sa pohybujú rovnako rýchlo, ako rotuje Zem. V dôsledku toho sa nachádzajú neustále nad rovnakým miestom rovníka, akoby viseli nad Zemou. Túto obežnú dráhu v súčasnosti používajú prevažne geostacionárne komunikačné satelity, ktoré sú na oblohe na tej istej pozícii a stačí na ne namieriť satelitnú anténu.
Ďalším možným využitím geostacionárnej obežnej dráhy je tzv. vesmírny výťah.
Čo je princípom vesmírneho výťahu?
Vo svojej podstate je to úplne priamočiary koncept. Miesto na geostacionárnej dráhe spojíte káblom alebo lanom s miestom na rovníku priamo pod ním. Na takto vzniknuté spojenie pripojíte vhodné kabínky, ktoré následne môžu začať premávať medzi povrchom Zeme a geostacionárnou dráhou ako akýsi vesmírny paternoster. Prepravované objekty počas cesty postupne naberajú rotačnú rýchlosť Zeme a po dosiahnutí geostacionárnej dráhy sa stávajú ďalšími družicami na tejto obežnej dráhe. Môžu tu zostať, zostúpiť na nižšiu obežnú dráhu, prípadne pokračovať ďalej do hlbokého vesmíru.
Aký by bol hlavný prínos tohto zariadenia?
Vesmírny výťah by predstavoval revolúciu vo vesmírnom priemysle. Vynášanie vecí do vesmíru je v súčasnosti logisticky a finančne veľmi nákladné. Dostať kilogram hmoty na nízku obežnú dráhu Zeme do výšky 350 až 500 km momentálne stojí v rozmedzí 10- až 20-tisíc amerických dolárov. Táto cena kolíše v závislosti od použitej rakety, jej efektivity, opakovanej použiteľnosti a iných faktorov, no ešte vždy sa pohybuje v tisíckach, a vyniesť do vesmíru čo i len jedného človeka je veľká investícia. A to nerátame všetko vybavenie, ktoré daný človek potrebuje na prežitie a úspešný návrat na pevnú zem. Funkčný vesmírny výťah by tieto náklady rádovo znížil z tisícok na stovky dolárov za kilogram hmoty.
Matúš Toderiška je jedným z tvorcov vesmírneho podcastu Slnečná zostava. Už od malička ho fascinuje vesmír a všetko s ním spojené, hlavne futuristické koncepty toho, čo raz môže byť. Podcast Slnečná zostava, ktorý moderuje s Mariánom Psárom, vychádza každú nedeľu o 15.00 h na Živé.sk.
Počiatočná investícia na výstavbu tohto kolosu by bola pochopiteľne značná, pohybovala by sa na úrovni desiatok miliárd dolárov. No pri takto priepastnom rozdiele v cene by si na seba určite veľmi rýchlo zarobil a odvážlivci, ktorí by sa na to podujali, by boli zabezpečení na niekoľko nasledujúcich generácií.
Čo ďalšie by vesmírny výťah umožnil?
Kapacity na vynášanie hmoty do kozmu by skokovo vzrástli, z čoho by profitovali kolonizácia blízkeho vesmíru, veda a v neposlednom rade aj turizmus. Vesmír by už nebol dostupný iba pre miliardárov, ale aj pre bežných smrteľníkov, ktorí by sa mohli pozrieť na orbitu za cenu porovnateľnú s exotickou dovolenkou.
Nevieme síce predpovedať, ako presne by existencia vesmírneho výťahu ovplyvnila terajší vesmírny priemysel, no je logické domnievať sa, že by význam a potreba rakiet dramaticky klesli, čo by nepriamo pomohlo znížiť množstvo vesmírneho odpadu v najbližšom okolí Zeme.
Najprv však budeme potrebovať vyrobiť kábel výťahu dlhý takmer 36-tisíc kilometrov, ktorý unesie sám seba a bude dostatočne pevný na to, aby sme po ňom mohli v jednom momente voziť náklad vážiaci tisícky ton.
Aké sú požadované vlastnosti materiálu na výrobu kábla?
Ľudstvo sa pri stavbe vysokých budov stáročia spoliehalo prevažne na kameň a betón. Tieto materiály vynikajú pevnosťou v tlaku. No v prípade kábla nás zaujíma iná veličina, pevnosť v ťahu a s ňou spojená medza pevnosti. To je zjednodušene najväčšia dĺžka kábla vyrobeného zo špecifického materiálu, ktorú vie samotný materiál uniesť, než sa pretrhne. Odvodzuje sa na základe pevnosti daného materiálu v ťahu a jeho hustoty. A každému je hneď intuitívne jasné, že z betónu ani z kameňa dlhé lano nikdy nebude (medza pevnosti je iba 440 metrov).
Príchod konštrukčnej ocele v 19. storočí zmenil paradigmu a dovolil ľuďom stavať oveľa vyššie. Poskytuje oveľa lepšiu pevnosť tak v tlaku, ako aj v ťahu. No aj napriek tomu by sme v súčasnosti z najpevnejších zliatin vedeli vyrobiť lano dlhé približne 25 kilometrov, čo predstavuje iba zanedbateľný zlomok z požadovaných 36-tisíc kilometrov.
Aj tie najmodernejšie masovo produkované materiály používané na výrobu horolezeckých lán alebo výpletov tenisových rakiet sú schopné udržať iba niekoľko stoviek kilometrov (napr. zylón 384 km), čo nás na geostacionárnu dráhu ešte nedostane. Musíme sa teda pozrieť kúsok za hranice toho, čo je v súčasnosti v našich schopnostiach.
Ktorý materiál sa považuje za perspektívny?
Ako veľmi sľubný materiál sa javia uhlíkové nanorúrky. Ich teoretická medza pevnosti je 5-tisíc km. To je ešte ďaleko od 36-tisíc km, ale je to už dĺžka, s ktorou sa dá pracovať. Do úvahy totiž musíme brať aj ďalšie veličiny. Tou prvou je gravitácia, ktorá v závislosti od vzdialenosti od zemského povrchu klesá a na geostacionárnej dráhe predstavuje iba niečo viac ako 2 % g. Medza pevnosti materiálu tam hore je teda približne 50-krát väčšia ako na zemskom povrchu.
Tou ďalšou je skutočnosť, že medzu pevnosti vieme predĺžiť jednoducho tak, že kábel bude hore širší než dole na rovníku. Týmto spôsobom by sme teoreticky vedeli postaviť vesmírny výťah z hocijakého materiálu.
Napríklad pre oceľ je pre kábel siahajúci na geostacionárnu dráhu pomer zúženia 1,6 × 1033. To znamená, že kábel vesmírneho výťahu, ktorý by bol v bode dotyku na rovníku široký napríklad 1 cm, by musel byť na tejto dráhe širší než pozorovateľný vesmír. S podobne nerealistickými číslami sa stretneme takmer pri všetkých iných materiáloch (kevlar 2,5 × 1033) s výnimkou uhlíkových nanorúrok, pri ktorých výpočtom dostávame realisticky vyzerajúci pomer 1,6. Vesmírny výťah z uhlíkových nanorúrok s prihliadnutím na tieto premenné je teda realistická stavba.
Aké sú obmedzenia konštrukcie z uhlíkových nanorúrok?
Vývoj uhlíkových nanorúrok prebieha už niekoľko desaťročí a aj napriek výrazným pokrokom je naďalej iba v počiatkoch možného. Cena sa postupne znižuje, no masová výroba je zatiaľ v nedohľadne, tobôž nie výroba neprerušovaného, 36-tisíc kilometrov dlhého kábla, ktorý neobsahuje žiadne nečistoty.
Zároveň budú aj po zdokonalení produkcie nanorúrky vyžadovať extenzívne testovanie, aby si vedci overili všetky ich vlastnosti, z ktorých mnohé zatiaľ existujú iba na papieri, a prípadne objavili aj ich ďalšie, nepredpokladané vlastnosti.
Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
