En rymdhiss är möjlig med dagens teknik, säger forskare (vi behöver bara dingla den från månen)

Foto-illustration av rymdhiss Originalbilder: Michel Paz, Jeremy Thomas | Unsplash; redigerad av MIT Technology Review

Det kanske största hindret för mänsklighetens expansion genom hela solsystemet är den oöverkomliga kostnaden för att undkomma jordens gravitationskraft. Så säger Zephyr Penoyre från University of Cambridge i Storbritannien och Emily Sandford vid Columbia University i New York.

Problemet är att raketmotorer fungerar genom att kasta massa i en riktning för att generera dragkraft för en rymdfarkost i den andra. Och det kräver enorma volymer drivmedel, som i slutändan kasseras men också måste accelereras tillsammans med rymdfarkosten.

Resultatet är att ett enda kilogram i omloppsbana kostar i storleksordningen tiotusentals dollar. Att ta sig till månen och vidare är ännu dyrare. Så det finns ett stort intresse för att hitta billigare vägar in i omloppsbana.

En idé är att bygga en rymdhiss - en kabel som sträcker sig från jorden till omloppsbanan som ger ett sätt att klättra upp i rymden. Den stora fördelen är att klättringsprocessen kan drivas av solenergi och därför inte kräver något bränsle ombord.

Men det finns ett stort problem också. En sådan kabel skulle behöva vara otroligt stark. Kolnanorör är ett potentiellt material om de någonsin kan göras tillräckligt långa. Men alternativen som finns idag är alldeles för svaga.

Ange Penoyre och Sandford, som har återupptagit idén med en twist. De säger att deras version av en rymdhiss, som de kallar en rymdlinje, skulle kunna byggas med material som är kommersiellt tillgängliga idag.

Först lite bakgrund. En rymdhiss som konventionellt utformad skulle bestå av en kabel förankrad på marken och sträcker sig bortom geosynkron bana, cirka 42 000 kilometer (26 098 miles) över jorden.

En sådan kabel skulle ha avsevärd massa. Så för att stoppa den från att falla måste den balanseras i andra änden av en liknande kretsande massa. Hela hissen skulle då bäras upp av centrifugalkrafter.

I många år har fysiker, science fiction-författare och visionärer ivrigt beräknat storleken på dessa krafter, bara för att tyvärr bli nedslående av resultatet. Inget känt material är tillräckligt starkt för att klara av dessa krafter – inte spindelsilke, inte Kevlar, inte ens de starkaste moderna kolfiberpolymererna.

Så Penoyre och Sandford har tagit ett annat tillvägagångssätt. Istället för att förankra kabeln på jorden, föreslår de att förankra den på månen och dingla den mot jorden.

Den stora skillnaden kommer från centrifugalkrafterna. En konventionell rymdhiss skulle göra en fullständig rotation varje dag, i linje med jordens rotation. Men den månbaserade rymdlinjen skulle kretsa bara en gång i månaden - en mycket långsammare hastighet med motsvarande lägre krafter.

Dessutom är styrkorna olika ordnade. Genom att sträcka sig från månen till jorden skulle rymdlinjen passera genom ett område i rymden där jord- och mångravitationen tar ut varandra.

Denna region, känd som en Lagrangepunkt, blir en central del av en rymdlinje. Under den, närmare jorden, drar gravitationen kabeln mot planeten. Men ovanför den, närmare månen, drar gravitationen kabeln mot månens yta.

Penoyre och Sandford visar snabbt att förlängning av kabeln från månen hela vägen till jordens yta genererar krafter som är för stora för dagens material. Men kabeln behöver inte sträckas hela vägen för att vara användbar.

Forskarnas huvudsakliga resultat är att visa att dagens starkaste material - kolpolymerer som Zylon - bekvämt kan stödja en kabel som sträcker sig från månen till geosynkron bana. De fortsätter med att föreslå att en proof-of-princip-anordning gjord av en kabel ungefär tjock som en blyertspenna skulle kunna dingla från månen till en kostnad som mäts i miljarder dollar.

Det är helt klart ambitiöst men inte på något sätt överdrivet för moderna rymduppdrag. Genom att förlänga en linje, förankrad på månen, till djupt inuti jordens gravitationsbrunn, kan vi konstruera en stabil, tvärgående kabel som tillåter fri rörelse från jordens närhet till månens yta, säger Penoyre och Sandford.

Besparingarna skulle bli enorma. Det skulle minska bränslet som behövs för att nå månens yta till en tredjedel av det nuvarande värdet, säger de.

Och det skulle öppna upp en helt ny region av rymden för utforskning - Lagrange-punkten. Detta är av intresse eftersom både gravitationen och gravitationsgradienten i denna region är noll, vilket gör det mycket säkrare för byggprojekt. Däremot gör gravitationsgradienten i låg jordomloppsbana banor att vara mycket mindre stabila.

Om du tappar ett verktyg från den internationella rymdstationen verkar det snabbt accelerera bort från dig, påpeka Penoyre och Sandford. Lagrangepunkten har en nästan försumbar gradient i gravitationskraft; det tappade verktyget kommer att vara nära till hands under mycket längre tid.

Inte heller finns det några större skräp i denna region. Lagrangepunkten har mestadels varit orörd av tidigare uppdrag, och banor som passerar här är kaotiska, vilket kraftigt minskar mängden meteoroider, säger de.

Av dessa skäl säger Penoyre och Sandford att tillgång till Lagrange-punkten är en stor fördel med rymdlinjen. Baslägret i Lagrange Point är det som vi tror är viktigast och mest inflytelserik för den tidiga användningen av rymdlinjen (och för mänsklig rymdutforskning i allmänhet), säger de. Ett sådant basläger skulle möjliggöra konstruktion och underhåll av en ny generation av rymdbaserade experiment – ​​man skulle kunna föreställa sig teleskop, partikelacceleratorer, gravitationsvågsdetektorer, vivarium, kraftgenerering och uppskjutningspunkter för uppdrag till resten av solsystemet.

Det är ett intressant arbete som inbjuder till ett förnyat fokus på idén om en rymdhiss. Billig tillgång till Lagrange-punkten, månen och punkter bortom kan bara ha blivit betydligt billigare och mer troligt.

Ref: arxiv.org/abs/1908.09339 : The Spaceline: A Practical Space Hiss Alternative Achievable With Current Technology

Dölj