آسانسور فضايي؛از رويا تا واقعيت

روياي ساخت و استفاده ازفضاپيماها وشاتل هاي فضايي که بتوان ازآنها بعدازهرماموريت استفاده مجدد کرد،ازهمان اولين پرتاب شاتل فضايي درسال1981در ذهن دانشمندان و مهندسان شکل گرفت.ازآن روز تابه حال بيش از100ماموريت فضايي انجام شده است،ولي هزينه ماموريت هاتغييراندکي کرده است.هزينه پرتاب يکي شاتل فضايي آمريکايي يايک فضاپيما،تقريبا درحدود22هزار دلاربه ازاي هرکيلوگرم است.بنابراين،يک سامانه حمل ونقلِ فضايي جديدکه هم قابل اطمينان وهم مقرون به صرفه باشد،مي تواند مسافرت به مدار زمين رابه يک سفرروزانه تبديل کندوباعث کاهش چشمگيرهزينه هاشود."آسانسور فضايي"يکي ازطرح هاي جايگزيني است که دراين زمينه پيشنهاد شده است.آسانسورفضايي يک ريسمان بسيارسبک وبسيارمحکم دارد که ازنانولوله هاي کربني ساخته خواهد شد.ريسمان ازيک طرف به سکويي دراقيانوس اطلس وازطرف ديگربه ماهواره اي که درفضابه عنوان وزنه تعادل عمل مي کند،متصل خواهد شد.گردشي وضعي زمين،نيروي گريزاز مرکزي کافي براي غلبه برکشش گرانش زمين ايجاد مي کندوباعث مي شود که ريسمان کشيده ومحکم نگه داشته شود.بنابراين آسانسورفضايي يک پل دائمي بين زمين وفضامهيا خواهد کرد.ازبالابرنده هاي مکانيکي متصل به نوار ياريسمان،مي توان براي انتقال بار ودر نهايت انسان به مدار استفاده کرد.هزينه تخمين زده شده،تنها220تا880دلار به ازاي هرکيلوگرم خواهد بودکه بسيار کمتراز هزينه تمام شده ماموريت هاي پرتابي امروزي است.
براي درک بهترساختار يک آسانسور فضايي،يک قلاب سنگ رادر نظربگيريد؛نخي که يک طرف آن سنگي بسته شده وطرف ديگرآن در دست شماست.دراين ساختار،نخ همان ريسمان نانولوله کربني،دست شمازمين ياايستگاه زميني،و سنگ همان وزنه تعادل است که مي تواند يک ماهواره باشد.حال اگردستي که نخ رادر آن گرفته ايد،جلوي صورت ودقيقا مقابل چشم ها نگه داريد وبه دور خودتان بچرخيد،سنگ براثر نيروي گريزاز مرکز،مستقيما جلوي صورت شما ودر راستاي نخ قرار مي گيرد؛اما ازديد شماسنگ بدون حرکت وساکن به نظرمي رسد،زيرا سرعت گردش سنگ وسرعت گردش شما يکسان است.اين پديده،ايده وانگاره اصلي آسانسورهاي فضايي است.وزنه تعادل به دورزمين وباسرعت يکسان باگردش وضعي آن مي چرخد وريسمان رامستقيم نگه مي دارد،بنابراين بالابرها مي توانندروي ريسمان،مستقيم وبه سمت بالا و پايين حرکت کنند.

آسانسور فضايي يک ريسمان بسيار سبک و بسيارمحکم دارد که ازنانو لوله هاي کربني ساخته خواهد شد.ريسمان ازيک طرف به سکويي دراقيانوس اطلس و ازطرف ديگر به ماهواره اي که درفضابه عنوان وزنه تعادل عمل مي کند،متصل خواهد شد.گردش وضعي زمين،نيروي گريز ازمرکز کافي براي غلبه برکشش گرانش زمين ايجاد مي کندو باعث مي شودکه ريسمان کشيده و محکم نگه داشته شود.بنابراين آسانسور فضايي يک پل دائمي بين زمين وفضا مهيا خواهد کرد
نانو لوله هاي کربني باساختار منحصربه فرد خود،ماده اي بسيار سودمند براي ساخت ريسمانِ انتقال در آسانسورهاي فضايي خواهند بود.حال،مثال قلاب سنگ رادوباره درنظر بگيريد.اگر اندازه نخ خيلي بلند باشد،شما هرچه قدرهم که سريع به دورخود بچرخيد،نمي توانيد نيروي لازم براي قرار گرفتن سنگِ انتهاي ريسمان را درراستاي چشمان خود ايجاد کنيد؛وبرعکس اگر اندازه نخ کوتاه باشد،شمابايد خيلي آرام به دورخود بچرخيد تانخ در راستاي چشمان شما ثابت شود.حال اين مثال رابسط مي دهيم؛مي دانيم که سرعت محوري زمين ثابت است،بنابراين بايد طول ريسمان براساس اين سرعت انتخاب شود که هميشه مستقيم و محکم ونسبت به يک نقطه روي سطح زمين،بدون حرکت به نظربرسد.استفاده از"مدارزمين آهنگ"اين امکان رابه ماخواهد داد.مدارزمين آهنگ،مداري است که دقيقا بالاي استواي زمين يعني عرض جغرافيايي صفردرجه ودر ارتفاع 36هزارکيلومتري ازسطح درياواقع شده است.خاصيت اين مداربه گونه اي است که اگرجسمي دراين مدارقرار داده شود،ازروي سطح زمين وبانگاه به آسمان،اين جسم بدون حرکت به نظرمي رسد.به بيان ديگر،دوره گردش جسمي که درمدار زمين آهنگ قرار دارد،بادوره گردش زمين به دور محورخودهم سرعت يا"سنکرون"است.اين مدارزمين آهنگ دريک مقياس گسترده درمقاله اي باعنوان "ايستگاه هاي رله برون زميني:آيا ايستگاه هاي ماهواره اي توانايي پوشش راديويي سراسرزمين راداراهستند؟"توسط"آرتور سي.کلارک"فقيدنوشته شده بود ودرسال1928درمجله اي به نام"جهان بدون سيم"منتشرشد.به خاطرهمين موضوع،اين مدار به کمربند يا"مدار کلارک"نيز مشهوراست.جالب است بدانيد که آسانسورهاي فضايي هم زمان باانتشاررمان آرتور سي.کلارک به نام"سرچشمه هاي بهشت"به مخاطبان گسترده اي معرفي شد.
همان طورکه پيش ازاين اشاره شد،يک آسانسور فضايي شامل يک سکوي شناور است که به عنوان پايگاه زميني خواهد بود،يک کابل که همان ريسمان ساخته شده ازنانو لوله هاي کربني است،بالا برنده هاي مکانيکي که براي حمل بارو مسافر مورد استفاده قرار خواهد گرفت،و همچنين وزنه تعادل خواهد بود.حال به شرح کوتاهي در مورد هربخش مي پردازيم.

ريسماني درآسمان:قسمت اصلي و مهم يک آسانسور فضايي،کابل آن خواهد بود.کابل ازنانو لوله هاي کربني ساخته خواهد شدکه فقط چندسانتي متر پهنا دارند وبه ضخامت کاغذ هستند.کشف نانو لوله هاي کربني درسال1991باعث جدي تر شدن فکرساخت آسانسورفضايي توسط دانشمندان ومهندسان شدو به اين باور رسيدند که آسانسورهاي فضايي رامي توان ساخت.نانو لوله هاي کربني صدبرابر قوي تراز فولاد وبه انعطاف پذيري پلاستيک هستند.قدرت و استقامت آنهاازساختار منحصربه فردشان ناشي مي شودکه شبيه ساختارتوپ فوتبال است.زماني که دانشمندان قادر به ساخت نخ يارشته اي ازنانو لوله هاي کربني شوند،امکان ساخت ريسماني که کابل نگهدارنده راشکل دهد،وجود خواهد داشت.ريسمان ياکابل آسانسورفضايي مي تواند به دو صورت ساخته شود:1-نانو لوله هاي کربني بلندبا چندين متر درازا که مي توان آنهارا به هم بافت وساختاري طناب مانند راشکل داد.(تا سال2005،بلندترين نانو لوله فقط چند سانتي متر درازا داشت.)
2-نانو لوله هاي کربني کوتاه مي توانند دريک ماتريس پليمري قرار بگيرند،اما پليمرهاي کنوني به خوبي به نانو لوله هاي کربني بسته نمي شوند که درنتيجه،ماتريسِ تحتِ تنش،استقامت کافي رانخواهد داشت.
نانو لوله هاي کربني احتياج به تحقيقات گسترده تر ودر ابعاد جهاني دارند،چون گستره کاربرد آنهابه آسانسورهاي فضايي محدود نمي شود،بلکه ازآنها مي توان در پل هاي معلق،مواد کامپوزيت جديد،موشک ها و هواپيماهاي سبک تر،صنايع نظامي،اتصالات داخلي پردازنده هاي کامپوزيتي و موارد بسيارديگري استفاده کرد.نمونه جديدي ازنانو لوله هاي کربني که به تازگي کشف شده،داراي مقاومت کششي 6/9گيگاپاسکال وچگالي آن تنهادر حدود116گرم برسانتي مترمکعب است که به درازاي چند سانتي متر ساخته شده است.

سواري تااوج:تازماني که کار بر روي کابل ياريسمان ادامه دارد،ديگر بخش هاي آسانسورفضايي رامي توان بااستفاده ازفناوري هاي شناخته شده ساخت.اين بخش ها شامل بالابرهاي روباتيک ،ايستگاه مهار،وسامانه انتقال قدرت باريکه نوري هستند.
بالابرها يا صعود کننده ها:آسانسورهايي که ما روزانه ازآنها استفاده مي کنيم داراي کابل متحرک هستند،يعني نيروي موتورالکتريکي، کابل راحرکت داده وکابين متصل به آن،بالا يا پايين مي رود.ولي در طرحي که براي آسانسورفضايي درنظر گرفته شده،کابل،ثابت وبه عنوان مسيري براي صعوداست،و غلتک هايي که به صورت دوتايي روبه روي هم قرار گرفته اند،به دليل اصطکاکي که باکابل ايجاد مي کنند،امکان بالاو پايين رفتن آسانسوررا مهيا مي کنند.

ايستگاه مهار:شروع حرکت آسانسورفضايي ازسکويي متحرک،در اقيانوس اطلس ودر مکاني نزديک استوا خواهد بود که کابل يا ريسمان به آن متصل ومهار خواهد شد.
وزنه تعادل:دربالاي کابل ياريسمان،يک وزنه تعادل سنگين قرار خواهد گرفت.درطرح هاي ابتدايي،يک سيارک به عنوان وزنه تعادل درنظرگرفته شده بود.ولي درطرح هاي اخير،استفاده ازوزنه تعادلِ ساخته شده روي زمين مدنظراست که چيزي شبيه به ماهواره هاي امروزي خواهد بود که توسط فضاپيما به فضامنتقل شده ودر مدار قرار خواهد گرفت.

انتقال توان وانرژي به بالابرها:توان وانرژي،هردو موضوعات مهمي براي بالابرها هستند.بالابرها به مقدار قابل توجهي انرژي پتانسيل احتياج دارندتا به سرعت،مسيررا براي حرکت بازنگه دارند.طرح هاي مختلفي براي انتقال انرژي به بالابرها وجود دارد،ازانتقال بدون سيم انرژي تاذخيره انرژي در خود بالابرها قبل ازشروع صعود آنها به فضا.اما طرح هاي اخير،اشاره به انتقال انرژي توسط سامانه ليزري الکترون آزاد"دارد.اين سامانه که درايستگاه مهارقرار خواهد گرفت،با ترکيبي ازآينه هاي قابل تنظيم وسلول هاي قدرت زاي نوري يافتوولتائيک که روي بالابرها قرار دارند،عمل خواهد کرد.

سلول هاي قدرت زاي نوري به نوبه خودقابل چرخش و تغيير جهت هستندتا بتوانند بيشترين مقدار نور ليزر را دريافت کنند.اين روش در مقايسه باروش هاي ديگر کمترين تلفات حرارتي و بيشترين بازده رابراي آسانسورهاي فضايي خواهد داشت.پس ازدريافت نورليزر توسط سلول هاي نوري،اين سلول ها نورليزر رابه الکتريسيته تبديل مي کنندو الکتريسيته توسط موتورهاي الکتريکي خاص،نيروي لازم رابراي حرکت بالابر ايجاد خواهد کرد.
ّ ...

طرح آسانسورفضايي اين قابليت را داردکه جايگزيني مناسب و کم هزينه براي فضاپيماهاي امروزي باشد وتبديل به وسيله اصلي حمل ونقل براي سفرهاي فضايي شود.حتي فضاپيماها رامي توان ازطريق آسانسورفضايي به مدارمنتقل کرد که ازآنجابه مقصداصلي خود درفضا حرکت کنند.اين نوع پرتاب،سوخت بسيارکمتري نسبت به پرتاب هاي ازسطح زمين نيازخواهد داشت.درپرتاب هاي ازسطح زمين،براي فرار ازگرانش و اصطکاک جو،نياز به مقادير بسيارزياد سوخت است که به افزايش فوق العاده وزن فضاپيما منجر مي شود.در برخي ازطرح ها،ازساخت اين سامانه روي ماه ياحتي مريخ صحبت مي شود.
آسانسورفضايي رويايي است که مانند روياي پرواز يا روياي سفربه ماه،در ذهن نويسندگان داستان هاي علمي-تخيلي و دانشمندان شکل گرفت.حالا ايين رويادر حال نزديک و نزديک ترشدن به واقعيت است...

پي‌نوشت‌ها:
 

1-Geostationary Earth Orbit/2-Synchrone/3-Extra-Terrestrial Relays-Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?/4-Arthorc.Clarke/5-wireless worldwide/6-The Fountain of Paradise/7-Mobil Platform/8-Carbon Nanotubes/9-Mechanical Lifters/10-Counterweight/11-Robotic Lifters/12-Power-beaming System/13-Free-electron system/14-Photovoltaic Cells
 

منبع:ماهنامه دانشمند،شماره ي 560