Hedvig
8 °C
22 °C
Index - In English In English Eng

Liftesfiúk kerestetnek az űrbe

nasa-urlift
2019.02.05. 16:38 Módosítva: 2019.02.05. 19:37
Az űrlift több mint száz évig az első látásra egyszerű, valójában azonban megvalósíthatatlan ötletek mintapéldája volt. Talán még most is az. Ugyanakkor egyre több mérnök gondolja komolyan, hogy néhány évtized múlva drága rakéták helyett felvonó viszi fel az űrhajósokat a több tízezer kilométer magasan keringő űrállomásokra. Hihetünk-e nekik?

Kétségtelen, hogy az űrhajóindításnál kevés felemelőbb és látványosabb aktus létezik az űrkutatásban. Visszaszámolnak az irányítóközpontban, mindenki visszafojtja a lélegzetét, begyújtják a rakétákat, a hajó pedig lassan elemelkedik a földről. A katarzis pedig akkor jön el, amikor az irányítóközpont hatalmas képernyői előtt ülő headsetes emberek üdvrivalgásban törnek ki, és ölelkezve ünneplik a sikert.

Csakhogy – ha túllépünk a PR-szempontokon, és nemcsak a Facebookon arató posztok lehetőségét nézzük – a rakétaindításnak megvannak a maga hátrányai is. Megterhelő mind az űrhajósok szervezetére, mind az űrhajóra nézve. Az utóbbi idők fejlődése dacára az űreszközök nagy része továbbra is csak egyszer használatos, így az azonnal amortizálódó rakétaalkatrészek, illetve a temérdek elégetett üzemanyag rendkívül drágává teszi a műveletet. De még a zsír új rakéták és űrsiklók használata sem biztosíték a gondtalan hazatérésre,

a felszálláskor bekövetkező hibák már több tragédiát okoztak.

Mennyivel egyszerűbb és olcsóbb – bár kevésbé ünnepélyes – lenne, ha az asztronauták beszállnának a földön egy lift fülkéjébe, majd az néhány nap alatt biztonságosan és gördülékenyen felvinné őket az űrbe. A számítások szerint így egy kilogramm hasznos teher űrbe juttatása akár 90 százalékkal is olcsóbb lenne, mint a most használatos űrhajók segítségével. Sőt, a bátrabb becslések szerint a mai 8-10 ezer dolláros kilogrammonkénti költség (amely a SpaceX Falcon Heavy rakétájával a várakozások szerint jövőre már 1000 dollár alá is csökkenhet) akár 50 dollár alá is mehet az űrliftek használatával.

Az űrlift olyan, mint az emberes űrutazás: mindig ugyanolyan távolságra van tőlünk a jövőben, hiába múlik az idő

– mondja Galántai Zoltán jövőkutató-tudománytörténész, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Gazdálkodástudományi Intézetének docense, aki Almár Ivánnal közösen írt Ha jövő, akkor világűr című könyvében hosszan foglalkozik az űrliftekkel. Így folytatja:  „Evidensnek látszik ugyanakkor, hogy az űrkutatás jelenlegi formáival vannak problémák. A legfontosabb az, hogy a kémiai hajtóanyaggal működő rakéták működtetése rettenetesen drága.

Erre kínál nagyon szexi megoldást az űrlift,

érthető, hogy a kilogrammonkénti néhány száz dolláros – vagy még annál is alacsonyabb – ár sokakat vonz.”

Persze rögtön nyilvánvaló, hogy az űrliftekhez építenünk kell egy tornyot, vagy legalább egy kábelrendszert, amely egészen az űrig ér. A Nemzetközi Űrállomás 400 kilométer magasan kering, de az űr hagyományos alsó határa, a Kármán Tódorról elnevezett Kármán-vonal is 100 kilométer magasan van. Csakhogy még ez a távolság is eltörpül az elméletileg működőképes űrlift magasságához képest, hiszen annak minden emberi számítás szerint több mint 35 ezer kilométer magasságig kellene felérnie.

Az Obajasi Vállalat 2050-re tervezett űrliftjének elképzelt kinézete
Az Obajasi Vállalat 2050-re tervezett űrliftjének elképzelt kinézete
Fotó: Obayashi Corporation

Az emberiség legmagasabb építménye, a dubaji Burdzs Kalifa toronyház ehhez képest mindössze 828 méter magas. Hogyan is tudnánk több 10 ezer kilométer magas, hihetelen erőhatásoknak is ellenálló struktúrát létrehozni, amelynek nagy részét már az űrben fel kellene építeni?

Nyilvánvaló, hogy az űrlift megépítése lehetetlen. Vagy mégsem?

A legutóbbi időkben az űrkutatás egyre több fajsúlyos szereplője foglalkozik komolyan az űrlift ötletével, és állításuk szerint jelentős haladást értek el a fejlesztés terén. Tavaly szeptemberben egy japán kutatócsoport mikroszatellitek között kifeszített kábeleket tesztelt, amelyekhez hasonlók lehetnek talán a jövőbeli űrliftek alkatrészei is. Az Obajasi cég, amely a japán infrastrukturális beruházások egyik fő megvalósítója, pedig az évszázad közepére tervezi az első ténylegesen is működő űrlift üzembe helyezését. Lehet azonban, hogy mégsem ők lesznek az elsők, hiszen az újkori űrverseny hajtómotorja – Kína – máris rájuk licitált, és 2045-re ígéri az első kabinok felemelkedését.

Az űrlift fizikája meglepő módon egész egyértelmű,

és elméleti szinten már hosszú évtizedek óta az apró részletekig kidolgozott. Ez azért van így, mert nem sokban különbözik a műholdak pályán tartásához szükséges számításoktól. Minden tárgy, amely a Föld körül kering, egyszerre érzékeli a Föld gravitációs vonzását, és az ezzel ellentétes, forgásból adódó centrifugális erőt. Minél magasabban kering, annál gyengébben hat rá a gravitáció, és annál erősebb lesz a centrifugális erő. Ahhoz, hogy a tárgy pályán maradjon, tehát ne zuhanjon vissza a Földre, de ne is repüljön ki a világűrbe, e két erőnek egyensúlyban kell lennie. 

Az egyensúly ugyan minden magasságon elérhető, viszont függ a tárgy sebességétől. Minél alacsonyabban kering az objektum, annál gyorsabban kell haladnia. Az alacsonyan, mindössze 408 kilométeren keringő Nemzetközi Űrállomás 7,66 kilométer/másodperccel halad, így 92 percenként megkerüli a Földet. Belátható, hogy egy űrlift végállomásának (ha a Földet és az űrliftet nyalókaként képzeljük el, akkor a nyalóka pálcikája végének) nem szabad elmozdulnia az alatta fekvő területhez képest. Így a geostacionárius műholdak szerepét kell betöltenie. Ezek pedig egyöntetűen 35.786 kilométer magasan keringenek. Ilyen szörnyen magasra kellene felépítenünk az űrliftet, hogy az pontosan a Földdel megegyező sebességgel keringjen, és így ne sodródjon el a földi végállomástól (bár ez remek nyitójelenete lenne egy katasztrófafilmnek).

Legalábbis ezt gondolta Konsztantyin Ciolkovszkij, az űrkutatás egészére alapvető hatást gyakorló teoretikus 1895-ben. Az akkoriban felépített Eiffel-torony adta számára az ötletet, az ő elképzelése szerint a torony tetejéről indult volna az űrlift kábele a geostacionárius pálya magasságába. Az ötlet azonban csak 84 évvel később, Arthur C. Clarke Az éden szökőkútjai című regénye révén vált közismertté. Clarke egész életében az űrlift legelhivatottabb hirdetője maradt.

Csakhogy kiderült, hogy Ciolkovszkij és Clarke kissé alulbecsülték az űrlifthez szükséges magasságot.

Ugyanis a struktúra tömegközéppontjának kell elérnie a geostacionárius pálya magasságát, viszont ebbe bele kell számolni a sokkal alacsonyabban lévő kábelek és egyéb alkatrészek tömegét is. Magyarul: ha a végállomás „csak” 36 ezer kilométer magasan lenne, akkor az építmény súlya olyan erővel húzná a liftet a földre, hogy az menthetetlenül összeomlana. Ezért az újabb koncepciók legtöbbje immár a geostacionárius pályán többszörösen túlnyúló, akár 100 ezer kilométer hosszú kábelekkel számol.

A cél tehát adott, a bibi a megvalósíthatósággal van.

A koncepciók legtöbbje az Egyenlítő mentén képzeli el az űrliftet, minthogy ott a legegyszerűbb geostacionárius rendszert kiépíteni, illetve ott a legkisebb a hurrikánok esélye. Emellett az is fontos, hogy elkerüljük a már nem használt műholdakból, űrhajókból származó űrszeméttel való ütközést. Ezt néhány szakértő szerint úgy lehetne a leghatékonyabban megvalósítani, ha nem a szárazföldről, hanem az óceánon úszó mozgatható platformról indulna a lift. Így ki lehetne térni az időben érzékelt és ütközési pályán közelítő űrszemét elől.

A tavaly felbocsátott, összekötött japán kockaműholdak koncepció rajza
A tavaly felbocsátott, összekötött japán kockaműholdak koncepció rajza
Fotó: STARS Project

A kabinok mozgatása újabb megoldatlan problémát jelent, de e téren már éles űrbéli tesztek is zajlanak. Múlt szeptemberben egy japán kutatócsoport a Sizuoka Egyetem vezetésével két kockaműholdat küldött a Nemzetközi Űrállomásra. A japán űrügynökség által működtetett Kibo modulból bocsátották az alig 10 centiméteres élhosszúságú szatelliteket az űrbe, közöttük pedig egy 11 méteres kábel feszült (a jövőbeli űrlift kábeleit szimulálva). Ezután egy még kisebb, elektromágneses meghajtású kapszulát terveztek a kábel mentén a két kockaműhold között oda-vissza küldeni, miközben kamerán figyelik a működését. Nem tudni egyelőre, hogy hogyan működött a kísérlet, a kutatócsoport az utóbbi hónapokban nem adott ki közleményt.

Mindenesetre azt megállapíthatjuk, hogy két 10 centis kocka között feszülő 11 méteres drót igencsak kis léptékű szimulációja a valós űrlift sok 10 ezer kilométeres kábelrendszerének. A kutatócsoport egy tagja mégis úgy nyilatkozott a New Scientistnek, hogy a huzal kifeszítésének elve hasonló a majdani struktúrát egyenesen tartó erőkhöz, ezért szerinte „ha ez a kísérlet sikerrel zárul, az megnöveli a tényleges űrlift megvalósíthatóságának esélyét”. De vajon hogyan építenék fel a valós kábelt a Földről egészen a geostacionárius pályán is túlra?

Már a hatvanas években felvetődött, hogy ez pont fordítva, föntről lefelé történne, legalábbis az első lépésben.

Pályára állítanának egy műholdat, amelynek teherbírása sokszorosan meghaladná a jelenlegi szatellitek képességeit. Sok ezer kilométer huzalt kellene ugyanis magával vinnie, bár ezek még nem az űrlift végleges kábelei lennének. A pályára álló műhold szép lassan leengedné a huzalt a Földre, amelyen ezután egymás után robotok másznának föl, újabb és újabb kábelt húzva maguk után. Így idővel számos különálló szálból álló huzalköteg rögzítené az űrliftet a Földhöz. A felért, és szükségtelenné váló kábelfektető robotok pedig ellensúlyt képeznének. Ezáltal a geostacionárius pályán kívül már túlsúlyban lévő centrifugális erő miatt folyamatosan feszesen tartanák a kábelt, amely hihetetlen teherbírásának köszönhetően nem szakadna el, így az űrlift legfelső emeletre tartó utasai nem sodródnának ki menthetetlenül az űrbe. Csak az a baj, hogy a jelenlegi technológiai fejlettségünk mellett biztosan elszakadna a köldökzsinór, és az utazás egyirányú lenne.

Itt értünk el az űrlift legnagyobb buktatójához, a hihetetlen erőhatásokhoz,

amelyeknek ellen kell állnia. Minden, ami a geostacionárius magasság alatt van, lefelé húzza a struktúrát, miközben minden fölötte lévő dolog ki akarja tépni az űrbe. Persze bármilyen anyagból lehet ilyen teherbírású huzalt készíteni, csak elég vastagra kell csinálni. A sima acél alkalmas vastagsága például sokszorosan meghaladná a Föld átmérőjét, tehát felejtős a dolog. Jelenleg egyértelműen nem léteznek olyan, azonnal alkalmazható állapotban lévő anyagok a földön, amelyekből 50-100 ezer kilométer hosszú vezetékeket lennénk képesek építeni, és azok kibírnák az űrbéli megpróbáltatásokat (vagy akár csak a saját tömegüket).

Viszont a laboratóriumokban talán már ugrásra készen állnak az alkalmas anyagok. A jelölti lista tetején a szén nanocsöveket találjuk, amelyek kétdimenziós (egyetlen atomréteg vastag) szénlapok hengerré tekeredéséből jönnek létre. Közöttük vannak az emberiség által előállított legerősebb anyagok, és elméletileg elbírnák az űrliftet. A buktató? Hogy eddig még csak 55 centiméteres volt a leghosszabb egybefüggő nanocső, és nem 100 ezer kilométer.

Viszont néhány hónapja egy kínai kutatócsoport a Nature Nanotechnology folyóiratban publikálta, hogy olyan szén nanocsöveket állítottak elő, amelyek

egy köbcentimétere elbír 800 tonnát is.

Ez 9-45-ször erősebb, mint bármely más anyag. A NASA 2005-ben pályázatot írt ki (részben a jövőbeli űrliftek igényeit szem előtt tartva) egy 7 gigapascalos szakítószilárdságú anyag létrehozására. A kínai kutatócsoport nanocsövének szakítószilárdsága 80 gigapascal. De hogy hogyan és legfőképpen mikor leszünk képesek számos nanocsőből összefont sok tízezer kilométer hosszú huzalokat készíteni belőlük, azt senki sem tudja biztosan.

Mindezen nehézségek ellenére két projektet is bejelentettek az utóbbi időben, amelyek néhány évtizeden belül működő űrliftet ígérnek. A japán Obajasi részvénytársaság 2050-et célozta be. Ők is szén nanocsövekből képzelik el a kábelt, amely több mint 90 ezer kilométerre (a Hold–Föld-távolság negyedéig) magasodna az űrbe. A végét egy ellensúly feszítené ki (talán egy befogott aszteroida), de az elektromágneses meghajtású liftkabinok csak a geostacionárius pálya magasságban lévő állomásig szállítanák az utasokat. Az energiaellátást napelemekkel vagy a földről sugárzott bitang erős lézernyalábok segítségével oldanák meg. Az utat óránként 200 kilométeres sebességgel tennék meg, és így nagyjából 6 napot venne igénybe. Hogy mindez mennyibe kerülne, arról fogalmuk sincs.

„Jelenleg nem tudjuk megbecsülni a projekt költségeit – nyilatkozta az Obajasi egy illetékese. – Ennek ellenére igyekezni fogunk folyamatos haladást elérni, hogy az űrlift ne csak álom maradjon.” Hasonló tervet jelentett be nem sokkal később a kínai űrkutatási hivatal egyik háttérintézménye is, és ők a hatás kedvéért 2045-öt jelölték meg céldátumként. Minthogy azonban egyik tervről sem lehet igazán érdemi részletet ismerni (ha egyáltalán vannak mögöttük érdemi részletek), egyelőre ezek inkább csak a propaganda eszközei. Csakhogy

A propagandacélok a múltban sokszor késztették már valószínűtlen teljesítményre az űrkutatókat.

Galántai Zoltán szerint az űrlift legalább akkora technológiai ugrást jelentene, mint amikor a 19. század végén az emberiség lemondott az addigi elképzelésekben szereplő csapkodó szárnyas repülőgépekről, és a propellerre kezdett koncentrálni. Csakhogy nem biztos, hogy egyáltalán meg lehet valósítani, és az is kétséges, hogy az emberiség rá fogja szánni a belépési költségeit. A koncepciókban manapság 10 milliárd dolláros nagyságrendű költségeket olvasni, de ezt Galántai szerint a korábbi űrkutatási tervek tervezett és valós költségeiből okulva nyugodtan megszorozhatjuk tízzel is.

2050-re tervezett űrlift elképzelt kinézete
2050-re tervezett űrlift elképzelt kinézete
Fotó: Obayashi Corporation

„Már a 2045-ös céldátum is olyan messze van, hogy addigra minden meg fog változni a földön, és nem tudjuk hogy hogyan. 

Egy Űrkutatás 2001 címmel rendezett konferencián azt jósolták 1966-ban, hogy évente egymillió rakétaindítás lesz. Ezzel kissé mellélőttek, mert abban az évben összesen alig 150 volt

– érvel Galántai. – A harminc-negyven éves időtávra vonatkozó tervekkel az a baj, hogy nem tudjuk, hogy azok a problémák, amelyek ma súlyosnak tűnnek, vajon problémák lesznek-e még akkor is. Ötven éve még senki nem látta előre a robotok térhódítását az űrkutatásban. Viszont mára az automaták teljesen átalakították a terveket. Miért küldenénk a bolygókra méregdrága emberes űrhajókat, ha (kis túlzással) ugyanezt a munkát egy aktatáska méretű szonda is el tudja látni?”

Valószínűleg még mindig úgy gondolják, hogy az űrlift csak a sci-fik világába való. Talán igazuk is van. Ugyanakkor a geostacionárius pálya rutinszerű emberes elérése új fejezetet nyitna az űrkutatásban. Hiszen eddig összesen 25 ember jutott el ebbe a magasságba (Az Apollo-küldetések egy része), manapság pedig csak a Nemzetközi Űrállomás 400 kilométeres magassága elérhető számunkra.

De a nem létező technológiák használhatóságáról nem tudunk biztosat mondani, amíg ki nem próbáljuk, tartja Galántai Zoltán.

A mérnöki tudomány a meglepetések tudománya. Ez azt jelenti, hogy hiába tűnik sok minden elméletileg megvalósíthatónak, később könnyen kiderülhet, hogy mégsem az. Én személy szerint nem űrliftre költeném ezeket a dollár tízmilliárdokat. Jelenleg vannak a földön sokkal égetőbb problémák is, bár az esetek többségében nem a pénz hiányzik e problémák megoldáshoz, hanem az akarat.

(Borítókép: A NASA által elképzelt űrlift. Fotó: Pat Rawling / NASA)