Jak funguje vesmírný výtah a proč nikdy nebude na Měsíci

Drahý Time,

jak jsem psal v těchto článcích o kolonizaci vesmíru (Oběžná dráha Země, Měsíc, Mars a Pás a Hledání života), pro rozvoj naší civilizace je nezbytné vyrazit do vesmíru. Jenomže přes všechny dosažené úspěchy je to pořád velmi drahá věc, kde cena brání masovému rozšíření.

Nejdříve trochu fyziky, ok? V gravitačním poli platí, že každé těleso má svoji potenciální energii, která je vyjádřena vzorcem:

Ep= m.g.h

kde m je hmotnost tělesa, g je gravitační zrychlení a h je výška nad zemí. Když něco leží na zemském povrchu, má prakticky nulou potenciální energii. A když chceme kilo hmoty přemístit ze Země na orbitu ve výšce 400 km, musíme vykonat práci, přidat tělesu energii, a to:

Ep= 1.9,81.400000 = 3.924 MJ

Zatím známe jenom jeden postup, jak tuto energii dodat, posadíme užitečný náklad nahoru nad obrovské množství vysoce hořlavých a explozivních směsí a za pomoci pečlivě řízeného spalování ji raketou vyneseme do vesmíru. I když se cena za tuto záležitost pořád snižuje, hlavně díky znovupoužitelným raketám od SpaceX a nově i Blue Origin (jejich raketa New Glenn vynesla dvě družice pro výzkum Marsu a první stupeň úspěšně přistál), pořád je cena za kilo okolo 3000 dolarů. I když, pokud se rozjedou lety Starship, slibují cenu za 100 dolarů.

Jenomže se začíná ukazovat, že spaliny z raket mohou poškozovat ozónovou vrstvu. A i jinak to není právě efektivní záležitost, třeba Falcon Heavy má při startu na palubě 1 410 tun paliva a 63 tun užitečného nákladu. A z toho 1 100 tun spotřebuje první stupeň do výšky v průměru 80 km, kde se odpojí. Druhý stupeň už má „jenom“ 100 tun a vytáhne náklad na 400 km. Nejvíce náročné jsou tedy první krůčky od rampy směrem vzhůru.

Celkově je vzlet poměrně drsná záležitost s velkým přetížením s spoustou vibrace. A za maximálně 10 minut je hotovo.

A co si na to všechno vzít poněkud více času a hlavně tu energii dodávat zvenčí? To je koncept vesmírného výtahu, který do širokého povědomí veřejnosti dostal velmi slavný sci-fi autor Artur C. Clark ve své novele Rajské fontány v roce 1979. Ale samotný nápad na něco podobného měl už Konstantin Ciolkovský v roce 1895. Princip je ve své podstatě jednoduchý: Někde poblíž rovníku postavíme plovoucí základnu a z ní natáhneme lano až na geosynchronní orbitu, což je nějakých 35 786 km a kousek nad tuto výšku umístíme protizávaží. V této vzdálenosti od Země už odstředivá síla udrží to lano napnuté a můžeme po něm jezdit nahoru a dolů. Celé to funguje, jako když roztočíte kuličku na provázku, odstředivá síla překoná gravitaci. A jak dobře víme z mého předchozího článku, na nízké orbitě žádná beztíže není.

Geosynchronní dráha také zajistí, že se lano bude otáčet stejnou rychlostí, jakou se otáčí naše planeta, jinak by se navinulo na zemský rovník. Také plovoucí základna je důležitá, protože budeme muset poměrně často lanem uhýbat před družicemi a jinými orbitálními zařízeními. Proto plovoucí, je pro nás mnohem snazší pohnout základnou na moři, než druhým koncem vysoko ve vesmíru.

Tím hlavním problémem, proč to ještě nemáme je materiál lana. I ta nejpevnější ocel nebo kevlar se přetrhnou jenom vlastní vahou. Potřebujeme tedy velmi lehký a zároveň nesmírně pevný materiál. A takový, jediný nám známý, jsou v současnosti uhlíkové nanotrubičky. Naším cílem je v podstatě cca 36 000 km dlouhá trubička a z těchto trubiček potom spletené lano. Bohužel, zatím nejdelší trubičky, které umíme pěstovat jsou o délce nižších desítek centimetrů. A samozřejmě též cena takto vyrobené trubičky.

Potom je tu napájení kabiny výtahu. Neexistuje, že by si sebou vezla baterky nebo táhla kabel. Na druhou stranu jsou představitelné solární panely, ať už na Slunce, nebo napájení laserem ze Země. Také když napájení vypadne, kabinu zastaví brzdy a zůstane na místě, což je velký rozdíl od toho, když raketě selžou motory. Není také potřeba, aby kabina pokaždé jezdila až nahoru, na většinu použití bude stačit vykládka na nízké oběžné dráze. Ale pozor, cokoliv opustí kabinu dříve než na geosynchronní orbitě, bude muset být urychleno, protože nemá dostatečnou orbitální rychlost, jinak by to spadlo zpátky na Zemi.

Vím, že výtah zní jako těžké sci-fi, ale přesto na jeho konstrukci už lidé pracují. Existuje Mezinárodní konsorcium pro vesmírný výtah, které se snaží dát dohromady vše potřebné pro stavbu výtahu, i když zatím spíše jenom v oblasti potřebných technologií.

Zdá se to podivné, na první pohled má Měsíc mnohem menší gravitaci než Země, takže by podobná stavba měla být mnohem jednodušší, protože bude stačit kratší lano, které navíc nebude tolik namáháno. Ale vidle nám do toho háže otáčení Měsíce kolem vlastní osy. Ano, je to tak, měsíční den trvá 28 pozemských dní, což je doba, za kterou oběhne Měsíc kolem Země. Proto také vidíme pořád jenom jednu jeho stranu, tu přivrácenou. Takže odstředivá síla, vznikající díky rotaci Měsíce je mnohem menší. Díky tomu je ekvivalent geosynchronní dráhy v případě Měsíce kousek nad 86 000 km. Takže více jak dvakrát daleko, než je to u Země. A co zabije výtah na Měsíci je ztv. Hillova sféra, tedy oblast, ve které má dané těleso gravitační dominanci. U Měsíce je to nějakých 61 000 km, pak převládne gravitace Země. Tím pádem nemáme ve své podstatě stálý bod, proto by se muselo neustále protizávaží výtahu posouvat, aby se kompenzovalo vzájemné působení gravitace Země a Měsíce. To už mnohem lépe na Měsíci vychází elektromagnetický katapult. Ale o tom možná příště.