Vesmírný výtah

Představte si hotel, který se s vámi tiše a měkce vznese do oblak. Za širokými panoramatickými okny můžete pozorovat, jak nebe postupně tmavne a tmavne. Nestmívá se, to jen vaše cestovní kabina stoupá nad zemskou atmosféru. Současně zvolna odplouvá i vaše tíže. O několik dní později dorazíte k rozsáhlé orbitální stanici. Vítejte v kosmu. Právě jste se svezli vesmírným výtahem.

Stačí jen napnout lano
Myšlenka vesmírného výtahu se zrodila v hlavě ruského inženýra Juriho Artsutanova v roce 1960 a je neobyčejně prostá. Tělesu na oběžné dráze nad rovníkem v tzv.geosynchronní výšce (cca 42 000 km) trvá jeden oběh kolem Země právě 24 hodin. Za stejnou dobu se však otočí i Země pod ním. Z pohledu místa na rovníku tedy předmět visí stále na jednom místě na obloze. Tohoto triku využívají televizní a komunikační satelity. Na jeden z nich možná právě teď míří vaše satelitní anténa, díky které se můžete dívat na zahraniční televizní vysílání. Nyní mezi Zemí a satelitem na geosynchronní dráze napněte lano, pokud možno nějaké kvalitní, aby se nepřetrhlo vlastní vahou. Pokud ho ukotvíte přímo na geosynchronní dráze, bude mít lano tendenci padat dolů, ale jakmile je protáhnete o pár tisíc kilometrů dále a opatříte protizávažím, závaží bude lano napínat a celý objekt se bez problémů udrží na svém místě. Pak už stačí jen po laně vyšplhat a pohodlně, bez otřesů, za zlomek ceny, které potřebují současné raketoplány, dopravit libovolný náklad na oběžnou dráhu Země.

Přesně takhle má fungovat vesmírný výtah, o jehož vývoj a stavbu usiluje sdružení Spaceward Foundation.

Uhlíková stužka
Většina starších návrhů vesmírného výtahu počítala s pevnou konstrukcí, po které by výtah jezdil. Její stavba by ovšem byla nesmírně náročná, materiál by měl tendenci hroutit se vlastní vahou a její případná oprava by byla velmi komplikovaná. Naděje svitla v podobě uhlíkových nanotrubiček, které roku 1990 objevil  Sumio Iijima. Vlákno z nanotrubiček široké jen několik milimetrů až centimetrů by mohlo být dostatečně pevné, aby se dalo natáhnout na 100 000 kilometrů od Země a ještě aby po něm šplhaly stroje s nákladem. Ano, čtete správně, několik milimetrů až pár centimetrů tlustý provázek. Bylo vypočteno, že lano z uhlíkových nanotrubiček o průřezu 4 mm dokáže unést stroj o váze 20 tun. Takové lano dlouhé 100 000 kilometrů by vážilo pouhých 1000 tun, čili jako nějaké dva, tři jumbo jety. Potom je možno celý výtah naložit na běžnou raketu a vynést do kosmu, druhá raketa pak za ním dopraví protizávaží, které je vlastně nejtěžší částí celého systému.

Jak roste výtah
Stavba výtahu začíná na geosynchronní dráze, kam se umístí svinuté lano s protizávažím. Odtud se pomalu začne spouštět lano k Zemi, zatímco se upravuje poloha závaží, aby celý výtah byl stále v rovnováze. Jakmile se lano dotkne povrchu Země, pevně se ukotví a výtah je v podstatě hotov. Kotviště by se s největší pravděpodobností nacházelo na plovoucí základně v Pacifiku. Tato oblast je daleko od obydlených oblastí i letových drah, což by zvyšovalo bezpečnost výtahu. Navíc kotevní loď se může přemisťovat a tím se vyhnout třeba tropické bouři, která by se k výtahu blížila.

První výtah by byl pravděpodobně tvořen velmi tenkým lanem, aby se do vesmíru musela vynášet co nejmenší váha. Jakmile bude jednou spojen se Zemí, může takřka neomezeně růst a zesilovat se.  Po tenkém laně vyšplhá robot a vynese vzhůru delší a silnější lano a tak dále, až nakonec máte výtah dlouhý třeba 100 000 km a schopný unést naráz i třeba 100 tun.

Obdobně by se i opravovalo případné poškození. Lano by se skládalo z nezávislých segmentů, poškozený segment by se v oblasti protizávaží a kotevní lodi odejmul a místo něj by se vyšplhal robot s náhradním segmentem.

Pevné lano a lehký robot
Pro úspěšnou stavbu výtahu zatím chybí dvě věci. Dostatečně pevné lano, které by se nepřetrhlo vlastní vahou a navíc by uneslo robota s nákladem, a dostatečně lehký a silný šplhací robot. Takový „šplhač“ by měl unést podstatně větší náklad, než sám váží a proto by bylo vhodné, aby si s sebou nenesl zásoby paliva. Tak by mohl hravě konkurovat kosmickým raketám, u kterých tvoří palivová nádrž většinu jejich hmotnosti. Nepřítomnost paliva navíc podstatně zvyšuje bezpečnost jízdy, protože na palubě není nic, co by mohlo vybuchnout nebo shořet.

Předpokládá se, že šplhač by mohl být vybaven fotovoltaickými články, na které by svítil silný laserový paprsek z pozemské základny. Vlastní stroj by se tak sestával pouze ze solárních článků, elektromotoru a plošiny pro náklad. Vzhůru by se dostával za cenu elektrické energie. Kdyby si navíc jeho fotovoltaické články vypomohly slunečním zářením, byla by cesta nahoru ještě levnější.

Spaceward Foundation se rozhodla inspirovat cenami X-prize či závody solárních automobilů a vyhlásila soutěž o nejpevnější lano a o nejvýkonnějšího šplhače. Doufá, že tímto způsobem podnítí vývoj a přiblíží den, kdy bude kosmický výtah slavnostně uveden do provozu.

O nejpevnější lano
Lana vyráběná z uhlíkových nanotrubiček se rok od roku zdokonalují, ale jejich kvalita stále ještě není dostatečná. Pro stavbu vesmírného výtahu by bylo třeba lano, které je 25x pevnější než nejlepší současný materiál. Soutěž o nejpevnější lano má celkem jednoduché podmínky. Soutěžící lano musí při délce minimálně 2 metrů a průřezu maximálně 200 milimetrů vážit méně než 2 gramy a samozřejmě vydržet v tahu co nejvíce. Vítěz obdrží 900 000 USD.

Pro potřeby vesmírného výtahu se počítá s dvěma typy lan. V atmosféře je výhodnější klasický kruhový průřez, kdežto v kosmu bude lepší použít plochou stuhu.

O nejlehčího šplhače
NASA's Centennial Challenges program věnoval na soutěže celkem 4 000 000 USD, přičemž Spaceward Foundation je rozděluje postupně. V každém kole soutěže je výhra vyšší a zároveň je soutěž náročnější. První rok se soutěžilo mezi roboty lezoucími na 50 m vysoké lano rychlostí 1 m/s. V letošní soutěži obdrží 2 000 000 USD robot, který vyšplhá na 1 km vysoké lano zavěšené pod vrtulníkem rychlostí 5 m/s. Hmotnost šplhače je omezena na 50 kg, přičemž by měl unést co největší náklad rychlostí alespoň 2 m/s. Součástí úkolu je i vyrobit pohonný laserový systém.

Letos se na finále v Kalifornské Mohavské poušti na Edwardsově letecké základně kvalifikovala trojice družstev. Kansas City Space Pirates, LaserMotive a USST (University of Saskatchewan Space Design Team). Vítězem se stalo družstvo LaserMotive, které si odneslo jen 900 000 USD, protože se mu nepodařilo dosáhnout rychlostní hranici 5 m/s.

Kdy už pojedeme?
Pokud soutěžení opravdu popožene vývoj materiálů a technologií pro vesmírný výtah tak, jak organizátoři plánují, mohl by být výtah spuštěn již za 15 až 20 let. Jestli bude opravdu postaven ale záleží i na politické vůli a dostupnosti financí. Celý projekt vesmírného výtahu by měl přijít na 10 miliard USD, což je cena srovnatelná s vesmírnou stanicí ISS.

Výtah by ale zvládal dopravovat až několik desítek tun nákladu na oběžnou dráhu denně. Zatímco raketa vynese tunu za více než 1000 USD, výtah by dokázal totéž za 10 USD i méně. Vesmírný výtah by navíc umožnil a usnadnil cesty dál do sluneční soustavy. Loď, která by vystoupala až na konec lana, by měla rychlost kolem 7 km/s poté, co by se lana jednoduše pustila. Tímto tempem lze doletět k Marsu za 125 dní, navíc u Marsu nebo Měsíce může být vybudován podobný výtah s podstatně menšími náklady, protože je tam nižší gravitace a výtah může být kratší.

Teprve stavbou kosmického výtahu opravdu začne kosmický věk lidstva.