Του Λουκά Μπαφατάκη, Μηχανολόγου Μηχανικού Ε.Μ.Π.
Όταν βλέπουμε έναν πύραυλο να απογειώνεται, η εικόνα μάς οδηγεί σε μια αυθόρμητη αλλά παραπλανητική σκέψη: ότι το δύσκολο είναι να ανέβει αρκετά ψηλά. Η χαμηλή γήινη τροχιά αρχίζει μόλις μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια. Αυτή η απόσταση είναι μικρότερη από μια συνηθισμένη αεροπορική διαδρομή μέσα στην Ευρώπη. Αν το πρόβλημα ήταν μόνο το ύψος, η πρόσβαση στο Διάστημα θα ήταν πολύ ευκολότερη.
Ένα σώμα σε κυκλική τροχιά ύψους περίπου 400 km κινείται με σχεδόν 7,7 km/s, δηλαδή περίπου 27.600 km/h. Δεν αιωρείται επειδή έχει ξεφύγει από τη βαρύτητα. Αντίθετα, βρίσκεται σε συνεχή ελεύθερη πτώση προς τη Γη, αλλά κινείται οριζόντια τόσο γρήγορα ώστε η καμπυλότητα της πορείας του ακολουθεί την καμπυλότητα του πλανήτη.
Η τροχιά είναι ουσιαστικά συνεχής ελεύθερη πτώση γύρω από τη Γη, χωρίς το σώμα να φτάνει ποτέ στο έδαφος. Σε μια ιδανική προσέγγιση, η μηχανική ενέργεια που χρειάζεται ένα κιλό μάζας για να μεταφερθεί από την επιφάνεια σε κυκλική τροχιά 400 km είναι περίπου 33 MJ. Από αυτά, μόλις περίπου 3,7 MJ αντιστοιχούν στην αύξηση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας. Περίπου 29,4 MJ, σχεδόν το 89% του συνόλου, βρίσκονται στην οριζόντια κινητική ενέργεια.
Γιατί οι πύραυλοι χρειάζονται τόσο πολύ καύσιμο;
Ένας πύραυλος δεν αρκεί να αποκτήσει τα 7,7 km/s της τελικής τροχιακής ταχύτητας. Πρέπει επίσης να αντισταθμίσει τις απώλειες λόγω βαρύτητας όσο ανεβαίνει, την αεροδυναμική αντίσταση και τις αποκλίσεις από την ιδανική πορεία. Γι’ αυτό η συνολική απαίτηση μεταβολής ταχύτητας για την πρόσβαση σε χαμηλή γήινη τροχιά, βρίσκεται συνήθως στην περιοχή των 9 έως 10 km/s, ανάλογα με το όχημα, την τροχιά και το σημείο εκτόξευσης. Μια αντιπροσωπευτική εκτίμηση είναι τα περίπου 9,2 km/s. Εδώ εμφανίζεται η εξίσωση του πυραύλου:
Δv = Iₛₚ · g₀ · ln(m₀ / m_f)
όπου:
- Δv είναι η συνολική μεταβολή ταχύτητας,
- Iₛₚ η ειδική ώση του κινητήρα,
- g₀ η επιτάχυνση της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης,
- m₀ η αρχική μάζα,
- m_f η τελική μάζα μετά την κατανάλωση του προωθητικού μέσου.
Η λογαριθμική μορφή της εξίσωσης περιέχει τη σκληρή πραγματικότητα: η απαιτούμενη αναλογία αρχικής προς τελική μάζα αυξάνεται εκθετικά με το Δv. Περισσότερο καύσιμο απαιτεί περισσότερο καύσιμο για να επιταχυνθεί και το ίδιο το επιπλέον καύσιμο.
Αν υποθέσουμε έναν πολύ καλό χημικό κινητήρα με ειδική ώση 450 δευτερολέπτων, η αφαίρεση μόλις 2 km/s από την απαίτηση του πυραύλου μειώνει την ιδανική αναλογία μαζών κατά παράγοντα περίπου 1,57. Αν αφαιρεθούν 3 km/s, η αναλογία μειώνεται σχεδόν κατά παράγοντα δύο. Αυτό δεν σημαίνει αυτομάτως διπλάσιο ωφέλιμο φορτίο. Οι πραγματικοί πύραυλοι έχουν στάδια, δεξαμενές, κινητήρες, δομική μάζα, αεροδυναμικούς περιορισμούς και συγκεκριμένες τροχιές. Δείχνει όμως γιατί ακόμη και λίγα km/s να εξοικονομηθούν είναι εξαιρετικά πολύτιμα.
Ένας γάντζος που πέφτει από το Διάστημα
Το διαστημικό skyhook είναι μια ιδέα για ένα μακρύ καλώδιο, συνδεδεμένο με έναν κεντρικό σταθμό ή αντίβαρο, όπου ολόκληρο το σύστημα περιφέρεται γύρω από τη Γη. Δεν κρέμεται ακίνητο πάνω από ένα συγκεκριμένο σημείο και δεν είναι στερεωμένο στο έδαφος. Δεν φτάνει από την επιφάνεια μέχρι τη γεωστατική τροχιά. Η περιστροφή επιλέγεται έτσι ώστε, όταν το ένα άκρο του καλωδίου βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της διαδρομής του, η ταχύτητά του, λόγω περιστροφής, να είναι αντίθετη από την τροχιακή ταχύτητα του κέντρου του συστήματος. Η ταχύτητα του χαμηλότερου άκρου ως προς τη Γη μπορεί να γραφτεί προσεγγιστικά ως:
v_άκρου = v_τροχιάς − ωL
όπου:
- v_τροχιάς είναι η ταχύτητα του κέντρου μάζας του skyhook,
- ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής,
- L η απόσταση από το κέντρο περιστροφής μέχρι το άκρο.
Αν το κέντρο κινείται με 7,6 km/s και το άκρο έχει αντίθετη περιστροφική ταχύτητα 3 km/s, τότε το άκρο περνά από το χαμηλότερο σημείο με ταχύτητα περίπου 4,6 km/s ως προς το έδαφος. Ένα υποτροχιακό όχημα δεν χρειάζεται πλέον να επιταχυνθεί μόνο του μέχρι τα 7,7 km/s. Χρειάζεται να φτάσει στο κατάλληλο ύψος, στη σωστή θέση, τη σωστή στιγμή και με ταχύτητα συμβατή με το άκρο του καλωδίου.
Καθώς το καλώδιο συνεχίζει να περιστρέφεται, το φορτίο ανυψώνεται και επιταχύνεται. Αν απελευθερωθεί στο κατάλληλο σημείο, μπορεί να εισέλθει σε χαμηλή ή υψηλότερη τροχιά, ή ακόμη και να αποκτήσει αρκετή ενέργεια για αποστολή πέρα από τη Γη.
Η συνάντηση των λίγων δευτερολέπτων
Η εικόνα ενός καλωδίου που κατεβαίνει και παραλαμβάνει ένα φορτίο μπορεί να φαίνεται έως και απλή. Στην πραγματικότητα, η επιχείρηση θα ήταν ακραία. Το άκρο του skyhook δεν θα περίμενε το όχημα. Θα περνούσε από το σημείο συνάντησης με υπερηχητική ή πολυηχητική ταχύτητα, ακολουθώντας μια αυστηρά υπολογισμένη καμπύλη. Οπότε το υποτροχιακό όχημα θα έπρεπε να φτάσει: στο σωστό γεωγραφικό σημείο, στο σωστό ύψος, με το σωστό διάνυσμα ταχύτητας, με σωστό προσανατολισμό και όλα αυτά μέσα σε χρονικό παράθυρο λίγων δευτερολέπτων.
Σε μελέτη της NASA για ένα σύστημα ανταλλαγής ορμής τύπου MXER, το καλώδιο είχε έκταση έως περίπου 100 km και περίοδο περιστροφής 6 έως 7 λεπτών. Η συνάντηση με το φορτίο έπρεπε να πραγματοποιηθεί μέσα σε παράθυρο λίγων δευτερολέπτων, ενώ το επιτρεπόμενο σφάλμα θέσης βρισκόταν στην τάξη του ενός μέτρου.
Αυτό δεν είναι απλώς πρόβλημα πλοήγησης. Είναι πρόβλημα ταυτόχρονης πλοήγησης δύο ταχύτατων, εύκαμπτων και δυναμικά μεταβαλλόμενων συστημάτων, το ένα από τα οποία έχει μήκος δεκάδων ή εκατοντάδων χιλιομέτρων. Ακόμη το άκρο του καλωδίου δεν κινείται σαν άκαμπτος βραχίονας. Ταλαντώνεται, παραμορφώνεται και επηρεάζεται από βαρυτικές μεταβολές, αεροδυναμική αντίσταση, θερμικές διαστολές, περιστροφική δυναμική και την ίδια τη διαδικασία σύλληψης.
Δεν υπάρχει δωρεάν τροχιακή ενέργεια
Αν ένα skyhook αυξήσει την ταχύτητα ενός φορτίου, πρέπει να χάσει την ίδια ποσότητα ορμής. Η μεταβολή της ορμής του φορτίου είναι: Δp=m_φορτίου · Δv
Ας υποθέσουμε ένα φορτίο 10 τόνων που κερδίζει 3 km/s από το skyhook: Δp = 10.000 × 3.000 και Δp = 30.000.000 kg·m/s . Αυτή η ορμή δεν εμφανίζεται δωρεάν. Αφαιρείται από την περιστροφική και τροχιακή κίνηση του skyhook.
Σε ένα εξαιρετικά απλοποιημένο παράδειγμα, αν ο τροχιακός μηχανισμός είχε συνολική μάζα 1.000 τόνων, μια τέτοια μεταφορά ορμής αντιστοιχεί σε μεταβολή ταχύτητας τάξης 30 m/s για το σύστημα. Στην πραγματικότητα, η κατανομή μεταξύ περιστροφής, τροχιάς, ταλαντώσεων και κέντρου μάζας είναι πολύ πιο σύνθετη. Το ουσιαστικό συμπέρασμα όμως παραμένει. Κάθε φορά που το skyhook ανεβάζει ένα φορτίο, χάνει ενέργεια και η τροχιά του τείνει να χαμηλώσει. Αν συνεχίσει να παραλαμβάνει φορτία χωρίς να ανακτά την ενέργειά του, τελικά θα χάσει την επιχειρησιακή του τροχιά και μπορεί να επανεισέλθει στην ατμόσφαιρα.
Πώς επαναφορτίζεται ένας τροχιακός σφόνδυλος;
Η απλούστερη λύση είναι η χρήση συμβατικών ή ηλεκτρικών προωθητήρων. Το skyhook θα χρησιμοποιούσε ενέργεια και προωθητικό μέσο για να αποκαθιστά σταδιακά την τροχιά και την περιστροφή του.
Μια πιο ενδιαφέρουσα ιδέα είναι ο ηλεκτροδυναμικός επανεπιταχυντής. Αν ένα μέρος του καλωδίου είναι ηλεκτρικά αγώγιμο και διαρρέεται από ρεύμα, καθώς κινείται μέσα στο γήινο μαγνητικό πεδίο, δέχεται δύναμη Lorentz. Με κατάλληλη φορά ρεύματος, το σύστημα μπορεί να μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε τροχιακή μηχανική ενέργεια χωρίς να καταναλώνει συμβατικό προωθητικό μέσο.
Αυτό δεν είναι δωρεάν πρόωση. Χρειάζεται ηλεκτρική ισχύς, πιθανώς από μεγάλες ηλιακές συστοιχίες, και η αποτελεσματικότητα εξαρτάται από το γεωμαγνητικό πεδίο, το ιονοσφαιρικό πλάσμα, τον προσανατολισμό και την τροχιά. Η NASA μελέτησε το σύστημα Momentum Exchange Electrodynamic Reboost, ή MXER, ως επαναχρησιμοποιούμενο τροχιακό «ανώτερο στάδιο». Το σύστημα θα έδινε γρήγορα ορμή σε ένα φορτίο και στη συνέχεια θα ανακτούσε αργά την ενέργειά του μέσω ηλεκτροδυναμικής ώσης.
Μια άλλη δυνατότητα είναι η ισόρροπη μεταφορά φορτίων. Ένα φορτίο που κατεβαίνει από υψηλότερη τροχιά θα μπορούσε να επιστρέψει μέρος της ορμής που αφαιρέθηκε από ένα άλλο φορτίο που ανέβηκε. Σε ένα ώριμο τροχιακό δίκτυο, εισερχόμενες και εξερχόμενες μάζες θα μπορούσαν θεωρητικά να εξισορροπούν μέρος του ενεργειακού ισοζυγίου. Όμως αυτό απαιτεί μεγάλη και προβλέψιμη ροή μεταφορών. Το skyhook δεν έχει οικονομικό νόημα ως κατασκευή για μία αποστολή.
Το skyhook δεν είναι διαστημικός ανελκυστήρας
Οι δύο ιδέες συχνά συγχέονται, αλλά είναι θεμελιωδώς διαφορετικές. Ο διαστημικός ανελκυστήρας της Γης θα ήταν ένα καλώδιο στερεωμένο στην επιφάνεια και εκτεινόμενο πέρα από τη γεωστατική τροχιά, σε απόσταση άνω των 35.000 km. Θα έπρεπε να παραμένει συνεχώς τεντωμένο από την ισορροπία μεταξύ βαρύτητας και φυγόκεντρης δράσης.
Οι απαιτήσεις ειδικής αντοχής, δηλαδή αντοχής σε εφελκυσμό ανά μονάδα πυκνότητας, είναι τεράστιες. Το καλώδιο πρέπει να αντέχει όχι μόνο ένα φορτίο, αλλά κυρίως το ίδιο του το βάρος σε μήκος δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων.
Το skyhook είναι πολύ μικρότερο. Μπορεί να έχει μήκος δεκάδων, εκατοντάδων ή, σε ακραίες προτάσεις, μερικών χιλιάδων χιλιομέτρων. Δεν ακουμπά τη Γη και δεν χρειάζεται να παραμένει ακίνητο ως προς την επιφάνεια. Αλλά αυτή η μείωση του μήκους αγοράζεται με δυναμική πολυπλοκότητα. Ο διαστημικός ανελκυστήρας είναι μια σχεδόν στατική κατασκευή με σημαντικότατο πρόβλημα υλικών. Το skyhook είναι μια περιστρεφόμενη τροχιακή κατασκευή με επίσης μεγάλο πρόβλημα υλικών, ελέγχου, συγχρονισμού και ασφάλειας.
Το πραγματικό παράδειγμα HASTOL
Το skyhook δεν έχει μελετηθεί μόνο ως αφηρημένη ιδέα. Στο πλαίσιο του NASA Institute for Advanced Concepts, η Boeing και άλλοι συνεργάτες, μελέτησαν στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές του 2000 την αρχιτεκτονική HASTOL, δηλαδή τη Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch.
Η ιδέα συνδύαζε ένα υποτροχιακό όχημα πολύ υψηλής ταχύτητας με ένα περιστρεφόμενο τροχιακό καλώδιο. Σε μία από τις εξεταζόμενες διαμορφώσεις, το υποτροχιακό όχημα θα μετέφερε το φορτίο σε ύψος περίπου 150 km και ταχύτητα περίπου 17 Mach. Ένα skyhook μήκους περίπου 636 km, με κέντρο μάζας σε ελλειπτική τροχιά περίπου 604 επί 890 km, θα κατέβαζε το άκρο του ώστε να συναντήσει το φορτίο. Στη συνέχεια θα το ανύψωνε και θα το απελευθέρωνε σε τροχιά υψηλότερης ενέργειας.
Το παράδειγμα είναι χρήσιμο επειδή δείχνει τόσο τη δυνατότητα όσο και το πρόβλημα. Ο πύραυλος δεν εξαφανίζεται. Αντί για ένα πλήρες τροχιακό όχημα, χρειαζόμαστε ένα υποτροχιακό όχημα που φτάνει Mach 17 στα 150 km.
Το skyhook δεν αντικαθιστά την αεροδιαστημική μηχανολογία, απλώς τη μοιράζει σε δύο επαναχρησιμοποιούμενα συστήματα. Οι μελέτες HASTOL υποστήριξαν ότι δεν απαιτούνταν εξωτικά υλικά όπως για παράδειγμα τέλειοι νανοσωλήνες άνθρακα. Εξέτασαν υπάρχοντα πολυμερή υψηλής ειδικής αντοχής. Ταυτόχρονα όμως αναγνώρισαν σοβαρές ανάγκες τεχνολογικής ωρίμανσης, μεταξύ άλλων για ανθεκτικότητα στο ατομικό οξυγόνο, δυναμικό έλεγχο, σύλληψη φορτίου και μακροχρόνια επιβίωση. Με άλλα λόγια, το συμπέρασμα δεν ήταν ότι μπορεί να κατασκευαστεί άμεσα, αλλά ότι τουλάχιστον δεν φαίνεται να υπάρχει κάποιος φυσικός νόμος που να το απαγορεύει.
Το καλώδιο που πρέπει να αντέχει τον εαυτό του
Ένα περιστρεφόμενο καλώδιο βρίσκεται υπό τεράστια εφελκυστική καταπόνηση. Για ένα φορτίο μάζας m, σε ακτίνα περιστροφής L και περιφερειακή ταχύτητα v, η απαιτούμενη κεντρομόλος δύναμη είναι:
F = mv² / L
Για φορτίο 10 τόνων, περιστροφική ταχύτητα 3 km/s και ακτίνα 300 km: F = [10.000 × (3.000)²] / 300.000 και F ≈ 300.000 N
Δηλαδή περίπου 300 kN μόνο για το φορτίο. Αυτό δεν είναι κατ’ ανάγκη απαγορευτικό για ένα καλώδιο προηγμένων ινών. Όμως ο υπολογισμός αυτός δεν συμπεριλαμβάνει την ίδια τη μάζα του καλωδίου. Κάθε τμήμα του καλωδίου πρέπει να συγκρατεί όχι μόνο το φορτίο, αλλά και όλα τα εξωτερικότερα τμήματα. Όσο πλησιάζουμε στο κέντρο, η εφελκυστική δύναμη συσσωρεύεται. Γι’ αυτό το καλώδιο δεν μπορεί να έχει ομοιόμορφη διατομή. Πρέπει να είναι λεπτότερο κοντά στο άκρο και πολύ παχύτερο προς το σημείο όπου η τάση κορυφώνεται.
Η απαιτούμενη μάζα αυξάνεται γρήγορα με την περιστροφική ταχύτητα και εξαρτάται έντονα από τον λόγο αντοχής προς την πυκνότητα του υλικού. Λίγα επιπλέον km/s δεν είναι μια μικρή σχεδιαστική αναβάθμιση. Μπορούν να μετατρέψουν μια δύσκολη σε υλοποίηση κατασκευή σε σχεδόν ακατόρθωτη κατασκευή χιλιάδων τόνων.
Η σύλληψη δεν μπορεί να είναι σύγκρουση
Ακόμη και αν οι ταχύτητες του φορτίου και του γάντζου ταιριάζουν σχεδόν τέλεια, μια μικρή σχετική διαφορά δημιουργεί τεράστιες δυνάμεις. Αν ένα φορτίο 10 τόνων έχει σχετική ταχύτητα μόλις 10 m/s και αυτή μηδενιστεί μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, η μέση δύναμη είναι:
F = m · (Δv / Δt) και F =10.000 ×10=100.000 N
Δηλαδή 100 kN, χωρίς να υπολογίζονται κορυφώσεις, ταλαντώσεις ή ελαστική ανάκρουση. Στα 100 m/s, η ίδια απλοποιημένη δύναμη γίνεται 1 MN. Άρα ο μηχανισμός σύλληψης δεν μπορεί να είναι ένας μεταλλικός γάντζος που αρπάζει βίαια το φορτίο. Θα χρειαζόταν σύστημα καθοδήγησης, εύκαμπτη απόσβεση, μηχανισμό σταδιακής σύλληψης, πιθανώς μικρό όχημα ελιγμών στο άκρο και πολύ μεγάλη ανοχή σε σφάλματα. Θα έπρεπε επίσης να αντέχει επανειλημμένους κύκλους φόρτισης. Ένα skyhook που λειτουργεί εμπορικά δεν κάνει μία θεαματική σύλληψη φορτίου. Πρέπει να κάνει εκατοντάδες ή χιλιάδες χωρίς καταστροφική αστοχία.
Η ατμόσφαιρα δεν τελειώνει απότομα
Ένα χαμηλότερο άκρο που κατεβαίνει στα 100 ή 150 km δεν βρίσκεται σε πλήρες κενό. Η ατμόσφαιρα είναι εξαιρετικά αραιή, αλλά σε ταχύτητες αρκετών km/s ακόμη και η μικρή πυκνότητα προκαλεί αεροδυναμική αντίσταση και θέρμανση. Το άκρο και το εξωτερικό τμήμα του καλωδίου εκτίθενται επίσης σε ατομικό οξυγόνο, το οποίο μπορεί να διαβρώσει πολυμερή και επιστρώσεις.
Παράλληλα, η αντίσταση δεν είναι σταθερή. Μεταβάλλεται με την ηλιακή δραστηριότητα, τη θερμοκρασία της ανώτερης ατμόσφαιρας και τη γεωμετρία της τροχιάς. Αν το άκρο κατέβει περισσότερο, γίνεται ευκολότερο να το φτάσει το υποτροχιακό όχημα, αλλά αυξάνονται η θέρμανση και η αντίσταση. Αν παραμείνει ψηλότερα, προστατεύεται το καλώδιο, αλλά ο πύραυλος πρέπει να κάνει περισσότερη δουλειά. Οπότε το skyhook δεν εξαφανίζει τους συμβιβασμούς αλλά τους μεταφέρει στο ύψος συνάντησης.
Ένας στόχος εκατοντάδων χιλιομέτρων
Το τροχιακό περιβάλλον γύρω από τη Γη δεν είναι άδειο. Ένα καλώδιο μήκους εκατοντάδων χιλιομέτρων παρουσιάζει τεράστια εκτεθειμένη επιφάνεια σε μικρομετεωροειδή και διαστημικά θραύσματα. Σε χαμηλή γήινη τροχιά, οι σχετικές ταχύτητες πρόσκρουσης μπορούν να βρίσκονται κοντά στα 10 km/s. Ακόμη και πολύ μικρά θραύσματα μπορούν να αποτελέσουν ουσιαστική απειλή για διαστημικά συστήματα.
Ένα μόνο λεπτό νήμα θα ήταν υπερβολικά ευάλωτο. Γι’ αυτό έχουν προταθεί πολυνηματικά καλώδια με πλεονάζουσες διαδρομές φορτίου. Αν ένα μικρό θραύσμα κόψει ορισμένες ίνες, οι υπόλοιπες συνεχίζουν να μεταφέρουν τη δύναμη, ενώ η κατασκευή μπορεί να εντοπίσει και ίσως να απομονώσει τη ζημιά.
Υπάρχει κάποια πραγματική εμπειρία που δείχνει ότι τα τροχιακά καλώδια δεν είναι εκ φύσεως βραχύβια. Το πείραμα TiPS χρησιμοποίησε καλώδιο περίπου 4 km, το οποίο παρέμεινε ακέραιο για περισσότερο από δέκα χρόνια σε τροχιά περίπου 1.000 km.
Αυτό είναι ενθαρρυντικό, αλλά δεν πρέπει να ενθουσιαζόμαστε. Ένα ελαφρύ πειραματικό καλώδιο τεσσάρων χιλιομέτρων δεν είναι το ίδιο πράγμα με ένα περιστρεφόμενο skyhook εκατοντάδων χιλιομέτρων, το οποίο μεταφέρει φορτία και λειτουργεί κοντά στα όρια αντοχής του. Αν ένα τέτοιο σύστημα κοπεί, δεν χάνεται απλώς μια αποστολή. Δημιουργείται ένα τεράστιο, ανεξέλεγκτο τροχιακό αντικείμενο.
Το πρόβλημα της ασφάλειας είναι μεγαλύτερο από το καλώδιο
Ένα skyhook θα διέσχιζε μεγάλο εύρος υψομέτρων και θα έπρεπε να συντονίζεται με δορυφόρους, επανδρωμένα οχήματα και άλλα τροχιακά συστήματα. Μια αστοχία μπορεί να προέλθει από:
- θραύσμα που κόβει μέρος του καλωδίου,
- απώλεια ελέγχου περιστροφής,
- αποτυχημένη σύλληψη φορτίου ή διαστημοπλοίου,
- αστοχία του μηχανισμού απελευθέρωσης,
- λανθασμένη εκτίμηση τροχιάς,
- υπερβολικές ταλαντώσεις,
- αστοχία υλικού λόγω κόπωσης,
- απώλεια της δυνατότητας επανεπιτάχυνσης.
Για να έχουμε ασφάλεια αυτό θα απαιτούσε συνεχή παρακολούθηση, δυνατότητα αποφυγής συγκρούσεων, πολλαπλό πλεονασμό, ελεγχόμενα σημεία θραύσης και σχέδιο ασφαλούς απόρριψης του συστήματος. Και δεν αρκεί το skyhook να λειτουργήσει μία φορά. Πρέπει να αποδειχθεί ασφαλέστερο και οικονομικότερο από τον πύραυλο που προσπαθεί να συμπληρώσει.
Γιατί δεν το έχουμε ήδη κατασκευάσει;
Τα βασικά επιμέρους φαινόμενα είναι γνωστά: Κκαλώδια έχουν αναπτυχθεί σε τροχιά, ηλεκτροδυναμικά καλώδια έχουν παραγάγει ρεύμα και δύναμη, αυτόνομα διαστημικά οχήματα μπορούν να εκτελέσουν ακριβείς συναντήσεις, υλικά υψηλής ειδικής αντοχής υπάρχουν, η δυναμική περιστρεφόμενων καλωδίων μπορεί να προσομοιωθεί. Το ζήτημα είναι όμως στην ολοκλήρωση όλων των παραπάνω, καθώς χρειάζεται να συνδυαστούν σε μία κατασκευή:
- καλώδιο εκατοντάδων χιλιομέτρων,
- μάζα πιθανώς εκατοντάδων ή χιλιάδων τόνων,
- αξιόπιστη περιστροφική δυναμική,
- ακριβής σύλληψη υπερυψηλής ταχύτητας,
- επαναλαμβανόμενη λειτουργία,
- προστασία από το διαστημικό περιβάλλον,
- επανεπιτάχυνση χωρίς τεράστια κατανάλωση προωθητικού,
- και οικονομική ροή φορτίων που να δικαιολογεί την επένδυση.
Θα ήταν ευκολότερο στη Σελήνη ή σε άλλο πλανήτη;
Οι απαιτήσεις ενός skyhook μειώνονται σημαντικά γύρω από σώματα με χαμηλότερη βαρύτητα και μικρότερες τροχιακές ταχύτητες. Στη Σελήνη, για παράδειγμα, δεν υπάρχει πυκνή ατμόσφαιρα, η απαιτούμενη τροχιακή ταχύτητα είναι πολύ μικρότερη και τα φορτία στο καλώδιο είναι ηπιότερα. Παρόμοια πλεονεκτήματα υπάρχουν στον Άρη, αν και εκεί παραμένει μια λεπτή ατμόσφαιρα και προστίθεται η δυσκολία εγκατάστασης και συντήρησης μιας τόσο μεγάλης υποδομής μακριά από τη Γη.
Αυτό οδηγεί σε ένα ενδιαφέρον ενδεχόμενο. Το πρώτο πραγματικά χρήσιμο skyhook μπορεί να μην κατασκευαστεί για να μας ανεβάζει από τη Γη. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταφορές ανάμεσα σε τροχιές, για σεληνιακό φορτίο ή ως ανώτερο στάδιο σε ήδη υπάρχουσα διαστημική υποδομή.
Το MXER, για παράδειγμα, μελετήθηκε κυρίως ως επαναχρησιμοποιούμενο τροχιακό ανώτερο στάδιο που θα παραλάμβανε φορτία τα οποία είχαν ήδη φτάσει σε χαμηλή τροχιά και θα τα έστελνε προς υψηλότερες τροχιές ή πέρα από τη Γη.
Αυτό είναι λιγότερο εντυπωσιακό από έναν γάντζο που αγγίζει την ατμόσφαιρα. Μπορεί όμως να είναι πολύ πιο ρεαλιστικό. Μπορεί λοιπόν το skyhook να αντικαταστήσει τους πυραύλους; Όχι. Τουλάχιστον όχι γύρω από τη Γη και όχι με τη μορφή που συνήθως φανταζόμαστε.
Το φορτίο πρέπει ακόμη να ανέβει πάνω από το πυκνότερο μέρος της ατμόσφαιρας. Πρέπει να επιταχυνθεί σε αρκετά km/s. Πρέπει να φτάσει με εξαιρετική ακρίβεια στο σημείο συνάντησης. Και το skyhook πρέπει να έχει ήδη μεταφερθεί, συναρμολογηθεί και τεθεί σε λειτουργία σε τροχιά.
Συνεπώς ο πύραυλος παραμένει, αλλά μπορεί να γίνει μικρότερος, επαναχρησιμοποιούμενος ή να σταματά την αποστολή του σε υποτροχιακή ταχύτητα, αντί να αναλαμβάνει ολόκληρη την ενεργειακή διαδρομή μέχρι την τροχιά. Το skyhook δεν αντικαθιστά τον πύραυλο όπως το αυτοκίνητο αντικατέστησε το άλογο. Μοιάζει περισσότερο με έναν σιδηροδρομικό σταθμό που παραλαμβάνει το φορτίο από το φορτηγό και αναλαμβάνει το μεγάλο ταξίδι.
Το συμπέρασμα
Το skyhook είναι μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδέες διαστημικής μηχανoλογίας επειδή δεν ζητά να παραβιάσουμε κανέναν γνωστό νόμο της φυσικής. Χρησιμοποιεί κάτι απολύτως συμβατικό: την ορμή ενός μεγάλου περιστρεφόμενου σώματος. Η ιδέα είναι απλή. Ένα τροχιακό καλώδιο κατεβάζει το ένα άκρο του, συναντά ένα φορτίο που δεν έχει ακόμη αποκτήσει πλήρη τροχιακή ταχύτητα, το παραλαμβάνει και του μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του.
Αλλά πίσω από αυτή την απλότητα κρύβεται μια υποδομή τεράστιας μάζας, ακραίας ακρίβειας και πολύ υψηλού κινδύνου. Το skyhook δεν κάνει την πρόσβαση στο Διάστημα δωρεάν. Δεν εξαφανίζει την ενέργεια, την ορμή ή την εξίσωση του πυραύλου. Αλλάζει το πού βρίσκεται η ενέργεια, πώς αποθηκεύεται και πόσες φορές μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί. Σήμερα, κάθε πύραυλος μεταφέρει μαζί του σχεδόν όλο τον μηχανισμό που χρειάζεται για να φτάσει σε τροχιά και μεγάλο μέρος αυτού εγκαταλείπεται ή επιστρέφει στη Γη. Η βαριά ενεργειακή κατασκευή παραμένει ήδη στο Διάστημα και χρησιμοποιείται ξανά. Αν κάποτε κατασκευαστεί, δεν θα είναι απλώς ένα νέο μεταφορικό μέσο. Θα σηματοδοτήσει τη μετάβαση από τις μεμονωμένες διαστημικές αποστολές σε μόνιμη τροχιακή υποδομή.
