Liftiga kosmosesse
Ülo Vaher
06.06.2010

Tänavu täitub 50 aastat kosmoselifti idee sünnist. Sellise liftiga saaks kosmosesse toimetada seadmeid ja inimesi odavamalt ja ohutumalt kui rakettide abil. Idee jäi aastakümneteks siiski peamiselt ulmesfääri, kuid 21. sajand on toonud pöörde – üha rohkem teadlasi, insenere ja ettevõtjaid on asunud koostama tõsiseltvõetavaid projekte.

Revolutsioonilise idee kasutada kosmose vallutamiseks rakettide asemel 40–60 tuhande km kõrgusele küündivat lifti (kasutades siiski nimetust köis-elektrivedur) esitas Leningradi tehnoloogiainstituudi aspirant Juri Artsutanov ajalehe Komsomolskaja Pravda 1960. aasta 31. juuli pühapäevalisas ning enamik lugejaist pidaski seda lihtsalt huvitavaks vahelugemiseks, mis peagi unustati. Läänemaailmas pakkusid kosmoselifti idee (kuigi nimetuse all „Sky-Hook”) taas välja neli USA inseneri ajakirjas Science 1966. aastal. Kosmoselifti idee sai laiemale üldsusele tuntuks alles kuulsa ulmekirjaniku Arthur C. Clarke’i raamatu „The Fountains of Paradise” kaudu, millele järgnesid ka mitmete teiste autorite samateemalised teosed, milles esitati mitmeid rohkem või vähem sarnaseid ideid nimede all taevakook (à la kaevukook), -redel, -sild, -hernekepp jms.
Üks esimesi tõsiteaduslikke analüüse kosmoselifti võimalikkusest pärineb Jerome Pearsonilt ja on avaldatud ajakirjas Acta Astranautica juba 1975. a. Kuigi esmapilgul võib kosmoselifti idee näida puhtalt ulmelisena, mida on võimatu realiseerida, on see siiski kooskõlas lihtsamate loodusseadustega, millega keskkooli vanemate klasside õpilased tutvuvad juba füüsikatundides. Kosmoselifti ulmelisus on pigem sellist sorti nagu oli omal ajal inimese reis Kuule, st selle realiseerimiseks vajatakse hiiglaslikke, eeskätt riiklikke finantseeringuid, mis eeldavad ka vastavat poliitilist tahet.
Kui mingi objekt, mis asub 35 786 km kõrgusel ekvaatori kohal, (nn geosünkroonsel orbiidil – GSO), liigub läänesuunas horisontaalse kiirusega 3066 km/s, siis temale mõjuv tsentrifugaaljõud on võrdne talle mõjuva gravitatsioonijõuga, kuid vastupidise suunaga. Seetõttu need jõud tasakaalustavad teineteist ning objekt jääb tiirlema ümber Maa perioodiga 24 tundi, st ta jääb Maa kohale püsima samas kindlas kohas. Kui sellelt objektilt (näiteks satelliidilt) lasta alla Maa peale sobiv „tross” ja samal ajal tõsta satelliidi orbiiti nii, et kogu süsteemi massikese jääks ikka samale kõrgusele e geostatsionaarsele orbiidile, siis jääks ka see „tross” paigale püsima. Mööda seda „trossi” võiks panna liikuma ka mingi veoki vajaliku lasti või reisijatega, et neid kosmosesse toimetada. Muidugi peab seejuures hoolitsema, et veoki tõusul langetataks trossi ülemises otsas oleva satelliidi (seda nimetatakse üldiselt ka vastukaaluks) kõrgust, et süsteemi massikese jääks endisele kõrgusele. Veoki laskumise ajal peaks vastukaalu e satelliiti kõrgemale tõstma. Neid vastukaalu liikumisi võib muidugi automatiseerida.

Miks kosmoselifti idee on nii paeluv?
Põhjuseid on mitu, kuid tähtsaim neist on hind, mida tuleb maksta iga kilogrammi eest, mida tahetakse viia orbiidile. Praeguse rakettidel, kosmosesüstikutel ja kosmoselaevadel põhineva tehniliste lahenduste korral hinnatakse lasti kosmosesse toimetamise kogukulusid vahemikku 200 000–400 000 kr/kg. Rakettide puhul kulutatakse suurem osa energiat mitte raskusjõu ületamiseks nagu lifti korral, vaid peamiselt suurtel kiirustel atmosfääri läbimisel tekkiva ülemäärase õhuhõõrdumise ületamiseks. Liftisõiduk võib esimesed mõnikümmend kilomeetrit atmosfäärist läbida tagasihoidliku kiirusega ning alles seejärel arendada järjest kasvavat kiirust, sest kõrguse kasvades väheneb energiakulu ka üha kahaneva raskusjõu tõttu. Geostatsionaarse orbiidi kõrgusel saavutaks last isegi täieliku kaalutuse. Sealt edasi vajavad näiteks ülestoimetatavad satelliidid oma orbiidile jõudmiseks vaid suhteliselt väikest lisatõuget. Odavusele lisanduvad töökindlus ning ohutus – rakettide puhul tuleb kosmonautidel istuda praktiliselt iga hetk plahvatada võiva mürsu kukil (teame ju hästi õnnetusi nii kosmoselaevade kui ka – süstikutega).
Vähetähtsad ei ole ka suurte ülekoormuste ja vibratsiooni puudumisest tulenev mugavus nii inimestele kui ka õrnadele seadmetele nii tõusul kui ka maandumisel. Ja last but not least – suurem keskkonnasõbralikkus eeskätt põletamata jäänud raketikütuse näol.
Veel võib kosmoselift olla suureks abiks ka inimkonna energiaprobleemide lahendamisel, sest tema abil võib pilvedest kõrgemale paigaldada suurel arvul hiiglasliku kogupindalaga õhukesekilelisi päikesepaneele.
Kosmoselifti kasutuselevõtt võib kosmose hõlvamisel kaasa tuua samasuguse revolutsioonilise pöörde nagu oli transpordis mootorite kasutuselvõtt veoloomade asemel. Ehitades lifte ka teistele taevakehadele, võiks rajada uut tüüpi tõhusa kosmilise transpordisüsteemi. Euroopa kosmoseuuringute assotsiatsiooni EuroSpaceward konverentsil 2009. aasta detsembris Luxembourgis võeti kosmoselifti endaga seotud probleemide kõrval tõsise arutluse alla juba ka Kuu industrialiseerimise temaatika. Eesmärgiks oleks rajada sinna Kuu pinnasematerjalist hapniku tootmine kohapealseks tarbimiseks astronautidele ja He-3 tootmine ning selle toimetamine Maale, et siin rajada tõhusad uut tüüpi termotuumasünteesi kasutavad radiatsiooniohutud elektrijaamad.

Kosmoselifti kirstunael
Kui kosmoselift pakub arvukalt ülisoodsaid lahendusi paljudele probleemidele, siis tekib muidugi küsimus, miks seda siiani ehitatud pole. Vastus on lihtne – meil pole veel materjali, millest valmistada tema jaoks kuni 100 000 km (!) kõrgusele kosmosesse ulatuvat köidikut (trossi, vanti, kaablit, paela, linti – sobivaim nimi veel puudub). Kõikidest senituntud materjalidest ehitatud tross katkeks tema hiigelpikkusest tingitud kolossaalse raskuse tõttu. Kaabel peab olema valmistatud suure tõmbetugevusega ja samal ajal väikese erikaaluga materjalist. Rippuva trossi katkemist ei saa vältida selle läbimõõdu suurendamisega, sest samavõrd suureneks ka raskus ning koormus pinnaühiku kohta jääks samaks. Igal materjalil on kindel pikkus, mille juures temast valmistatud rippuv tross katkeks olenemata läbimõõdust (selle pikkuse määravad materjali tõmbetugevus ja erikaal). Näiteks terase puhul peaks 1 cm2 läbimõõduga tross taluma tõmbejõudu umbes 1000 tonni(!). Terasest traadi katkemispikkus on 26 km, tugeval ja kergel Kevlaril 256 km (katkemispikkus ei sõltu traadi/trossi läbimõõdust). Kuid, nagu öeldakse, kus häda kõige suurem, seal abi kõige lähem. Selleks abiks on lootused, mis on seotud viimastel aastakümnetel hoogsalt arenema hakanud nanotehnoloogiaga. Selles valdkonnas on leiutatud süsinikust nanotorud, mis on laboratoorsetes katsetes näidanud ülisuurt tugevust ja kergust. Nanotorud tekivad süsiniku aatomitest teatud tingimustel vaakumis sadestamisel, mille käigus aatomid rivistuvad korrapärastesse võrkstruktuuridesse nagu sõdurid paraadil, kuid see võrk painutatakse omakorda (nano)toruks, mis on tuhandeid kordi peenem kui juuksekarv. Kuna süsinikuaatomid on nendes omavahel seotud valentssidemetega, siis tähendab see, et neid nanotorusid võib teatud mõttes võrrelda ka supermolekulidena. Molekulisisesed jõud on aga palju kordi tugevamad kui molekulidevahelised, millest sõltub tavamaterjalide tugevus. Laborikatsetes on nanosüsiniktorude katkemispikkuseks mõõdetud juba 10 000 km ja selles valdkonnas toimub kiire areng.

Arendusprojektid koguvad toetust
Suurriikides valitseb arusaam, et see, kes valitseb taevas(kosmoses), see valitseb ka maapeal, ning seepärast hoitakse valvsalt silma peal kõigel, mis maailmas selles valdkonnas sünnib või sündida võiks. Nii jõuti selleni, et ka NASA rahastas aastatel 2001–2003 oma perspektiivuuringute instituudi NIAC grandi kaudu Bradley Edwardsi juhitud kosmoseliftile pühendatud uurimisprojekti, milles osalesid 50 teadlast 20 asutusest. Selle tulemustega võib lisaks lõppraportile tutvuda ka raamatutes „The Space Elevator:A Revolutionary Earth-to-Space Transportation System” ja „Leaving the Planet by Space elevator”, mida asjasthuvitatud võivad hankida endale interneti vahendusel.
Analüüsinud kosmoselifti ehitamisega seotud võtmeprobleeme, jõuti uuringutes seisukohale, et praegune tehnoloogiline tase võimaldab selle ehitamist, välja arvatud köidiku materjal, kuid arvestades arenguid süsiniktorude valdkonnas, on reaalne ka vajaliku ehitusmaterjali valmimine juba lähiaastatel. Uuringute üldjäreldus kõlas: 10 miljardi dollari suuruse investeeringu korral võiks kosmoselift valmida juba 15 aasta pärast. Edwardsi kontseptsiooni kohaselt paigaldatakse praeguse tehnika abil kosmosesse 100 000 km pikkune ja 8 tolli laiune paberõhuke (alg)lint ning selle alumine ots kinnitatakse Vaikses ookeanis ekvaatoril asuva baas(ankur)jaama külge. Edasi hakkavad mööda linti ronima robotid, mis kinnitavad selle külge üha uusi niite, kuni see saab piisavalt tugevaks, et seda mööda võiksid hakata liikuma juba veokid, mis suudaksid geosünkroonsele orbiidile viia kuni 13tonniseid laste, aga sealt edasi kas või Kuule, Veenusele või Marsile.

Stardikell juba tiksub
Edwardsi uuringud ning tema aktiivne töö nende tulemuste propageerimisel ka meedias sütitasid kosmoselifti ideega paljude südameid ja päid ka Euroopas, Austraalias ja Jaapanis, kes on koondunud mitmesugustesse ühendustesse ja firmadesse. Üheks näiteks on ka 2003. a asutatud LiftPort Group, kuhu on koondunud paarkümmend kosmoselifti rajamisele pühendunud firmat, kes tegelevad selleks vajalike „poltide ja mutritega”, alates nanotorudest, robotitest, fotoelektrilistest seadmetest, traadita energiaülekandest ja ujuvbaasjaamadest kuni tarkvaraarenduse, projektijuhtimise ja avalike suheteni välja. Nad on koostanud kosmoselifti väljatöötamise põhjaliku arengukava, millesse on haaratud 8 peamist alaprojekti ja pannud selle välja oma kodulehele www.liftport.com, mille kohta võib igaüks teha kriitilisi märkusi ja asjalikke ettepanekuid. Praeguste arvestuste kohaselt peaks tööstuslik kosmoselift startima 27. oktoobril 2031. Selle ajaloolise sündmuseni jäänud aega (sekundi täpsusega!) näitab ka kell nende kodulehel.

Kosmoselifti (olümpia)mängud Elevator 2010
Kosmoselifti ehitamisega seotud võtmetähtsusega probleemide hulka kuuluvad köidiku kõrval ka seda mööda liikuva veoki/sõiduki konstruktsioon ja selle varustamine liikumiseks vajaliku energiaga. Et koguda tehnikahuviliste ringkondadelt erinevaid lahendusi ja neid praktilistes katsetes võrrelda, selleks korraldab assotsiatsioon Spaceward alates 2005. aastast NASA nn sajandi väljakutsete (Centennial Challenges) programmi toetusel kosmoselifti alaseid kõigile avatud võistlusi nimega Elevator 2010 koos kopsakate auhindadega. Võistlused toimuvad kahel põhialal: 1) kosmoselifti trossi materjali tugevuse ja kerguse alal (auhinna 2 miljonit dollarit võitmiseks peab esitatud tross olema vähemalt 50% parem, kui eelmine) ja 2) kosmoselifti ronija-roboti alal. Sellel alal peaauhinna võitmiseks peab robot ronima mööda helikopterilt allarippuvat trossi 1000 m kõrgusele kiirusega vähemalt 5 m/s, kusjuures energiaga tohib neid varustada vaid maapinnalt laserkiire abil, teise kategooria võitmiseks peab liikuri kiirus olema vähemalt 2 m/s. Selle 0,9 miljoni dollari suuruse auhinna võitis möödunud aastal Kansas City võistkond Space Pirates. Käesoleval aastal toimuvad võistlused 20. mail ja saadaval on auhind 1 100 000 dollarit robotite eest ja 2 miljonit trossi eest. Miks ei võiks selles kaasa lüüa ka meie robotivõistlejad ja materjaliteadlased?

Sarnased artiklid