Winda w kosmos, elektrownia słoneczna na orbicie i samolot dla każdego. Winda na okołoziemską orbitę, samoloty z "inteligentnymi" skrzydłami, elektrownia słoneczna krążąca 36 tys. kilometrów nad Ziemią i rakiety napędzane atmosferą planet - to nie są pomysły autorów książek science fiction. Projekty takich urządzeń powstają w laboratoriach renomowanych instytutów.
Windą w kosmos
W 1895 r. pewien rosyjski naukowiec zaproponował budowę stacji orbitalnej. Nazywał ją Niebiańskim Pałacem, a jedynym jej połączeniem z Ziemią miało być niezwykle długie rusztowanie. 60 lat później inny uczony, tym razem radziecki, napisał artykuł na temat możliwości budowy kosmicznej windy, która kursowałaby pomiędzy powierzchnią naszej planety a orbitą okołoziemską po linie wykonanej z niezwykle twardego materiału. Najlepszym do tego tworzywem miał być diament.
Szalone projekty budowy kosmicznej windy powstawały nie tylko na Wschodzie. W 1970 r. na podobny pomysł wpadł amerykański fizyk Jerome Pearson. "Pięć lat zabrało mi dokonanie obliczeń oraz sprawdzenie, czy skonstruowanie takiego urządzenia jest możliwe" - wspomina Pearson. Wówczas zainteresowanie jego planem wykazali wyłącznie autorzy powieści science fiction; jednym z nich był pisarz i naukowiec Arthur C. Clarke, autor m.in. "Odysei kosmicznej". Po przeczytaniu artykułu Pearsona, opublikowanego w 1975 r. w czasopiśmie poświęconym fizyce, Clarke napisał jedną ze swoich najbardziej znanych książek, "Fountains of Paradise", w której przedstawił koncepcję stworzenia kosmicznej windy.
Rusztowanie z nanorurek
Niedawno orbitalną windą poważnie zainteresowała się grupa naukowców pod kierunkiem Davida Smithermana z biura Advenced Projects Marshall Space Flight Center w Alabamie. Jest ono częścią szacownej i jak najbardziej poważnej firmy, a mianowicie NASA. Zatrudnieni w niej badacze przedstawili raport, z którego wynika, że stworzenie takiej windy jest już niemal w zasięgu naszych możliwości technicznych. Zdaniem amerykańskich naukowców, mogłaby ona powstać w najbliższych 50 latach.
Jak wyglądałoby takie urządzenie? Rusztowanie, po którym będzie się poruszać kabina, powinno mieć aż 36 tys. kilometrów! Dopiero wtedy stacja końcowa windy znajdzie się na tak zwanej orbicie geostacjonarnej. Oznacza to, że obiekt na tej wysokości będzie się poruszać z prędkością równą tej, z jaką obraca się nasza planeta wokół własnej osi. Dzięki temu na przykład znajdujące się na orbicie geostacjonarnej satelity wiszą nad danym obszarem Ziemi i można łatwo wycelować w nie domowe anteny satelitarne.
Na końcu tak wysokiego rusztowania trzeba umieścić bardzo masywny obiekt, aby było stabilne i nie zostało ściągnięte przez grawitację planety. Naukowcy proponują, aby wykorzystać do tego na przykład asteroidę. To nie jest największy problem techniczny kosmicznej windy - trzeba jeszcze znaleźć materiał, z którego będzie można wykonać konstrukcję o długości 36 tys. km! Cudownym materiałem mogą się okazać tzw. nanorurki, czyli zbudowane z atomów węgla cylindry sto razy wytrzymalsze od stali i kilkadziesiąt razy od niej lżejsze. Opracowanie technologii ich produkcji zajmie jednak jeszcze co najmniej kilka lat. Poza tym konstrukcja musiałaby zostać osadzona w 36-kilometrowej wieży! Na razie najwyższe drapacze chmur mają zaledwie ponad pół kilometra. Ponadto trzeba będzie zbudować kabiny, które będą się prawdopodobnie poruszały dzięki elektromagnesom i bardziej będą przypominały wahadłowce niż zwykłe windy.
Po co w ogóle budować kosmiczną windę? Eksperci z NASA twierdzą, że dzięki niej można będzie bezpieczniej i taniej transportować na orbitę ładunki oraz ludzi. Według szacunkowych obliczeń, wyniesienie na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów jednego kilograma kosztowałoby 10 dolarów. To kilka tysięcy razy mniej niż płacimy za to obecnie. Być może otworzyłoby to też drogę do uprawiania turystyki kosmicznej. Pierwszy kosmiczny turysta, amerykański przedsiębiorca Denis Tito, zapłacił przed rokiem 20 mln dolarów za lot na orbitę, który może w ogóle nie dojść do skutku.
Elektrownia na orbicie
Równie ambitne plany jak NASA mają Japończycy. Wprawdzie nie chcą oni budować windy, ale ich konstrukcja również ma się znaleźć na okołoziemskiej orbicie. Ma to być elektrownia słoneczna, która będzie przekazywać energię na Ziemię. "Prace nad tym projektem rozpoczęliśmy w kwietniu, a elektrownia powinna zacząć działać w 2040 r." - mówi Osamu Takenouchi z japońskiego ministerstwa gospodarki (METI).
Orbitalna siłownia ma mieć tę przewagę nad ziemskimi, że docierające do niej światło nie będzie ograniczone przez chmury, a energia będzie generowana przez całą dobę. METI planuje umieścić elektrownię na geostacjonarnej orbicie, czyli również ok. 36 tys. kilometrów nad Ziemią. Będzie to satelita z dwoma gigantycznymi skrzydłami służącymi jako panele słoneczne, każde o powierzchni 3 km2! Dzięki temu siłownia będzie produkować milion kilowatów na sekundę, czyli tyle, ile dostarcza średnia elektrownia atomowa. Energia ma być przesyłana na Ziemię w postaci fal elektromagnetycznych (o częstotliwości zbliżonej do stosowanej w telefonii komórkowej) za pomocą ogromnej (1000 m2) anteny. Odbierać ją będzie równie duże urządzenie, umieszczone na pustyni lub morzu.
Czy budowa orbitalnej elektrowni ma sens? Według METI, jej koszt w porównaniu z siłowniami nuklearnymi nie jest aż tak wielki - ma wynieść około 17 mld dolarów. "Wprawdzie jeden kilowat kosztowałby prawie dwa razy więcej niż w wypadku konwencjonalnych elektrowni, ale po pierwsze, powinno nam się udać obniżyć tę cenę, a po drugie, byłaby to energia czysta, nie produkowana kosztem środowiska naturalnego" - uważa Osamu Takenouchi.
Samolot dla każdego
W laboratoriach nie powstają wyłącznie fantastyczne plany gigantycznych wind czy elektrowni. Badacze pracują również nad tak prozaicznymi urządzeniami jak samoloty. Ale, jak twierdzą inżynierowie z należącego do NASA Langley Research Center, będą to samoloty dla każdego, które za kilkadziesiąt lat staną się równie powszechne jak samochody. Pojazdy te zostaną bowiem wykonane z "inteligentnych" materiałów, które dzięki czujnikom będą reagowały na zmiany siły wiatru (podobnie jak ptaki, dopasowujące ustawienie skrzydeł do warunków). Między innymi dlatego pilotaż będzie bardzo łatwy. "Samolot taki musi być niewielki i zdolny do latania zarówno bardzo wolno, jak i szybko" - mówi Anna McGowan, kierująca projektami nowych technologii w Langley Research Center. Problem polega na tym, że poruszanie się z różną prędkością wymaga zastosowania innych skrzydeł. "Naszym zadaniem jest znalezienie takich materiałów, które będą zmieniać kształt skrzydeł podczas lotu. Odnotowaliśmy już zresztą pierwsze sukcesy" - uważa Anna McGowan. Chodzi między innymi o materiały pizoelektryczne, wyginające się pod wpływem napięcia elektrycznego, a także wytwarzające impulsy elektryczne podczas zmiany kształtu. Naukowcy z NASA pracują również nad tworzywem, które pod względem lekkości i wytrzymałości przypominałoby kości ptaków - będzie to najprawdopodobniej węglowy kompozyt wypełniony polimerowymi kulkami. "Dzięki takim wynalazkom już za dwadzieścia, trzydzieści lat technika lotnicza radykalnie się zmieni" - twierdzi McGowan.
NASA zajmuje się także bardziej zaawansowanymi pojazdami - sondami kosmicznymi, napędzanymi gazami zawartymi w atmosferze Jowisza czy Saturna, których zadaniem byłoby badanie planet Układu Słonecznego. Pobierane przez sondę gazy byłyby ogrzewane w niewielkim reaktorze nuklearnym, a następnie wyrzucane przez dysze napędzające pojazd. Taki pojazd mógłby pracować w atmosferze Jowisza nawet kilka lat.
W 1895 r. pewien rosyjski naukowiec zaproponował budowę stacji orbitalnej. Nazywał ją Niebiańskim Pałacem, a jedynym jej połączeniem z Ziemią miało być niezwykle długie rusztowanie. 60 lat później inny uczony, tym razem radziecki, napisał artykuł na temat możliwości budowy kosmicznej windy, która kursowałaby pomiędzy powierzchnią naszej planety a orbitą okołoziemską po linie wykonanej z niezwykle twardego materiału. Najlepszym do tego tworzywem miał być diament.
Szalone projekty budowy kosmicznej windy powstawały nie tylko na Wschodzie. W 1970 r. na podobny pomysł wpadł amerykański fizyk Jerome Pearson. "Pięć lat zabrało mi dokonanie obliczeń oraz sprawdzenie, czy skonstruowanie takiego urządzenia jest możliwe" - wspomina Pearson. Wówczas zainteresowanie jego planem wykazali wyłącznie autorzy powieści science fiction; jednym z nich był pisarz i naukowiec Arthur C. Clarke, autor m.in. "Odysei kosmicznej". Po przeczytaniu artykułu Pearsona, opublikowanego w 1975 r. w czasopiśmie poświęconym fizyce, Clarke napisał jedną ze swoich najbardziej znanych książek, "Fountains of Paradise", w której przedstawił koncepcję stworzenia kosmicznej windy.
Rusztowanie z nanorurek
Niedawno orbitalną windą poważnie zainteresowała się grupa naukowców pod kierunkiem Davida Smithermana z biura Advenced Projects Marshall Space Flight Center w Alabamie. Jest ono częścią szacownej i jak najbardziej poważnej firmy, a mianowicie NASA. Zatrudnieni w niej badacze przedstawili raport, z którego wynika, że stworzenie takiej windy jest już niemal w zasięgu naszych możliwości technicznych. Zdaniem amerykańskich naukowców, mogłaby ona powstać w najbliższych 50 latach.
Jak wyglądałoby takie urządzenie? Rusztowanie, po którym będzie się poruszać kabina, powinno mieć aż 36 tys. kilometrów! Dopiero wtedy stacja końcowa windy znajdzie się na tak zwanej orbicie geostacjonarnej. Oznacza to, że obiekt na tej wysokości będzie się poruszać z prędkością równą tej, z jaką obraca się nasza planeta wokół własnej osi. Dzięki temu na przykład znajdujące się na orbicie geostacjonarnej satelity wiszą nad danym obszarem Ziemi i można łatwo wycelować w nie domowe anteny satelitarne.
Na końcu tak wysokiego rusztowania trzeba umieścić bardzo masywny obiekt, aby było stabilne i nie zostało ściągnięte przez grawitację planety. Naukowcy proponują, aby wykorzystać do tego na przykład asteroidę. To nie jest największy problem techniczny kosmicznej windy - trzeba jeszcze znaleźć materiał, z którego będzie można wykonać konstrukcję o długości 36 tys. km! Cudownym materiałem mogą się okazać tzw. nanorurki, czyli zbudowane z atomów węgla cylindry sto razy wytrzymalsze od stali i kilkadziesiąt razy od niej lżejsze. Opracowanie technologii ich produkcji zajmie jednak jeszcze co najmniej kilka lat. Poza tym konstrukcja musiałaby zostać osadzona w 36-kilometrowej wieży! Na razie najwyższe drapacze chmur mają zaledwie ponad pół kilometra. Ponadto trzeba będzie zbudować kabiny, które będą się prawdopodobnie poruszały dzięki elektromagnesom i bardziej będą przypominały wahadłowce niż zwykłe windy.
Po co w ogóle budować kosmiczną windę? Eksperci z NASA twierdzą, że dzięki niej można będzie bezpieczniej i taniej transportować na orbitę ładunki oraz ludzi. Według szacunkowych obliczeń, wyniesienie na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów jednego kilograma kosztowałoby 10 dolarów. To kilka tysięcy razy mniej niż płacimy za to obecnie. Być może otworzyłoby to też drogę do uprawiania turystyki kosmicznej. Pierwszy kosmiczny turysta, amerykański przedsiębiorca Denis Tito, zapłacił przed rokiem 20 mln dolarów za lot na orbitę, który może w ogóle nie dojść do skutku.
Elektrownia na orbicie
Równie ambitne plany jak NASA mają Japończycy. Wprawdzie nie chcą oni budować windy, ale ich konstrukcja również ma się znaleźć na okołoziemskiej orbicie. Ma to być elektrownia słoneczna, która będzie przekazywać energię na Ziemię. "Prace nad tym projektem rozpoczęliśmy w kwietniu, a elektrownia powinna zacząć działać w 2040 r." - mówi Osamu Takenouchi z japońskiego ministerstwa gospodarki (METI).
Orbitalna siłownia ma mieć tę przewagę nad ziemskimi, że docierające do niej światło nie będzie ograniczone przez chmury, a energia będzie generowana przez całą dobę. METI planuje umieścić elektrownię na geostacjonarnej orbicie, czyli również ok. 36 tys. kilometrów nad Ziemią. Będzie to satelita z dwoma gigantycznymi skrzydłami służącymi jako panele słoneczne, każde o powierzchni 3 km2! Dzięki temu siłownia będzie produkować milion kilowatów na sekundę, czyli tyle, ile dostarcza średnia elektrownia atomowa. Energia ma być przesyłana na Ziemię w postaci fal elektromagnetycznych (o częstotliwości zbliżonej do stosowanej w telefonii komórkowej) za pomocą ogromnej (1000 m2) anteny. Odbierać ją będzie równie duże urządzenie, umieszczone na pustyni lub morzu.
Czy budowa orbitalnej elektrowni ma sens? Według METI, jej koszt w porównaniu z siłowniami nuklearnymi nie jest aż tak wielki - ma wynieść około 17 mld dolarów. "Wprawdzie jeden kilowat kosztowałby prawie dwa razy więcej niż w wypadku konwencjonalnych elektrowni, ale po pierwsze, powinno nam się udać obniżyć tę cenę, a po drugie, byłaby to energia czysta, nie produkowana kosztem środowiska naturalnego" - uważa Osamu Takenouchi.
Samolot dla każdego
W laboratoriach nie powstają wyłącznie fantastyczne plany gigantycznych wind czy elektrowni. Badacze pracują również nad tak prozaicznymi urządzeniami jak samoloty. Ale, jak twierdzą inżynierowie z należącego do NASA Langley Research Center, będą to samoloty dla każdego, które za kilkadziesiąt lat staną się równie powszechne jak samochody. Pojazdy te zostaną bowiem wykonane z "inteligentnych" materiałów, które dzięki czujnikom będą reagowały na zmiany siły wiatru (podobnie jak ptaki, dopasowujące ustawienie skrzydeł do warunków). Między innymi dlatego pilotaż będzie bardzo łatwy. "Samolot taki musi być niewielki i zdolny do latania zarówno bardzo wolno, jak i szybko" - mówi Anna McGowan, kierująca projektami nowych technologii w Langley Research Center. Problem polega na tym, że poruszanie się z różną prędkością wymaga zastosowania innych skrzydeł. "Naszym zadaniem jest znalezienie takich materiałów, które będą zmieniać kształt skrzydeł podczas lotu. Odnotowaliśmy już zresztą pierwsze sukcesy" - uważa Anna McGowan. Chodzi między innymi o materiały pizoelektryczne, wyginające się pod wpływem napięcia elektrycznego, a także wytwarzające impulsy elektryczne podczas zmiany kształtu. Naukowcy z NASA pracują również nad tworzywem, które pod względem lekkości i wytrzymałości przypominałoby kości ptaków - będzie to najprawdopodobniej węglowy kompozyt wypełniony polimerowymi kulkami. "Dzięki takim wynalazkom już za dwadzieścia, trzydzieści lat technika lotnicza radykalnie się zmieni" - twierdzi McGowan.
NASA zajmuje się także bardziej zaawansowanymi pojazdami - sondami kosmicznymi, napędzanymi gazami zawartymi w atmosferze Jowisza czy Saturna, których zadaniem byłoby badanie planet Układu Słonecznego. Pobierane przez sondę gazy byłyby ogrzewane w niewielkim reaktorze nuklearnym, a następnie wyrzucane przez dysze napędzające pojazd. Taki pojazd mógłby pracować w atmosferze Jowisza nawet kilka lat.
Więcej możesz przeczytać w 16/2001 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.