Budoucnost přepravy a cestování na Měsíc. Vědci chtějí výtah! Materiály jsou, jen dlouhé lano je problém. Čína oprášila výzkum ruského vědce ze 60. let

Když se v 60. letech 20. století začínalo s výzkumem vesmíru, stálo vynesení kilogramového nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země v přepočtu cca 1,7 milionů Kč. Hlavním důvodem těchto vysokých nákladů byla nutnost postavit pro každý start novou a drahou raketu. To se začalo měnit, když společnost SpaceX začala vyrábět levné, opakovaně použitelné rakety. Dnes společnost dopravuje náklad zákazníků na nízkou oběžnou dráhu Země za cenu pouhých 1 300 dolarů za kilogram, v přepočtu cca 28 000 Kč. Díky tomu se vesmír stává dostupným i pro vědce, začínající firmy a turisty, kteří si to dříve nemohli dovolit.

Nejlevnějším způsobem, jak se dostat na oběžnou dráhu, však vůbec nemusí být raketa – může to být výtah. S myšlenkou vesmírného výtahu poprvé přišel ruský vědec Konstantin Ciolkovskij v roce 1895, který po návštěvě 305 m vysoké Eiffelovy věže publikoval článek teoretizující o konstrukci vysoké 35 400 km. Ta by umožnila přístup na geostacionární oběžnou dráhu, což je výška, ve které objekty zdánlivě zůstávají pevně nad povrchem Země. Ciolkovskij však připustil, že žádný materiál by hmotnost takové věže neunesl.

V roce 1959 ruský inženýr Jurij N. Arcutanov navrhl způsob, jak tento problém obejít: nestavět vesmírný výtah od země, ale začít shora. Konkrétně navrhl umístit družici na geostacionární dráhu a spustit z ní lano k zemskému rovníku. Jak by se lano spouštělo, družice by stoupala. Po připevnění k zemskému povrchu by lano udržovala napnuté kombinace gravitačních a odstředivých sil. Poté bychom mohli nahoru a dolů po laně posílat elektricky poháněná „šplhací“ vozidla, která by náklad dopravila na libovolnou oběžnou dráhu Země.

Zhruba před 20 lety zkoumal tento koncept pro NASA fyzik Bradley Edwards. Podle něj by vybudování vesmírného výtahu stálo 10 miliard dolarů (v přepočtu cca 216 miliard Kč) a trvalo by 15 let, ale po zprovoznění by náklady na vyslání užitečného nákladu na jakoukoli oběžnou dráhu Země mohly činit pouhých 1 300 dolarů za kilogram v přepočtu cca 28 000 Kč. Kromě ekonomických výhod by byl vesmírný výtah také ekologičtější než používání raket. Nedocházelo by ke spalování paliva, nevznikaly by škodlivé emise skleníkových plynů a nový dopravní systém by nepřispíval k problému kosmického odpadu ve stejné míře jako nosné rakety.

Proč tedy takový výtah ještě nemáme? Edwards ve své zprávě pro NASA napsal, že veškerá technologie potřebná k vybudování vesmírného výtahu již existuje – až na materiál potřebný k výrobě lana, které musí být lehké, ale dostatečně pevné, aby odolalo všem obrovským silám, které na něj působí. Dobrou zprávou bylo, že dokonalý materiál v podobě ultrapevných a ultratenkých uhlíkových „nanotrubiček“ měl být k dispozici již za dva roky.

Bohužel Edwards špatně odhadl, jak obtížné bude uhlíkové nanotrubičky syntetizovat – dosud se nikomu nepodařilo vyrobit trubičku delší než 53 cm. Další výzkum tohoto materiálu odhalil, že má tendenci se při extrémním namáhání trhat, což znamená, že i kdyby se podařilo vyrobit uhlíkové nanotrubičky potřebné délky, hrozilo by, že se přetrhnou, což by nejen zničilo vesmírný výtah, ale také ohrozilo život na Zemi. Existují však i jiné možnosti, včetně grafenu, což je v podstatě dvourozměrná forma uhlíku, kterou lze snáze škálovat než nanotrubičky.

V rozporu s Edwardsovou zprávou vědci z univerzity Johnse Hopkinse Sean Sun a Dan Popescu tvrdí, že by mohla fungovat i kevlarová vlákna, jen bychom museli lano neustále opravovat, podobně jako lidské tělo neustále opravuje své šlachy. „Pomocí senzorů a softwaru umělé inteligence by bylo možné matematicky modelovat celé lano a předvídat, kdy, kde a jak se vlákna přetrhnou,“ napsali vědci v roce 2018 v časopise Aeon.

Poté by jej mohli opravit rychlí robotičtí horolezci, kteří by po laně hlídkovali nahoru a dolů. Rychlost údržby a oprav by napodobovala citlivost biologických procesů. Astronomové z Cambridgeské univerzity a Kolumbijské univerzity se také domnívají, že kevlar by mohl být vhodný pro vesmírný výtah – pokud bychom ho postavili z Měsíce, a ne ze Země. Svůj koncept nazvali Spaceline a jeho podstatou je, že lano připevněné k povrchu Měsíce by se mohlo natahovat směrem ke geostacionární dráze Země a bylo by napínáno gravitací planety.

Pomocí raket bychom pak mohli dopravovat náklad a případně i lidi k solárně poháněným šplhacím robotům umístěným na konci tohoto lana dlouhého přes 320 000 km. Roboti by se pak mohli po laně vydat na povrch Měsíce. To by sice neodstranilo potřebu raket k dosažení oběžné dráhy Země, ale byl by to levnější způsob, jak se dostat na Měsíc. Podle článku vědců zveřejněného na webu arXiv by síly působící na lunární vesmírný výtah nebyly tak silné jako na výtah vycházející ze zemského povrchu, což by otevřelo více možností pro materiály lan.

Někteří čínští výzkumníci se myšlenky na využití uhlíkových nanotrubiček pro vesmírný výtah nevzdávají. V roce 2018 tým z univerzity Tsinghua odhalil, že vyvinul nanotrubičky, které jsou podle nich pro tento účel dostatečně pevné. V roce 2021 zveřejnila státní tisková agentura Xinhua video ukazující vyvíjený koncept nazvaný Sky Ladder, který by se skládal z vesmírných výtahů nad Zemí a Měsícem. Po jízdě vesmírným výtahem ze Země by kapsle letěla do vesmírné stanice připojené k lanovému výtahu na Měsíci.

Pokud by se projekt podařilo realizovat, Čína předpokládá, že by Sky Ladder mohl snížit náklady na dopravu lidí a zboží na Měsíc o 96 %. Za 120 let od doby, kdy Ciolkovskij vyslovil myšlenku vesmírného výtahu, bylo dosaženo obrovského pokroku ve vývoji materiálů s potřebnými vlastnostmi. V tuto chvíli se zdá pravděpodobné, že jednoho dne bychom mohli mít materiál, který by bylo možné vyrábět v měřítku potřebném pro lano. Je však možné, že do té doby nebudeme vesmírný výtah potřebovat. Několik leteckých a kosmických společností dělá pokroky s vlastními opakovaně použitelnými raketami, a až se tyto společnosti připojí ke SpaceX, konkurence by mohla způsobit další pokles cen startů.

Kalifornský startup SpinLaunch zase vyvíjí masivní centrifugu, která má vynášet užitečné náklady do vesmíru, odkud je mohou na oběžnou dráhu vynést mnohem menší rakety. Tento systém by snížil množství paliva potřebného k dosažení oběžné dráhy o 70 %.

Kromě toho několik skupin vyvíjí ekologicky šetrná raketová paliva, která produkují mnohem méně škodlivých emisí. K efektivnímu rozšíření jejich výroby je třeba ještě mnoho práce, ale překonání této překážky bude pravděpodobně mnohem snazší než vybudování 35 400 km dlouhého výtahu do vesmíru.

Zdroj: redakce, aeon.co, BigThink, arxiv.org