بالا برهای فضایی

بالا برهای فضایی

جادوی مهندسی هوا فضا در قرن 21

مقدمه

با پرتاب شاتل فضایی کلمبیا در تاریخ 12 آوریل 1981 از مرکز فضایی کندی آمریکا ، نخستین ماموریت شتل های فضایی آمریکا آغاز شد و رویای بشر برای به کار بردن فضاپیماهایی که مجددا پس از بازگشت قابل استفاده باشند به حقیقت پیوست از آن زمان تا کنون ناسا بیش از یکصد بار شاتل های فضایی را به فضا فرستاده است .. ولی هزینه ماموریتهای فضایی فقط اندکی تغییر کرده و این در حالی است که چه شاتل فضایی باشد و چه از سایر فضاپیماها استفاده شود هزینه پرتا هرکیلوگرم جرم به فضا در حدود 22 هزار دلار است .. با اینکه شاتلهای فضایی مجددا قابل استفاده هستند ، ولی هنوز ماموریت ها با هزینه های بسیار بالا انجام می پذیرد . تعداد شاتل ها نسبتا کم است و پرتاب هرشاتل به فضا بیش از نیم میلیارد دلار هزینه در بر دارد .درنتیجه نیاز به یک جایگزین با صرفه در مورد وسیله های انتقال به فضا احساس می شود .

نمونه هایی ایستگاه پایه سیار

در حال حاضر سامانه ی نوینی در حمل و نقل فضایی در حال توسعه است که مسافرت به مدار همسانگرد(مدار همسانگرد یا GEO مداری گرداگرد زمین است که دوره تناوب 24 ساعته دارد و در ارتفاع 35786 کیلومتری زمین قرار دارد .) زمین را به عنوان یک رویداد روزانه ممکن می سازد و از نظر اقتصادی بسیار با صرفه است .

بالابرهای فضایی سامانه های نوینی هستند که از نوارهای کامپوزیتی نانولوله های کربنی استفاده میکنند .این نوارها از یک طرف به سکوی سیار در داخل اقیانوس و از طرف دیگر به یک وزنه برابر در ارتفاع 100000 کیلومتری از سطح زمین در فضا بسته خواهند شد .. بالا روهای مکانیکی به نوار متصل شده و انسانها را به همراه سایر محموله ها به فضا میفرستند . بالبرهاب فضایی بسیار باصرفه هستند و هر کیلوگرم بار را با هزینه 220 الی 880 دلار به فضا خواهند برد .

نحوه کارکرد بالا بر فضایی

بالابر فضایی یک ساختار پنداری است که برای انتقال مواد از سطح یک سیاره به فضای خارج از آن طراحی شده است . انگاره این بالابر فضایی در سال 1985 توسط یک دانشمند روسی به نام کنستانتین تیسکولوفسکی پدیدار شد .. او با دیدن برج ایفل در فرانسه به این فکر افتاک که یک برج بسیار بلند ساخته شود تا از طریق آن بتوان به فضا رفت . ساختارهای بسیار گوناگونی از بالابر های فضایی پیشنهاد شد که همگی آنها جهت جایگزنی با سامانه پیشرانش راکتی طراحی شده بودند . این ساختارها پیمایشی را انجام می دهند که بی شباهت به پیمایش بالا بر های معمولی نیست . از این رو بالابر های فضایی نام گرفته اند . البته از این ساختار به عنوان پل های فضایی و نیز نردبان فضایی یاد می شود . پایه بیشتر طراحی ها بر این اساس است که یک کابل و یا یک نوار از سطح سیاره زمین به نقطه ای بالاتر از مدار همسانگرد زمین متصل شود . همزمان با چرخش سیاره مقابله لختی در انتهای نوار و نیروی گرانش زمین ، نوار محکم و کشیده نگه می دارد .، در نتیجه بالابر ها می توانند از نوار بالا رفته و از نیروی گرانش زمین برای ورود به فضا گریز کنند بدون آنکه نیازی به استفاده از پیشران راکتی داشته باشند . چنین ساختاری می تواند بسیاری از انسانها و تجهیزات را به فضا ببرد .

ساختار بالابر فضایی

طرح های گوناگونی برای بالابر های فضایی پیشنهاد شده اند . در این طرح ها قسمت های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته اند . این قسمت ها عبارتند از : ایستگاه پایه / نوار/بالاروها/ وزنه برابر / سامانه پرتوافکن انرژی و ...

ایستگاه پایه (مستقر بر روی زمین)

ایستگاه پایه قسمتی از بالابر فضایی است که نوار از یک طرف به آن بسته می شود . طرحهای ایستگاه پایه به دو دسته ساکن و سیار تقسیم میشوند . بیشتر ایستگاههای سیار از گونه شناور اقیانوسی هستند . البته ایستگاه های سیار هوایی نیز تعبیه شده اند ..سکوهای ساکن در موقعیت های با ارتفاع بالا قرار میگیرند ( به عنوان مثال بالای یک برج بلند .) سکوهای سیار با انکه هزینه های بیشتر و ساختار پیچیده تری نسبت به سکوهای ساکن دارند از امتیازاتی از قبیل توان حرکت در مواقع خطر برخوردارند .

نوار

نوار همان کابلی است که از یک طرف به ایستگاه پایه و از طرف دیگر به وزنه برابر بسته می شود .نوار باید از ماده ای ساخته شود که از مقاومت کششی بالایی نسبت به چگالی خود برخوردار باشد . نانو لوله های کربنی بهترین موادی هستند که که برای ساخت این نوارها پیشنهاد شده اند .

بلندی نوارهای بالابر های فضایی در حدود 100000 کیلومتر خواهد بود . نوارهای کامپوزیتی نانو لوله های کربنی در طرح بالابر های فضایی فقط چند سانتیمتر پهنا دارند و ضخامت آنها به انداره یک برگه کاغذ معمولی است .

دانشمندان تا به حال موفق به ساختن الیافی از نانو لوله های کربنی شده اند و ممکن است این الیاف برای ساختن نوار های بالابر مورد استفاده قرار گیرد .. این در حالی است که سایر مواد در مقایسه با نانو لوله های کربنی بسیار ضعیف و شکننده هستند . نوارهایی که برای بالابر های فضایی پیش بینی شده اند می توانند به دو روش ساخته شوند

1. روش نانولوله های کربنی بلند . در این روش نانولوله هایی با بلندی چندین متر به هم بافته می شوند تا ساختاری شبیه به یک طناب ایجاد کنند .. البته تا سال 2005 بلندترین نانولوله هافقط چند سانتی متر بلندی داشت .

2. روش نانو لوله های کربنی کوتاه : دراین روش نانو لوله های کربنی کوتاه در قالب های پلیمری قرار میگیرند و ساختار بلندی از نانو لوله های کربنی را به وجود می آورند .

بالابر ها

بالابر های رباتیک قسمت دیگری از بالابر های فضایی هستند که ساختار چندان پیچیده ای ندارند . بالابر های فضایی نمی توانند همانند بالابر های عادی قابل حس و درک باشند . این موضوع به علت نیاز به نوار است که باید قسمت مرکزی اش پهن تر از دو انتهای آن باشد . در بیشتر طرح ها بالابر هایی پیشنهاد شده اند که به طور خود کار بالا و پایین می روند . مهمترین اصل در بالا رو ها ایجاد انرژی برای راندن در سراسر نوار است . این بالا رو ها به انرژی نیاز دارند که یک حرکت کامل را پشتیبانی کند . این انرژی میتواند انرژی هسته ای باشد . برخی از راه حل های دیگر نیز پیشنهاد شده اند که در بیشتر آنها استفاده از پرتو افکنی انرژی توصیه شده است .

صفحات متصل افقی به بالابر انرژی پرتو افکنی را از زمین دریافت و آن را تبدیل به نیروی الکتریکی برای صعود به جو میکنند

در روش پرتو افکنی انرژی گرمای زیادی از بین می رود و باز ده نیز کم است . البته با پیشرفت علم امید است که این مشکل نیز حل شود . بالاروهای فضایی باید در زمان بندی های بهینه حرکت کنند تا فشار روی نوار و نوسان آن را به کمترین مقدار ممکن و بازده را به بیشترین مقدار یرسانند .

. در برخی از بالابر ها استفاده از بالار وهای یگانه پیشنهاد شده است . استفاده از یک بالارو می تواند بازده بیشتری داشته باشد اما عیوبی نیز دارد مثلا اگر در بین را ه خراب شود دیگر نمی تواند به پایین باز گردد و یا بالاتر برود و همانجا باقی می ماند . بالارو ها از نظر اندازه و جرم انواع گوناگونی دارند .. بالاروهای کوچکتر بازده بیشتری دارند اما از نظر فنی دارای محدودیت های بخصوصی هستند .

ساختار تصویری کامل یک بالابر فضایی

وزنه برابر

وزنه برابر (وزنه تعادل) قسمتی از سامانه بالابر فضایی است که انتهای نوار در فضا به آن بسته میشود . در بیش تر طرح ها دو روش برای سرو کار داشتن با نیاز به وزنه برابر پیشنهاد شده است . در طرح های قدیمی تر قرار بود یک شهاب سنگ و یا یک سیارک بالای مدار همسانگرد زمین دستگیر شود و نوار به آن بسته شود . ولی پیشنهادات جدیدتر حمایتهای بیشتری را کسب کرده اند . در این پیشتهادات قرار شده که وزنه برابر ساخته دست بشر باشد . این پیشنهاد به دلیل سادگی ونزدیکی بیشتر به واقعیت مورد استقبال بیشتری قرار گرفته است . البته در ساختار وزنه برابر نیز از ریز فناوری استفاده خواهد شد .

تصویر یک نمونه از وزنه برابر

سامانه پرتو افکنی انرژی

بالاروهای فضایی به وسیله یک سامانه لیزری الکترون -آزاد که بالا یا نزدیک ایستگاه پایه قرار خواهد گرفت روشن خواهند شد . این سامانه در حدود 2/4 مگا وات انرژی پرتو افکنی خواهد کرد . این انرژی به به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد و موتورهای الکتریکی بالارو را به کار خواهد انداخت . به این ترتیب هر روز بالاروها به فضا خواهند رفت .

برخورد با ناگواری ها

در 100000 کیلومتری زمین بالابر ها بسیار آسیب پذیر خواهند بود خطراتی چون سنگریزه های فضایی، طوفانها ، جنگها و ...... نیز بالابرهای فضایی را تهدید میکنند . با پیشروی طراحی قسمتهای مختلف بالابر های فضایی توسعه دهندگان همواره در مورد این خطرات نگرانند . در برخب طرح ها بالاروهای چند گانه پیشنهاد شده اند که در صورت خرابی یک بالابر سایر بالابر ها به راه خود ادامه دهند .بالابر های فضایی باید توانایی پرهیز از اشیای مداری را داشته باشند . اشیای مداری همان سنگریزه ها و ماهواره ها هستند . در حال حاضر توانایی رهگیری اشیای بزرگتر از 10 سانتی متر وجود دارد ولی برای محافظت از بالابر ها به نوعی از سامانه رهگیری نیاز است که اشیای بزرگتر از یک سانتی متر را بتواند تشخیص دهد . البته خطرات زیادی نیز ایستگاههای پایه را تهدید میکند . برای محافظت از ایستگاه های پایه یگانهای نظامی مخصوصی در نظر گرفته شده اند . البته ایستگاه های سیار از توانایی گریز از خطر نیز برخوردارند .

========================================================================

پاورقی

1-بلندی یک بالابر فضایی

بلندترین برج روی زمین برج CN در تورنتوی کانادا است که 553/34 متر بلندی دارد . بالابر فضایی 180720 بار بلندتر از این برج خواهد بود یعنی حدود 100000 کیلومتر . این فاصله تقریبا یک چهارم فاصله زمین تا ماه است .

2- چگونه وزنه برابر و ایستکاه پایه نوار را محکم و کشیده نگه می دارند .

برای درک بهتر این ساختار به توپی فکر کنید که با یک طناب به میله ای متصل شده است حال فکر کنید که توپ تحت نیروی گریز از مرکز به دور میله می چرخد این گردش باعث میشود که طناب همیشه کشیده و محکم باقی بماند . در بالابر های فضایی توپ همان وزنه برابر است و طناب همان نواری است که ایستگاه پایه را به وزنه برابر متصل میکند و میله همان ایستگاه پایه است .. تصور کلی این بود که وزنه برابر با چرخش دور زمین نوار را کشیده و در حالت عمودی نگه میدارد تا بالاروهای مکانیکی و رباتیکی سراسر نوار بالا و پایین بروند .

3- نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی در سال 1991 ساخته شده اند و با ساخت آنها امید دانشمندان برای ساخت بالابر فضایی دو چندان شد . این نانولوله ها یکصد برابر از فولاد قوی تر و از نظر انعطاف پذیری همانند پلاستیک رفتار میکنند . نیروی زیاد این نانو لوله ها ناشی از ساختار منحصر به فرد آنهاست که در انها با استفاده از ریز فناوری ذرات همانند توپ فوتبال کنار هم چیده شده اند .

4- زمان آغاز به کار بالابر های فضایی

نوار تنها بخش پنداری بالابر هاست که نیاز به دانش پیشرفته ای دارد اما سایر قسمتهای بالابر با استفاده از فناوری های کنونی قابل ساخت هستند . پیش بینی های انجام شده از این امر حکایت دارند که نوارهایی از لوله های نانو کربنی تا سالهای آینده ساخته خواهند شد و احتمالا تا سال 2018 بالابر های فضایی مورد استفاده قرار خواهند گرفت .

5- پر تو افکنی انرژی چیست

حرکت دادن انرزی از یک مکان به مکان دیگر در سرتاسر فضای خالی یا هوا پرتو افکنی نامیده می شود . با پرتو افکنی می توان توان لازم برای به کار انداختن یک دستگاه (مثلا موتور الکتریکی) را تامین کرد . در پرتو افکنی علاوه بر این که نیاز به سوخت گیری دوباره نیست نیازی هم به حمل دستگاه تولید انرژی توسط بالابر نیست و هیچگونه اتصال سیمی و یا غیره لازم نیست.

نظرات شما عزیزان: