mały|upright=1.2|Artystyczna koncepcja windy kosmicznej Winda kosmiczna – proponowana konstrukcja, służąca do wynoszenia obiektów z powierzchni ciała niebieskiego w przestrzeń kosmiczną. W literaturze nazywana również satelitą na uwięzi, kosmicznym mostem lub wieżą orbitalną.
Istnieje kilka koncepcji działania takiej windy. Najpopularniejsza zakłada opuszczenie z satelity na orbicie geostacjonarnej liny lub wstęgi, aż do powierzchni ciała niebieskiego. Odpowiednio zaprojektowane pojazdy mogłyby wspinać się po tej linie, osiągając orbitę znacznie taniej niż przy użyciu rakiet. Budowa takiej windy na Ziemi wymagałaby jednak liny, która nie zerwałaby się pod własnym ciężarem na długości 36 tysięcy kilometrów. Żadne współcześnie wytwarzane materiały nie spełniają tego wymagania. Potencjalnie jednak włókna wykonane z nanorurek węglowych lub olbrzymich rurek węglowych mogłyby je spełnić. Do zbudowania wind na ciałach o mniejszej grawitacji, takich jak Mars albo Księżyc, wystarczyłyby jednak liny z dostępnych już materiałów.
Konstrukcja mały|Schemat windy kosmicznej:1 – orbita geostacjonarna2 – środek ciężkości całego układu3 – przeciwwaga (satelita na uwięzi)4 – lina, 5 – pojazd wspinający6 – Ziemia (nie zachowano proporcji) Większość projektów windy kosmicznej zawiera jako najistotniejsze elementy podstawę, linę, pojazdy wspinające i przeciwwagę.
Podstawa Środek ciężkości windy musi znajdować się na orbicie geostacjonarnej (około 35 786 km nad równikiem). Punkt zakotwiczenia liny powinien być zatem położony blisko równika, aby zminimalizować dodatkowe naprężenia. Tam też należy umieścić większość infrastruktury niezbędnej do obsługiwania windy, w szczególności załadunku i rozładunku pojazdów wspinających. Projektanci podstawy zasadniczo rozważają dwa jej typy: mobilną i stacjonarną. Mobilne podstawy na ogół są projektowane jako wielkie pływające konstrukcje. Stacjonarne podstawy to zwykle budowle umieszczone na dużych wysokościach nad poziomem morza.
Przewagą konstrukcji pływających jest ich zdolność do unikania największych burz i huraganów. Ponadto dają większą swobodę w wyborze miejsca dla windy. Z drugiej strony konstrukcje naziemne mają łatwiejszy dostęp do materiałów i energii oraz wymagają nieco krótszej liny. Różnica długości jest co prawda minimalna (na ogół nie więcej niż kilka kilometrów), ale wpływa na wymagania wytrzymałościowe dla liny. W bardziej ambitnej wersji windy naziemna konstrukcja byłaby wystarczająco wysoka, żeby osłonić windę przed warunkami atmosferycznymi.
Lina Lina łącząca satelitę z podstawą musi zostać wykonana z materiału o gigantycznej wytrzymałości na rozciąganie i możliwie małej gęstości. Aby zrównoważyć naprężenia, grubość liny powinna powoli rosnąć wraz z wysokością i osiągać maksimum na wysokości orbity geostacjonarnej. Aby koszty całej windy były akceptowalne, grubość nie może wzrosnąć zbyt wiele razy. Oznacza to, że potrzebny jest tani i lekki materiał o wytrzymałości na rozciąganie rzędu 30-50 MN·m/kg, co oznaczałoby konieczność wzrostu średnicy 2-3 krotnie. Dla współczynnika wynoszącego 10 MN·m/kg potrzebne byłoby już kilkunastokrotne zwiększenie średnicy.
Dla porównania: dla najlepszej stali współczynnik ten wynosi poniżej 1 MN·m/kg, dla Kevlaru do 2 MN·m/kg, natomiast dla włókna wykonanego z czystego diamentu wyniósłby około 6-8 MN·m/kg.
Nanorurki węglowe są obecnie jednymi z najwytrzymalszych znanych materiałów i teoretycznie mogłyby spełnić stawiane tu wymagania. W obecnej chwili nie ma jednak jeszcze technologii wytwarzania ich w wystarczająco dużych ilościach i w żądanej postaci. Teoretyczne obliczenia wskazują na możliwość osiągnięcia powyżej 100 MN·m/kg, a najwyższy do tej pory zmierzony wynik to 63 GPa, co w połączeniu z niewielką gęstością oznacza około 40 MN·m/kg. Obecnie prowadzone są intensywne badania nad uzyskiwaniem dłuższych i czystszych nanorurek, oraz nad łączeniem ich w wytrzymałe włókna.
Wśród znanych obecnie materiałów największy iloraz wytrzymałości na rozciąganie przez gęstość mają olbrzymie rurki węglowe – rzędu 60 MN·m/kg. Spełniają one wymagania do stworzenia windy kosmicznej, pod warunkiem że udałoby się wyprodukować wystarczająco długie włókna zachowując ich własności.
Kształt liny Z powodu różnicy naprężeń na różnych wysokościach, grubość liny będzie musiała się zmieniać w ściśle określony sposób, tak aby oprócz wynoszonego ładunku utrzymywać ciężar liny poniżej. Uwzględniając grawitację i siłę odśrodkową, można pokazać, że przekrój liny powinien zmieniać się z wysokością zgodnie z równaniem całkowym, które wyprowadzimy ze wzorów podanych w orbita geostacjonarna:
Odpowiednie symbole oznaczają:
– funkcja przekroju liny w zależności od odległości od środka Ziemi; – gęstość materiału, z którego zrobiona jest lina; – wytrzymałość liny na rozciąganie; – prędkość obrotową Ziemi (7,292 × 10−5 rad/s); – odległość punktu zaczepienia od środka Ziemi. Dla punktu znajdującego się przy powierzchni na równiku równa 6378 km; – stała grawitacyjna przemnożona przez masę Ziemi. Iloczyn, zależny tylko od masy planety, zwany jest współczynnikiem grawitacyjnym ciała, dla Ziemi jest on równy 398600; – jest masą kabiny, czyli wytrzymałością dolnego krańca liny.
Ładunki wjeżdżające Z uwagi na zmienną grubość liny, winda kosmiczna nie mogłaby wciągać ładunków w standardowy sposób, przez wciąganie całej liny. Zamiast tego proponuje się użycie samodzielnych pojazdów wjeżdżających po linie. Ich sposób wspinania się mógłby być różnoraki: od rolek obejmujących linę, przez różne rodzaje haków, do poduszki magnetycznej.
Głównym problemem będzie zasilanie takich pojazdów. Jeśli musiałyby zabierać ze sobą paliwo na całą drogę, zysk z użycia windy byłby niewielki (co najwyżej związany z możliwością użycia energii atomowej i z uzyskiwaniem przez pojazdy dodatkowego momentu pędu od Ziemi). Dlatego rozważa się zasilanie ich za pomocą wiązki laserowej lub mikrofalowej wysyłanej z powierzchni. Istnieje też możliwość przekazywania energii bezpośrednio za pomocą liny. Część projektów zakłada przekazywanie części energii wjeżdżającym wagonom przez zjeżdżające.
Częstotliwość kursowania pojazdów musiałaby być dobrana tak aby nie przekroczyć wytrzymałości liny. Najsłabszym punktem będzie zamocowanie przy powierzchni – wagon znajdujący się wyżej obciążałby już linę proporcjonalnie mniej w miarę wzrostu grubości liny, spadku ciążenia i wzrostu siły odśrodkowej. Ponieważ mniejsze pojazdy dawałyby znacznie większe możliwości w kontrolowaniu naprężeń, sugeruje się użycie ich jak najmniejszych, na ile pozwoli na to technologia i konieczność uzyskiwania przez nie odpowiednich prędkości.
Przeciwwaga Są dwie główne metody uzyskania środka ciężkości windy na orbicie geostacjonarnej: przyholowanie na orbitę, nieco powyżej geostacjonarnej, dużego obiektu (np. asteroidy) i przymocowanie windy do niego, lub rozciągnięcie liny daleko poza tę orbitę. Druga możliwość wymaga znacznie więcej liny (144 000 km), ale jest też znacznie prostsza w realizacji. Dodatkowo daje możliwość użycia liny do wystrzeliwania pojazdów na odległe misje kosmiczne. Kontynuując wspinaczkę powyżej orbity geostacjonarnej, na przeciwległym końcu liny pojazdy opuszczałyby windę z prędkością pozwalającą na osiągnięcie orbity Saturna (a przy użyciu asysty grawitacyjnej nawet dalszych planet).
Jedno rozwiązanie nie wyklucza drugiego. Im dalej od orbity geostacjonarnej jest masa, tym mniej jej potrzeba. Do masy umieszczonej na orbicie można później dołączyć linę rozciągniętą w przeciwnym kierunku, która w takiej sytuacji mogłaby nawet być dłuższa i umożliwiać nadawanie pojazdom większych prędkości.
Działanie windy thumb|280px|Wznoszące się pojazdy odchylałyby windę od pionu o około 1 stopień, ponieważ szczyt windy poruszałby się w poziomie szybciej niż jej zamocowanie. Diagram nie zachowuje skali. Ładunek wjeżdżający windą nabierałby nie tylko wysokości, ale również prędkości w poziomie, proporcjonalnej do odległości od środka Ziemi. Tym samym uzyskiwałby moment pędu, zabierając go Ziemi. Wciągając się po linie, pojazd ciągnąłby ją dodatkowo lekko w kierunku zachodnim (przeciwnie do jej ruchu obrotowego). Przy prędkości 200 km/h oznaczałoby to odchylenie dolnej partii liny o około 1 stopień od pionu. Naprężona lina ciągnęłaby pojazd na wschód, przenosząc tę siłę na podstawę, ciągnąc ją na zachód. Odwrotne siły działałyby przy zjeżdżaniu ładunku z orbity. W obu przypadkach naciąg liny wywołany siłą odśrodkową działającą na przeciwwagę przeciwdziałałby odchyleniu windy od pionu.
Powyżej orbity geostacjonarnej ładunek byłby wypychany w górę liny przez samą siłę odśrodkową. Jeśli rozpędzałby się swobodnie do końca przeciwwagi, przekazany mu przez ten czas moment pędu przełożyłby się na prędkość pozwalającą opuścić pole grawitacyjne Ziemi i dolecieć aż do Saturna. Aby uzyskiwać jeszcze większe prędkości, można zaprojektować dłuższą przeciwwagę (np. z cieńszej liny). Należałoby przy tym jednak uwzględnić obecność Księżyca i jego wpływ na windę.
Windy poza Ziemią Windy kosmiczne mogą być oczywiście budowane również poza Ziemią, na orbitach stacjonarnych nad innymi planetami, księżycami i asteroidami.
Zbudowanie windy na Marsie mogłoby okazać się nawet prostsze niż na Ziemi. Mars ma masę dziewięciokrotnie mniejszą niż Ziemia, a obraca się mniej więcej z tą samą prędkością. Orbita stacjonarna jest tam więc na dwukrotnie mniejszej wysokości, a więc potencjalna winda byłaby odpowiednio krótsza. Ponadto niższe ciążenie (38% ziemskiego przy powierzchni) wpływa na wymaganą wytrzymałość liny – wystarczyłaby mniej więcej czterokrotnie słabsza (8 MJ/kg). Unikalnym problemem na Marsie może okazać się jego księżyc Fobos, którego orbita przecinałaby się z windą. Ponieważ nachylenie orbity Fobosa wynosi 1 stopień, możliwym rozwiązaniem byłoby odsunięcie podstawy windy kilka stopni (np. 5) od równika. Przełożyłoby się to na nieznacznie większe naprężenia, ale uniemożliwiłoby kolizję.
Skonstruowanie windy na Księżycu napotyka na inne problemy. Co prawda Księżyc ma znacznie mniejszą masę, ale jest zwrócony zawsze tą samą stroną w kierunku Ziemi. Oznacza to że środek ciężkości potencjalnej windy musiałby znajdować się w punkcie gdzie siły odśrodkowe równoważą siły grawitacji Ziemi i Księżyca. Punktów takich jest tylko kilka (w porównaniu z nieskończoną liczbą punktów na orbicie geostacjonarnej Ziemi). Noszą nazwę punktów Lagrange’a. Windy mogłyby zostać umieszczone w punkcie L1 (po stronie Ziemi) lub L2 (po przeciwnej stronie, aby ułatwić podróże w daleki kosmos). Odległość tych punktów od Księżyca wynosi około 60 000 km, ale bez dodatkowej masy w tych punktach długość całej windy musiałaby wynosić odpowiednio 290 000 km (dla punktu L1) i 525 000 km (dla punktu L2). Na szczęście wymagania na wytrzymałość tych lin byłyby tu jeszcze mniejsze niż w przypadku Marsa.
Merkury i Wenus obracają się na tyle wolno, że umieszczanie nad nimi wind będzie prawdopodobnie nieopłacalne. Orbita stacjonarna Merkurego znajduje się na wysokości 243 000 km, a Wenus aż 1 476 000 km. Z kolei gazowe giganty mają zbyt dużą grawitację, by dało się tam umieścić windę. Realne natomiast wydaje się konstruowanie wind na niektórych ich księżycach.
Duże, szybko obracające się asteroidy mogłyby być również dobrym miejscem na umieszczanie wind. Pozwalałoby to na wygodne wyrzucanie dużych partii materiału z ich powierzchni w żądanym kierunku. Z kolei sprowadzanie materiału na ich powierzchnię mogłoby służyć jako źródło energii, szczególnie na dalekich orbitach, gdzie światło Słońca jest słabe.
Budowa windy Rakiety kosmiczne są bardzo kosztownym sposobem wynoszenia ładunków w kosmos. Aby zminimalizować koszty budowy windy, zakłada się początkowe wyniesienie możliwie lekkiego „zaczątka” windy, który mógłby posłużyć do wyniesienia reszty jej masy, działając sam jak winda kosmiczna.