Ascensore spaziale
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L'ascensore spaziale, conosciuto anche come ponte spaziale o scala per le stelle, è il progetto, per adesso (2006) ipotetico, di un dispositivo simile ad un ascensore che servirebbe però a portare carichi in orbita. L'ascensore spaziale è quindi lunghissimo, decine di migliaia di chilometri e, a differenza degli ascensori ordinari, il cavo portante è immobile e la cabina si muove su di esso.
Un ascensore spaziale sulla Terra permetterebbe di inviare materiale ed astronauti nello spazio ad un costo pari ad una frazione del costo odierno. Costruirne uno richiederebbe comunque un grande progetto, e l'ascensore dovrebbe essere costruito con un materiale che possa resistere ad un tremendo stress mentre dovrebbe essere anche leggero, poco costoso e facile da produrre. Un considerevole numero di altri nuovi problemi ingegneristici dovrebbero anche essere risolti per rendere possibile l'ascensore spaziale. La tecnologia odierna non ha ancora queste capacità, ma alcuni ottimisti ritengono che l'ascensore spaziale potrebbe diventare una realtà nei decenni a venire.
[modifica] Storia
Il concetto di ascensore spaziale apparve per la prima volta nel 1895 quando uno scienziato russo di nome Konstantin Tsiolkovsky fu ispirato dalla Torre Eiffel di Parigi a prendere in considerazione una torre che raggiungesse lo spazio. Egli immaginò di piazzare un "castello celestiale" all'estremità del cavo, con il "castello" che orbitava intorno alla Terra in una orbita geosincrona (ovvero il castello sarebbe rimasto nello stesso punto sulla superficie terrestre). La torre sarebbe stata costruita da terra fino ad una altitudine di 35.800 chilometri (in una orbita geostazionaria). I commenti di Nikola Tesla suggeriscono che anch'egli potrebbe aver concepito una simile torre. Le sue note furono inviate dietro la Cortina di ferro dopo la sua morte.
La torre di Tsiolkovsky sarebbe stata capace di lanciare oggetti in orbita senza usare un razzo. Dato che l'ascensore avrebbe ottenuto una velocità orbitale mano a mano che risaliva il cavo, un oggetto rilasciato dalla cima della torre avrebbe anch'esso avuto la velocità necessaria per rimanere in orbita geosincrona.
La costruzione partendo dal suolo, comunque, si è dimostrata una impresa impossibile; non esisteva un materiale con una sufficiente resistenza alla compressione da supportare il suo stesso peso in tali condizioni. Fino a che nel 1957 un altro scienziato russo, Yuri N. Artsutanov, concepì un metodo più realistico per costruire una torre spaziale. Artsutanov suggerì di utilizzare un satellite geosincrono come base dalla quale costruire la torre. Utilizzando un contrappeso, un cavo sarebbe stato abbassato dall'orbita geostazionaria fino alla superficie della Terra mentre il contrappeso veniva esteso dal satellite allontanandolo dalla Terra, mantenendo il centro di massa del cavo immobile rispetto alla Terra. Artsutanov pubblicò la sua idea nel supplemento domenicale della Komsomolskaja Pravda nel 1960.
Produrre un cavo lungo oltre 35.000 chilometri è una difficile impresa. Nel 1966, quattro ingegneri americani decisero di determinare che tipo di materiale sarebbe stato richiesto per costruire un ascensore spaziale, presumendo che fosse un semplice cavo senza variazioni della sua sezione. Essi trovarono che la forza necessaria richiesta era il doppio di quella di ogni materiale esistente inclusi grafite, quarzo e diamante.
Nel 1975 un altro scienziato americano, Jerome Pearson, progettò una sezione nastriforme che sarebbe stata più adatta a costruire la torre. Il cavo completo sarebbe stato più spesso al centro di massa, dove la tensione era maggiore, e sarebbe stato più stretto alle estremità per ridurre la quantità di peso che la parte centrale avrebbe dovuto portare. Egli suggerì di usare un contrappeso che sarebbe stato esteso lentamente verso l'esterno, fino a 144.000 chilometri (quasi metà della distanza della Luna) mentre la sezione inferiore della torre veniva costruita. Senza un grosso contrappeso, la porzione superiore della torre sarebbe dovuta essere più lunga della parte inferiore, a causa del modo in cui le forze gravitazionali e centrifuga cambiano con la distanza dalla Terra. La sua analisi incluse disturbi come la gravità della Luna, il vento e il movimento dei carichi trasportati su e giù per il cavo. I peso del materiale necessario per costruire la torre avrebbe richiesto migliaia di viaggi dello Space Shuttle, sebbene parte del materiale avrebbe potuto essere trasportato usando la torre stessa, non appena un cavo con una minima capacità avesse raggiunto il terreno o avrebbe potuto essere prodotto nello spazio utilizzando minerali lunari o asteroidali.
Arthur C. Clarke introdusse il concetto dell'ascensore spaziale ad un pubblico più ampio nel suo racconto del 1978, Le fontane del Paradiso, nel quale gli ingegneri costruiscono un ascensore spaziale sulla cima di un picco montano sulla fittizia isola equatoriale di Taprobane (strettamente basata sul Picco di Adamo in Sri Lanka).
David Smitherman della NASA/Marshall's Advanced Projects Office ha redatto dei piani per un simile ascensore che potrebbero trasformare la fantascienza in realtà. La sua opera, "Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium", è basata sulle scoperte pubblicate durante una conferenza sulle infrastrutture spaziali tenuta al Marshall Space Flight Center nel 1999.
Un altro scienziato americano, Bradley Edwards, suggerisce la creazione di un nastro sottile come la carta e lungo 100.000 km, che avrebbe una possibilità maggiore di resistere all'impatto con delle meteoriti. Il lavoro di Edwards si è espanso fino a coprire: lo scenario della costruzione, il progetto del climber (l'unità che si "arrampica" lungo il cavo), il sistema di trasmissione dell'energia, il metodo per evitare i detriti orbitali, il sistema di ancoraggio a terra, la resistenza all'ossigeno atomico, come evitare i lampi e gli uragani posizionando la piattaforma di ancoraggio nel pacifico equatoriale occidentale, i costi di costruzione, la tabella di costruzione e i pericoli per l'ambiente. Sono stati fatti piani per completare la progettazione ingegneristica, per lo sviluppo dei materiali e per iniziare la costruzione del primo ascensore. I fondi fino ad ora sono stati ottenuti attraverso una sovvenzione da parte del NIAC (NASA Institute for Advanced Concepts). I fondi futuri si ritiene verranno dalla NASA, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d'America e soggetti pubblici e privati. Il più grande impedimento tecnologico al progetto proposto da Edwards è il limite imposto dal materiale di cui sarebbe formato il cavo. I suoi calcoli richiedono una fibra composta da nanotubi di carbonio legati da un epossido con una forza tensile minima pari a 130 GPa; comunque, test condotti nel 2000 su nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), che dovrebbero essere notevolmente più resistenti della corda formata con l'epossido, indicano che la maggiore resistenza misurata è pari a 63 GPa [1].
[modifica] Ascensori extraterrestri
Un ascensore spaziale potrebbe essere costruito su alcuni pianeti, asteroidi e lune.
Un cavo Marziano potrebbe essere molto più corto rispetto a quello terrestre. La gravità di Marte è il 40% della gravità terrestre, mentre la sua rotazione intorno al suo asse avviene all'incirca nello stesso periodo di tempo. A causa di ciò, l'orbita geostazionaria marziana è molto più vicina alla superficie, e quindi l'ascensore sarebbe molto più corto.
Un ascensore lunare non sarebbe così fortunato. Dato che la rotazione della Luna mantiene sempre la stessa faccia verso la Terra, il centro di gravità del cavo dovrebbe essere ai Punti di Lagrange L1 o L2, che sono punti di stabilità speciali, che esistono tra ogni coppia di corpi in una orbita, dove le forze gravitazionali e rotatorie si bilanciano. Il cavo punterebbe sia verso la Terra per il punto L1 o lontano dalla Terra per il punto L2. Comunque, a causa della bassa gravità lunare, la massa totale del cavo sarebbe notevolmente inferiore a quella dell'ascensore terrestre, dato che sarebbe necessario meno materiale per fornire la resistenza tensile necessaria a supportare il cavo stesso contro la gravità lunare. Senza un contrappeso il cavo "L1" dovrebbe essere lungo 291.901 chilometri e il cavo "L2" dovrebbe essere lungo 525.724 chilometri. Considerando che la distanza tra la Terra e la Luna è di 351.000 chilometri, questo è un cavo molto lungo. Cavi molto più corti, forse non più del doppio della lunghezza della distanza di circa 60.000 km per i punti L1 o L2 del sistema Terra Luna sarebbero sufficienti se un grosso contrappeso, ad esempio di materiali di derivazione lunare, fosse piazzato all'estremità del cavo.
Asteroidi o lune dalla rapida rotazione potrebbero usare i cavi per lanciare materiali, in modo da poter muovere i materiali in posizioni di comodo, come l'orbita terrestre; o al contrario, di espellere del materiale per inviare il grosso della massa dell'asteroide o della luna nell'orbita terrestre o in un punto di Lagrange. Questo venne suggerito da Russell Johnston nel 1980. Freeman Dyson suggerì di utilizzare sistemi simili, ma molto più piccoli, come generatori di energia in punti lontani dal Sole, dove l'energia solare non è economica.
[modifica] Lanciare nello spazio esterno
Mentre un carico viene sollevato lungo un ascensore spaziale, esso accresce non solo la sua altitudine ma anche il suo momento angolare. Questo momento angolare viene sottratto alla stessa rotazione terrestre. Mentre il carico sale, esso "tira" sul cavo, facendo si che esso si inclini leggermente verso ovest (in senso opposto alla direzione della rotazione terrestre). La componente orizzontale della tensione del cavo applica una trazione tangente sul carico, accelerandolo verso est. Al contrario, il cavo tira sulla superficie terrestre, rallentandola molto lievemente. Il processo opposto avviene per i carichi che scendono lungo l'ascensore, aumentando molto lievemente la rotazione della Terra.
Possiamo determinare le velocità orbitali che potrebbero essere ottenute all'estremità della torre (o cavo) di Pearson alta 144.000 chilometri. All'estremità della torre, la velocità tangenziale è di 10,93 chilometri al secondo il che è più che abbastanza per uscire dal campo gravitazionale della Terra ed inviare sonde fino a Saturno. Se ad un oggetto fosse permesso di scivolare liberamente lungo la parte superiore della torre, potrebbe essere ottenuta una velocità abbastanza elevata da uscire completamente dal sistema solare. Questo viene ottenuto scambiando il movimento angolare totale della torre (e della Terra) con la velocità dell'oggetto da lanciare, nello stesso modo con il quale si lancia un sasso con una fionda.
Per velocità superiori, il carico può essere accelerato elettromagneticamente, oppure il cavo può essere esteso, sebbene questo potrebbe richiedere un contrappeso al di sotto dell'orbita geostazionaria in modo da mantenere il centro di gravità della struttura in un orbita geosincrona, e richiederebbe un ulteriore rinforzo del cavo.
[modifica] Tecnologie chiave
La NASA ha identificato "Cinque Tecnologie Chiave per il Futuro Sviluppo dell'Ascensore Spaziale":
- Materiale per il cavo (e.g. nanotubi di carbonio e nanotecnologia) e la torre
- Costruzione e controllo del Cavo.
- Costruzione di strutture elevate.
- Propulsione Elettromagnetica (es.: levitazione magnetica)
- Infrastrutture spaziali e lo sviluppo di una industria spaziale e di una economia spaziale
[modifica] Componenti
Gli ascensori spaziali possono richiedere qualsiasi numero di componenti, a seconda del progetto. Tra quelli che troviamo in quasi ogni progetto ci sono una stazione a terra, un cavo, un climbe r (arrampicatore), ed un contrappeso.
[modifica] Stazione a terra
Il progetto della stazione a terra tipicamente ricade in due categorie: mobile e fissa. Le stazioni mobili normalmente sono grandi vascelli oceanici. Le stazioni fisse sono normalmente posizionate in luoghi a grandi altezze.
Le piattaforme mobili hanno il vantaggio di essere capaci di manovrare in modo da evitare forti venti e tempeste. Mentre le piattaforme fisse non hanno questa capacità, esse hanno di norma accesso a fonti di energia più affidabili e con un costo inferiore, e richiedono un cavo più corto. Mentre la riduzione della lunghezza del cavo può sembrare minima (normalmente non più di pochi chilometri), questo può ridurre in modo significativo lo spessore del cavo al suo centro (specialmente per materiali con una bassa resistenza alla tensione).
[modifica] Cavo
Il cavo deve essere fatto di un materiale che possiede una resistenza alla trazione estremamente elevata (il limite dopo il quale un materiale sottoposto alla trazione si deforma in modo irreversibile). Un ascensore spaziale può essere costruito in modo relativamente economico se può essere prodotto un cavo con una resistenza alla trazione superiore a 100 GPa in grande quantità e ad un prezzo ragionevole; al di sotto di 50 o 60 GPa, il costo diventa astronomico e insostenibile. La maggior parte dei tipi di acciaio ha una resistenza alla tensione inferiore a 1GPa, e l'acciaio più resistente non più di di 5GPa. Il Kevlar ha una resistenza alla tensione di 2,6-4,1 GPa, mentre le fibre di quarzo possono arrivare a più di 20GPa; la resistenza alla trazione dei filamenti di diamante dovrebbe essere solo lievemente superiore in teoria. I nanotubi di carbonio hanno superato tutti gli altri materiali e appaiono avere una resistenza alla trazione teorica che si avvicina all'intervallo di valori richiesto dalla struttura dell'ascensore spaziale, ma la tecnologia per produrli in grandi quantità e produrre il cavo non è ancora stata sviluppata. Mentre teoricamente i nanotubi di carbonio possono avere una resistenza alla tensione superiore a 100GPa, in pratica la più elevata resistenza mai osservata in un nanotubo a parete singola è di 63GPa, e tali tubi mediamente si spezzano tra i 30 e i 50GPa. Anche la più resistente fibra prodotta con i nanotubi probabilmente avrà solo parte della resistenza dei suoi componenti. Ulteriori ricerche sulla purezza e i differenti tipi di nanotubi si spera possano migliorare questi numeri.
La maggior parte dei progetti richiedono nanotubi di carbonio a parete singola. Sebbene i nanotubi con pareti multiple possano ottenere resistenze alla tensione maggiori, essi hanno una massa notevolmente superiore e quindi sono pessime scelte per la costruzione di un cavo. Una possibilità di cui avvantaggiarsi potrebbe essere la proprietà di interconnessione ad alta pressione dei nanotubi di un singolo tipo. Sebbene questo potrebbe causare la perdita di parte della resistenza alla trazione da parte dei tubi, scambiando legami sp2 (grafite, nanotubi) con legami sp3 (diamanti), questo renderebbe possibile tenerli insieme in una unica fibra da qualche cosa di più della solita, debole forza di Van der Waals, e permetterebbe la produzione di fibre di qualsiasi lunghezza.
La tecnologia per filare un cavo partendo dai normali nanotubi tenuti insieme dalla forza di Van der Waals è solo alla sua infanzia: i primi successi nel filare un lungo cavo invece di soli piccoli pezzi lunghi pochi centimetri è stato annunciato solo di recente (Marzo 2004).
[modifica] Arrampicatori
Un ascensore spaziale non può essere un ascensore nel senso tipico del termine (con cavi in movimento) a causa della necessità del cavo di essere significativamente più spesso al suo centro rispetto che alle sue estremità in ogni momento. Sebbene progetti che utilizzano cavi in movimento, segmentati e più brevi, siano stati proposti, la maggior parte dei progetti richiede per l'"ascensore" di arrampicarsi lungo il cavo.
I climbers (arrampicatori) coprono un ampio spettro di progetti. In un progetto di ascensore in cui viene impiegato un cavo a forma di nastro piatto, alcuni hanno proposto di usare una coppia di rulli per trascinarsi su per il cavo utilizzando la frizione. Altri progetti di climber richiedono braccia mobili con ganci, rulli con uncini retrattili, la levitazione magnetica (improbabile a causa dei requisiti del cavo), e numerose altre possibilità.
L'energia è un ostacolo significativo per i climber. La densità di immagazzinamento dell'energia, a meno di significativi progressi nei generatori nucleari compatti, è improbabile che renda possibile immagazzinare l'energia necessaria per un viaggio completo all'interno di un singolo climber senza farlo pesare troppo. Alcune soluzioni richiedono la trasmissione di energia attraverso laser o microonde. Altre soluzioni ottengono parte della loro energia attraverso la rigenerazione dell'energia utilizzando i freni dei climber che scendono e che la trasferiscono ai climber in salita, da freni magnetosferici che riducono le oscillazioni del cavo, attraverso il differenziale di temperatura della troposfera nel cavo, tramite la scarica della ionosfera attraverso il cavo, e altri concetti. I metodi principali per fornire energia ai climber (la trasmissione di energia attraverso laser o microonde) hanno significativi problemi sia di efficienza che di dissipazione del calore in entrambi i casi, sebbene con stime ottimistiche a riguardo delle future tecnologie, siano realizzabili.
I climber devono partire con una frequenza ottimale, in modo da minimizzare l'usura e le oscillazioni a cui il cavo è sottoposto, e massimizzare il carico che è possibile trasportare. Il punto più debole del cavo è nelle vicinanze del punto di attacco al pianeta; di norma, un nuovo climber potrebbe essere lanciato non appena questa zona è libera da altri climber. Un ascensore che gestisca solo carichi in ascesa può gestire un traffico maggiore, ma ha lo svantaggio di non permettere di recuperare l'energia cinetica prodotta dai climber in discesa. Inoltre, dato che uno non può "saltare giù dall'orbita", un ascensore a senso unico richiederebbe un altro metodo, come un razzo convenzionale, per far tornare i carichi e le persone liberandoli dalla loro energia orbitale. Infine, i climber che salgono lungo un ascensore a senso unico e che non ritornano sulla Terra devono essere monouso; se utilizzati, essi dovrebbero essere modulari, così che i loro componenti potrebbero essere usati per altri scopi nell'orbita geosincrona. In ogni caso, dei climber più piccoli hanno il vantaggio di poter avere partenze più frequenti rispetto a quelli più grandi, ma potrebbero imporre delle limitazioni tecnologiche.
[modifica] Contrappeso
Sono stati due i metodi dominanti proposti per risolvere il problema del contrappeso necessario: un oggetto pesante, come un asteroide catturato, posizionato poco oltre l'orbita geosincrona e la possibilità di estendere il cavo stesso ben oltre l'orbita geosincrona. Quest'ultima idea ha guadagnato maggiore supporto negli anni recenti a causa della semplicità dell'operazione e dell'abilità, per un carico, di viaggiare fino alla fine del cavo usato come contrappeso e di essere fiondato fino alla distanza di Saturno (e anche più lontano usando l'effetto fionda della gravità di altri pianeti).
[modifica] Economia
Con ascensori spaziali come questo, i materiali potrebbero essere inviati in orbita ad una frazione del costo attuale. Il costo per raggiungere l'orbita geostazionaria è tra i 10.000$ e i 40.000$ per kg attualmente [2]. Questo non permette di ripagare il costo del capitale investito, come la ricerca e lo sviluppo dei sistemi di lancio (costi di utilizzo e di sostituzione dei sistemi riutilizzabili e i costi di costruzione dei sistemi usa e getta). Per un ascensore spaziale, usando la contabilità equivalente, il costo varia a seconda del progetto. Utilizzando le specifiche del progetto elaborate dal Dr. Bradley Edwards, "il primo ascensore spaziale ridurrebbe i costi di lancio immediatamente a 100$ per libbra" (220$/kg) [3]. I costi di sviluppo potrebbero essere più o meno equivalenti, in dollari attuali, ai costi di sviluppare il sistema Shuttle. I costi marginali di un viaggio consisterebbero solamente nell'elettricità richiesta per sollevare il carico dell'ascensore, la manutenzione e, in un progetto solo per carichi ascendenti (come quello di Edwards), il costo dell'ascensore. Il costo dell'elettricità, dati gli attuali costi della rete elettrica e l'attuale efficienza di laser e pannelli solari (1%) è di $32 per chilogrammo. In aggiunta, potrebbe essere possibile recuperare una parte del costo dell'energia utilizzando degli ascensori che permettano la discesa dei climbers, che genererebbero energia frenando la discesa (come suggerito in alcune proposte), o usando energia generata dalle masse che frenano mentre viaggiano verso l'esterno dall'orbita geosincrona (un suggerimento di Freeman Dyson in una comunicazione privata con Russell Johnston negli anni '80).
Mentre è difficile definire in modo preciso il limite inferiore dei costi della tecnologia missilistica, poche proposte per abbassare i costi a poche migliaia di $ per kg sono state prese seriamente in considerazione e i costi di lancio dei carichi sono rimasti quasi invariati dal 1960 [4]. Sono state proposte anche altre tecnologie non missilistiche che offrono risultati più incoraggianti per il lancio di carichi a basso costo (vedi propulsione spaziale), sebbene poche abbiano un costo limite teorico basso quanto quello di un ascensore spaziale.
Per l'ascensore spaziale l'efficienza del trasferimento dell'energia è spesso un fattore limitante. Nella maggior parte dei progetti il concetto di un cavo superconduttore per trasportare l'energia - anche se incredibilmente leggero - aggiunge centinaia di tonnellate di peso al cavo, rompendolo con facilità. Di conseguenza, il trasferimento di energia attraverso irraggiamento è spesso visto come il solo modo efficiente per trasportare l'energia. Il più efficiente trasferimento di energia senza fili al giorno d'oggi è un sistema di trasmissione che utilizza un raggio laser con dei pannelli fotovoltaici ottimizzati per sfruttare la lunghezza d'onda emessa dal laser. Con la migliore (e più costosa) tecnologia attuale, che possa essere utilizzata, tra perdite dovute all'atmosfera, perdite durante la produzione del raggio laser e le perdite dovute all'assorbimento dei pannelli, l'efficienza è all'incirca dello 0,5%, che produce un costo molto maggiore rispetto a quello base. E se gli arrampicatori non saranno riutilizzabili, i pannelli fotovoltaici più costosi potrebbero non essere utilizzabili.
Le perdite dovute alla diffrazione dell'atmosfera potrebbero essere ridotte attraverso l'uso di una ottica adattiva e le perdite dovute all'assorbimento potrebbero essere ridotte scegliendo un'adeguata lunghezza d'onda. Ma, sebbene le tecnologie dei laser e dei pannelli fotovoltaici stiano progredendo velocemente, non si sa quanto si potrà migliorare rispetto all'attuale efficienza di trasmissione. Inoltre, l'ottimizzazione dei pannelli fotovoltaici, per esempio, si basa tipicamente nel migliorare l'efficienza d'assorbimento di una particolare lunghezza d'onda che potrebbe non combaciare con la lunghezza d'onda del laser più efficiente. I laser più efficienti - con diodi laser, che possono sorpassare il 50% di efficienza - attualmente hanno una scarsa coerenza e potrebbero non essere utilizzati lasciando come opzioni possibili i laser chimici standard con efficienze di pochi punti percentuali o meno. Solo con l'avvento di diodi laser ad alta coerenza, o di una tecnologia simile, un ascensore spaziale può ottenere una più elevata efficienza energetica.
Anche il costo dell'energia da fornire al laser è un fattore limitante. Mentre un punto di ancoraggio sulla terraferma in molti luoghi è in grado di utilizzare l'energia della rete elettrica (con i suoi costi), questa non è una possibilità per una piattaforma oceanica.
Infine, i progetti di climber che salgono soltanto devono rimpiazzare ogni climber completamente o trasportare abbastanza carburante per uscire dall'orbita - un viaggio piuttosto costoso.
Gli ascensori spaziali hanno un elevato costo in capitale investito ma bassi costi operativi, così hanno il massimo vantaggio economico in situazione dove vengono utilizzati per un lungo periodo di tempo per trasportare grandi quantità di carichi. L'attuale mercato dei lanciatori potrebbe non essere grande abbastanza per costruire un ascensore spaziale ma un drammatico calo del costo di lancio in orbita del materiale probabilmente produrrebbe nuovi tipi di attività spaziali che diventerebbero economicamente possibili. In questo condividono molte somiglianze con altri progetti di infrastrutture di trasporto come autostrade e ferrovie.
[modifica] Incidenti possibili
Come in ogni struttura, ci sono molti modi nei quali le cose possono andare storte. Un ascensore spaziale presenterebbe un considerevole pericolo alla navigazione sia di veicoli aerei che spaziali. Gli aerei potrebbero essere gestiti attraverso delle semplici restrizioni del controllo del traffico aereo, ma le astronavi sono un problema molto maggiore. Su un lungo periodo di tempo, tutti i satelliti con un perigeo inferiore all'orbita geostazionaria finiranno per collidere con l'ascensore spaziale, in quanto le loro orbite precessionano intorno alla Terra. La maggior parte dei satelliti attivi sono in qualche modo in grado di manovrare in orbita e potrebbero evitare queste collisioni, ma i satelliti inattivi e gli altri frammenti orbitali dovrebbero essere rimossi preventivamente dall'orbita da degli "spazzini" o dovrebbero essere controllati attentamente e spostati quando la loro orbita si avvicina all'ascensore. Gli impulsi richiesti sarebbero piccoli e dovrebbero essere applicati in modo molto infrequente; un sistema che usi una scopa laser potrebbe essere sufficiente per questo compito.
I meteoriti rappresentano un problema molto più difficile, dato che non sarebbero prevedibili e ci sarebbe molto meno tempo per individuarli e tracciarne la traiettoria verso la Terra. È probabile che un ascensore spaziale soffrirebbe comunque di impatti di qualche genere, non importa quanto attentamente sia protetto. Comunque, la maggior parte dei progetti di un ascensore spaziale richiedono l'utilizzo di cavi multipli paralleli che sono separati tra loro da barre, con un margine di sicurezza sufficiente a far si che se uno o due cavi fossero tagliati, i cavi rimanenti sarebbero in grado di sostenere l'intero peso dell'ascensore mentre le riparazioni vengono eseguite. Se i cavi fossero sistemati in modo adeguato, nessun singolo impatto potrebbe spezzarne abbastanza da impedire ai rimanenti di sostenere la struttura.
Molto peggiori dei meteoroidi sono i micrometeoriti; minuscole particelle ad alta velocità che si trovano ad alte concentrazioni a certe altezze. Evitare i micrometeoriti è praticamente impossibile, e questo assicura che parti dell'ascensore saranno costantemente tagliate. La maggior parte dei rimedi progettati per affrontare questo problema implicano un progetto simile all'hoytether o ad una rete di fili con una struttura piana o cilindrica con due o più fili elicoidali. Creare il cavo come una matassa invece che come un nastro aiuta a prevenire i danni collaterali ad ogni impatto di micrometeoriti.
La corrosione è un grosso rischio, per ogni cavo costruito per essere sottile (cosa richiesta dalla maggior parte dei progetti). Nell'atmosfera superiore, l'ossigeno elementare corrode velocemente la maggior parte degli elementi. Un cavo di conseguenza ha la necessità di essere costituito da materiale resistente alla corrosione o di avere una copertura resistente alla corrosione, aumentandone il peso.
Nell'atmosfera, i fattori di rischio del vento e dei fulmini entrano in gioco. Ci sono poche buone soluzioni, per entrambi questi problemi, differenti dall'evitare le tempeste (come è stato suggerito in alcuni progetti, ottenendolo per mezzo di piattaforme di ancoraggio mobili). Il rischio legato ai fulmini può essere ridotto utilizzando fibre non conduttive con una copertura resistente all'acqua per evitare la formazione di zone di conduzione. Il rischio dovuto al vento può essere diminuito utilizzando fibre con una ridotta area di intersezione e che possano ruotare per ridurre la resistenza.
Infine, un rischio di cedimento strutturale viene dalla possibilità di armoniche di vibrazioni nel cavo. Come le più corte e familiari corde degli strumenti musicali, il cavo dell'ascensore spaziale ha una frequenza di risonanza naturale. Se il cavo è eccitato a questa frequenza, per esempio dallo spostarsi dei climber, l'energia di vibrazione può salire a livelli pericolosi e anche superare la forza di coesione del cavo. Le oscillazioni possono essere sia nel senso della lunghezza che di rotazione del cavo. Questa eventualità può essere evitata con l'uso di sistemi intelligenti di smorzatura lungo il cavo, e organizzando il calendario dei viaggi in ascensore tenendo presente il problema della risonanza. Potrebbe essere possibile smorzare le vibrazioni usando la magnetosfera terrestre, il che produrrebbe energia extra da passare ai climber.
[modifica] In caso di cedimento
Se, nonostante tutte le precauzioni, il cavo si dovesse rompere quello che succederebbe esattamente dipenderebbe dalla posizione del taglio. Se l'ascensore si rompe in corrispondenza del punto di ancoraggio a Terra, la forza esercitata dal contrappeso farebbe volar via l'intero ascensore, ponendolo in un'orbita stabile. Questo succede perché l'ascensore spaziale deve essere tenuto in tensione, con una forza rivolta verso l'esterno superiore a quella di gravità che tira verso l'interno. In caso contrario, ogni carico posto sull'ascensore tirerebbe giù l'intera struttura.
L'altitudine finale dell'estremo inferiore del cavo dipende dalla distribuzione di massa dell'ascensore. In teoria, l'estremo potrebbe essere recuperato e il cavo nuovamente fissato a terra. L'operazione sarebbe comunque molto complessa, richiedendo un delicato aggiustamento del centro di massa del cavo per riportarlo alla superficie terrestre nella località esatta. Potrebbe essere più semplice costruire un nuovo cavo.
Se il punto di rottura si trova ad un'altitudine di 25.000 chilometri o meno, la porzione inferiore dell'ascensore cadrebbe sulla Terra e si avvolgerebbe attorno all'equatore mentre la porzione superiore, ormai sbilanciata, si solleverebbe verso un'orbita superiore. Alcuni autori hanno suggerito che un tale evento sarebbe catastrofico, con migliaia di chilometri di cavo in caduta che crea una linea di distruzione meteorica lungo la Terra. In realtà, un tale scenario è estremamente improbabile, considerando la bassa densità totale del cavo. Il rischio può essere ulteriormente ridotto installando dispositivi di autodistruzione lungo il cavo, rompendolo in sezioni più piccole. Nella maggior parte dei progetti di cavo, la porzione più alta (sopra i 1.000 km) non arriverebbe alla superficie terrestre, perché brucerebbe completamente nell'atmosfera.
Ogni oggetto attaccato all'ascensore, inclusi di climber, rientrerebbero nell'atmosfera. Probabilmente, i climber verranno progettati per sopravvivere comunque a tale evento, come dispositivo di emergenza nel caso si stacchino da un cavo altrimenti integro, cosa che prima o poi accadrà per semplice incidente. Il destino di un oggetto in caduta, indipendentemente dal cavo, dipende dalla sua altezza iniziale: a meno che non si trovi all'altezza dell'orbita geostazionaria, un oggetto su un ascensore spaziale non si troverebbe in un'orbita stabile e perciò, in caso di distacco, se ne allontanerebbe rapidamente. Tale oggetto entrerebbe in un'orbita ellittica le cui caratteristiche dipendono da dove l'oggetto si trovava sull'ascensore al momento del distacco. Più si trovava in basso, più eccentrica sarà l'orbita.
Se l'altezza iniziale dell'oggetto era minore di 23.000 km la sua orbita avrà un apogeo all'altezza corrispondente al distacco e un perigeo all'interno dell'atmosfera terrestre: si troverà nell'atmosfera in poche ore o minuti e la sua orbita verrà frenata e spostata verso il basso finché non cadrà a terra. Sopra l'altitudine di 23.000 km, il perigeo è al di sopra dell'atmosfera terrestre e l'oggetto inizierà ad orbitare in modo stabile. L'ascensore spaziale sarà ormai da tutt'altra parte, ma una navicella spaziale potrebbe essere spedita per recuperare il carico.
Se l'oggetto si stacca all'altezza dell'orbita geostazionaria rimarrà quasi immobile vicino all'ascensore esattamente come in un volo orbitale convenzionale. Ad altezze maggiori l'oggetto si troverà ancora in un'orbita ellittica, questa volta con un perigeo all'altezza del rilascio ed un apogeo più in alto. L'eccentricità dell'orbita aumenta con l'aumentare dell'altezza di rilascio.
Sopra i 47.000 km, un oggetto che si stacca dall'ascensore spaziale possiede una velocità superiore alla velocità di fuga dalla Terra. L'oggetto si dirigerebbe quindi verso lo spazio interplanetario, e se delle persone si trovassero a bordo potrebbe risultare impossibile recuperarle.
Tutte queste altitudini sono calcolate per un ascensore spaziale terrestre, un ascensore spaziale in servizio su un altro pianeta o su un'altra luna avrebbe delle altitudini critiche differenti alle quali ognuno di questi scenari si realizzerebbe.
[modifica] Volontà politica
Uno dei problemi potenziali dell'ascensore spaziale potrebbe essere "chi lo possiede o lo controlla?". Un simile ascensore richiederebbe un investimento significativo (le stime "partono" da circa 5 miliardi di dollari statunitensi per un cavo molto primitivo), e potrebbe essere necessario almeno un decennio per ripagare le spese. Attualmente, solo dei governi sono in grado di spendere questa quantità di denaro nell'industria spaziale.
Presumendo che ci sia un impegno multinazionale per creare una tale opera, ci sarebbe il problema di chi lo userebbe e di quanto spesso lo userebbe, così come di chi sarebbe la responsabilità per la sua difesa dal terrorismo o da stati nemici. Un ascensore spaziale permetterebbe di mettere facilmente in orbita satelliti artificiali, e sta diventando sempre più ovvio che lo spazio è una importante risorsa militare, così che l'ascensore spaziale potrebbe facilmente causare numerosi attriti tra gli stati che potrebbero o non potrebbero usarlo per mettere dei satelliti in orbita. Inoltre, la costruzione di un ascensore spaziale richiederebbe la conoscenza della posizione e della traiettoria di tutti i satelliti terrestri esistenti e la loro rimozione, se non possono evitare l'ascensore in modo adeguato.
Un primo ascensore potrebbe essere utilizzato per sollevare in breve tempo il materiale necessario per costruire altri ascensori simili, ma come questo possa avvenire e in che modo i successivi ascensori verranno utilizzati dipende da quanto saranno disponibili i possessori del primo ascensore di lasciare qualsiasi monopolio possano aver guadagnato sull'accesso allo spazio. Comunque, una volta che le tecnologie verranno sviluppate e utilizzate, non ci potrà essere nulla da fare tranne una messa al bando internazionale sostenuta da una serie di conseguenze che impedirebbero ad altre nazioni o compagnie di sviluppare i propri ascensori nello stesso modo con il quale la nazione o la compagnia originale hanno costruito i loro.
Gli ascensori spaziali (quale che sia il loro progetto) sono di per sé strutture estremamente fragili ma con un valore militare considerevole che sarebbero immediatamente un obiettivo in ogni conflitto di grandi dimensioni con uno stato che ne controllasse uno. Di conseguenza missili convenzionali (o altre tecnologie di lancio simili) probabilmente continuerebbero ad essere utilizzate per fornire un modo alternativo per raggiungere lo spazio.
[modifica] Altri sistemi e tipi di ascensore e cavi spaziali
Un altro tipo di ascensore che non necessita di materiali con una elevata resistenza alla tensione per mantenersi è la fontana spaziale, una torre supportata dall'interazione di un flusso ad alta velocità di particelle magnetiche accelerate verso l'alto e il basso attraverso la torre da degli acceleratori magnetici. Dato che una fontana spaziale non si trova in orbita, diversamente da un ascensore spaziale, essa può avere qualsiasi altezza ed essere piazzata a qualsiasi latitudine. Inoltre diversamente dagli ascensori spaziali, la fontana spaziale richiede una fonte di energia costante per rimanere sollevata.
Ancora la propulsione a cavi è un possibile metodo per lanciare navi spaziali in una orbita planetaria.
[modifica] Ricerca e progetti
Recentemente l'Ames Research Center della Nasa ha indetto una gara per la costruzione di robot arrampicatori, che ha visto scontrarsi dieci squadre di ingegneri canadesi e statunitensi, nel tentativo di aggiudicarsi un premio di ben 50 mila dollari destinato al team scientifico capace di costruire arrampicatori che riusciranno a spostarsi alla velocità di un metro al secondo, arrampicandosi su un sottile cavo di nanotubi al carbonio lungo sessanta metri.
[modifica] Analogie storiche
Arthur C. Clarke paragonò il progetto di ascensore spaziale allo sforzo di Cyrus Field di costruire il primo cavo telegrafico transatlantico, "il progetto Apollo della sua era" [5].
[modifica] Narrativa
Nota: Alcune descrizioni sono state fatte prima che il concetto di ascensore spaziale fosse conosciuto.
- Jack e la pianta di fagioli, fiaba
- Le fontane del Paradiso (The Fountains of Paradise, 1979), racconto di Arthur C. Clarke
- Mystery Science Theater 3000, serie televisiva "The Umbilicus"
- The Web Between the Worlds, racconto di Charles Sheffield
- Ascensore per la Luna (Jumping Off the Planet, 2000) e Prima fermata: Luna (Bouncing Off the Moon, 2001), romanzi di David Gerrold
- The End of the Empire, racconto di Alexis A. Gilliland
- Trilogia di Marte: Red Mars, Green Mars, Blue Mars, racconti di Kim Stanley Robinson
- Star Trek - Voyager episodio "Rise"
- Alita l'angelo della battaglia (Gunnm), manga di Yukito Kishiro
[modifica] Videogiochi
L'ascensore spaziale compare come meraviglia nello strategico a turni Civilization: Call to Power e ritorna nel recente (2005) Civilization IV come grande meraviglia. Nel primo caso crea una colonia orbitale, verso la quale è possibile inviare uomini e materiali evitando l'inquinamento atmosferico dei vettori tradizionali; nella seconda velocizza la produzione di un'astronave (facilitando anche qui il trasporto in orbita, si suppone).
[modifica] Collegamenti e riferimenti
[modifica] Animazioni
- Guarda un'animazione di un ascensore spaziale Windows Media Video (WMV) file - Institute for Scientific Research
- Scarica l'animazione dell'ascensore spaziale Windows Media Video (WMV) file - Institute for Scientific Research
[modifica] Bibliografia
- Edwards BC, Westling EA. The Space Elevator: A Revolutionary Earth-to-Space Transportation System. San Francisco, USA: Spageo Inc.; 2002. ISBN 0972604502.
[modifica] Collegamenti esterni
- Un ascensore per lo spazio di KEVIN KELLEHER su Wired Magazine
- A che punto siamo con l'ascensore spaziale della NASA? su Interfree
- Sempre più concreto un progetto di ascensore spaziale su Newton
- Un ascensore per le stelle su Il Notiziario Astronomico
- (EN) The Space Elevator: 3rd Annual International Conference June 28-30, 2004 in Washington, D.C.
- (EN) Space elevator, Institute for Scientific Research guidato da Bradley Edwards
- (EN) LiftPort Group - The Space Elevator Companies fondato da Michael Laine
- (EN) The Space Elevator Reference
- (EN) The Space Elevator Reference - Books, Documents and References
- (EN) LiftWatch.org - Space Elevator News
- (EN) The Space Elevator Comes Closer to Reality. Una panoramica di Leonard David di space.com, pubblicata il 27 marzo 2002.
- (EN) Yahoo! Groups: The Space Elevator. Una mailing list per discussioni sull'ascensore spaziale.
- (EN) http://www.spaceelevatorstore.com/
- (EN) http://www.robotstore.com/search.asp?keyword=space+elevator
- (EN) To the Moon in a Space Elevator? (February 4, 2003 Wired News)
- (EN) Liftoff (teenage education): Space Towers
- (EN) Audacious & Outrageous: Space Elevators
- (EN) Ziemelis K. "Going up". In New Scientist 2001-05-05, no.2289, p.24-27. Ripubblicato in SpaceRef. Titolo della pagina: "The great space elevator: the dream machine that will turn us all into astronauts".
- (EN) "The Political Economy of Very Large Space Projects" HTML PDF, John Hickman, Ph.D. Journal of Evolution and Technology Vol. 4 - Novembre 1999.
- (EN) The Space Elevator rapporto al NIAC del Dr. Bradley C. Edwards
