Løft meg opp

UNDER RADAREN: Drømmen om romheisen henger i en sterk tråd.

Publisert
Her trengs et langt snøre. (Foto: NASA)
Her trengs et langt snøre. (Foto: NASA)

Blipp som glapp


 

I denne kommentarspalten flyr forskning.nos journalist Arnfinn Christensen lavt under nyhetsradaren og kretser over grenselandet mellom naturvitenskap og filosofi.

Astronautene på den internasjonale romstasjonen må ha tenkt tanken: Hva om jeg slengte ut snøret for å heise opp en fersk fisk til middag fra det blå havet, langt der nede?

Hvor langt måtte snøret kastes? Litt over 410 kilometer. Så høyt går romstasjonen.

Hvor raskt måtte astronauten gitt ut slakk for å holde duppen i ro på havflaten? 27 744 kilometer i timen. Så fort går romstasjonen over hav og land.

Hvis astronauten fikk fast fisk, ble neste utfordring: Hvordan heise den om bord?

To utfordringer

Trolig måtte astronauten tåle enhver sportsfiskers forsmedelse: Snøret ville røket.

Ikke fordi fisken bakset så heftig. Snarere fordi snøret ikke ville klart å bære sin egen vekt.

Med denne ultimate fiskerskrønen har vi hektet kroken i to store utfordringer: Farten til fiskeren, og styrken på snøret. De må løses før vi kan hale den ultimate fangsten opp i verdensrommet: oss selv.

Himmelsk lokomotiv

Drømmen om å hale seg opp i rommet begynner å bli gammel. Den russiske ingeniøren Jurij Artsutanov lanserte idéen i 1960, i en artikkel med den malende tittelen: Ut i rommet ved hjelp av et elektrisk lokomotiv.

Lokomotivet skulle i så fall dradd en kabelbane. Artsutanov var en av de første som fikk idéen om romheisen.

Heisekabelen ville ikke dra heisen etter seg, som på en vanlig kabelbane. Kabelen skulle henge fast.

Heisen måtte kravle seg oppover for egen kraft. Med andre ord: Et himmelsk lokomotiv.

Fremtidig romheis. (Foto: (Illustrasjon: NASA MSFC, Artist Pat Rawling))
Fremtidig romheis. (Foto: (Illustrasjon: NASA MSFC, Artist Pat Rawling))

Lengre ut er langsommere

Hvordan ville Artsutanov løse de to store utfordringene vi har fisket fram: farten og styrken på snøret?

Romstasjonen går for fort rundt jordkloden. Det gjør også de fleste romskip. Å heise noe opp, ville bli som å fiske fra en racerbåt.

Men hva skjer med farten hvis vi sender romskipet opp i en høyere bane?

Romskipet går i bane fordi sentrifugalkraften akkurat oppveier tyngdekraften fra jorda. Da vil romskipet verken falle ned eller bli slynget ut mot stjernene.

Jo høyere vi kommer, desto lengre vekk fra jorda er vi. Jo lengre vekk fra jorda, desto svakere blir tyngdekraften.

Jo svakere tyngdekraft, desto mindre sentrifugalkraft behøves for å balansere tyngdekraften. Altså trengs lavere fart.

Geostasjonær

I en høyde av 36 000 kilometer over bakken skjer noe merkelig: Romskipet får en fart på bare 11 000 kilometer i timen.

Da går romskipet en gang rundt jorda i døgnet. Hvis det går over ekvator, vil det bevege seg like fort som bakken eller havet under.

Sett fra jorda, vil romskipet tilsynelatende stå stille, samme sted på himmelen. Banen kalles en geostasjonær bane.

Satellitter i geostasjonær bane er svært praktiske. Vi kan ta inn fjernsynssendinger, uten å måtte svinge på parabolantennene hele tida.

Firer ned kabel

Artsutanov ville plassere endestasjonen til sin himmelske kabelbane i selskap med TV-satellittene, i geostasjonær bane.

Så ville han fire kabelen 36 000 kilometer nedover, helt til den andre endestasjonen nede på jorda.

Øvre endestasjon henger tilsynelatende stille, loddrett over den nedre. Kabelen forbinder dem.

Motvekt halvveis til månen

Oppdrag utført? Nei, vent litt! Kabelen ville være tung. Den ville dra satellitten nedover.

Artsutanov hadde tenkt på det også. Han ville la kabelen fortsette videre utover, forbi endestasjonen i rommet, med en motvekt i enden.

Det betyr at kabelen blir enda mye lengre. En beregning plasserer motvekten hele 144 000 kilometer ute. Det er nesten halve avstanden til månen.

Nå merker vi hvordan andre utfordringen tynger oss ned: Hvordan lage kabelen sterk nok?

Sterk, sterkere …

En jevnt tykk stålkabel vil briste under sin egen vekt når den er bare 11 kilometer lang. Og det hjelper ikke å gjøre den tykkere. Da blir den jo også tyngre.

En kabel av karbonfiber vil klare seg bedre. Den vil holde helt til den er blitt 300 kilometer lang. Men ennå er vi langt unna de nødvendige 144 000 kilometrene.

En kabel laget av det sterkeste stoffet vi kjenner med dagens teknologi, nanorør av karbonatomer i sekskantmønster, vil klare nesten 3600 kilometer før den ryker under sin egen vekt. Men ennå er det langt igjen.

Tykk på midten

Artsutanov kjente ikke til nanorør, men han forstod problemet. Og han hadde en løsning: Gjør kabelen tykkest på midten!

Belastningen på kabelen er jo størst på midten, ved endestasjonen i geostasjonær bane. Der drar tyngdekraften nedover og motvekten utover med full kraft.

Ytterst ved bakken og ved motvekta er strekkkraften mye mindre. Her kan altså kabelen være tynnere.

Dermed blir den totale vekten av kabelen også lavere, og maksimal belastning går ned. Denne løsningen er faktisk ganske genial. Rent teoretisk gjør den romheisen mulig, selv med en helt vanlig kabel av stålwire.

Altfor tykk

Men akk, hvor lenge var Adam i geostasjonær bane? Hvis kabelen skulle holdt vanlig tykkelse nede ved jorda, måtte den vært svært mye tykkere der oppe.

Så tykk faktisk, at vi måtte brukt all materie i hele universet. Likevel ville vi fått for lite. Og universet er ikke laget av rustfritt stål.

Hva med karbonfiber, da? Da kunne vi klart å bygge kabelen. Den måtte riktignok vært tre millioner ganger tykkere på midten enn i enden, og vi måtte hatt like mye karbon som massen til månen.

På tide å utruste en ekspedisjon til en av de supermassive stjernene av rent kull som finnes et sted der ute i ginnungagapet?

Nanorør

Vårt siste håp er nanoteknologiens superstoff, karbonatomer i sekskantet mønster, som hønsenetting. Hvis hønsenettingen krummes til rør, kalles de karbon nanorør.

Karbon nanorør er fire ganger lettere og hundre ganger sterkere enn stål. En kabel av sammenhengende nanorør trengte ikke å være mer enn fire ganger tykkere på midten enn på endene.

Da ville den fått en masse omtrent som Golden Gate-brua i San Fransisco. Mye, men ikke utenkelig mye.

For korte

Likevel, ingen klarer å lage en slik nanokabel i dag. Vi kan riktignok dyrke nanorør med forskjellige metoder, men de fleste er korte stubber på noen millimeter.

Med andre ord: Et stykke igjen til 144 000 kilometer. Med mindre man kveiler de små stumpene sammen.

Problemet er da at styrken går ned. Stumpene kan rives fra hverandre. Kabelen ryker. Vi er like langt - eller kort.

Slyngen og flyet

Mens vi venter på det store teknologiske gjennombruddet for kilometerlange nanorør, er det mange gode idéer om kompromisser og nest best-løsninger som myldrer.

Noen av dem finner vi på NASAs tenketank for ville, men seriøse idéer: NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

Forslag til kombinasjon av hypersonisk fly som overfører last i 100 kilometers høyde til en slynge, som frakter den videre opp og gir den fart, slik at den går i bane rundt jorda. (Foto: (Illustrasjon: Thomas J. Bogar, McDonnell Douglas Corporation/NASA))
Forslag til kombinasjon av hypersonisk fly som overfører last i 100 kilometers høyde til en slynge, som frakter den videre opp og gir den fart, slik at den går i bane rundt jorda. (Foto: (Illustrasjon: Thomas J. Bogar, McDonnell Douglas Corporation/NASA))

En av dem går ut på å sende et superraskt jetfly opp i de aller høyeste luftlagene. Her blir lasten fanget opp av en roterende kabelslynge som går i bane rundt jorda.

Slyngen slipper lasten løs i det høyeste punktet. Farten til slyngen vil gi lasten stor nok fart til å gå i bane rundt jorda.

Slike slynger er korte nok til å holde, selv med materialer vi kan lage i dag.

Fra jorda til månen

Et annet forslag går ut på å kombinere flere slike slynger i ulike høyder over jorda, og rundt månen.

Ferske forsyninger sendes i en slyngestafett opp til månen, og store mengder grønn ost slynges ned igjen.

Det siste var naturligvis en fleip. Månen kan faktisk bli en verdifull råvarekilde i framtida, blant annet for stoffet Helium-3, som er 120 gaanger verd sin vekt i gull.

Helium-3 kan bli et viktig råstoff i framtidas fusjonsreaktorer.

Fusjonsvits

På dette tidspunktet kan jeg nesten høre den kyniske humringen fra all jordens skeptikere. Fusjonsenergi er også en av menneskets fjerne, teknologiske drømmer.

Hvis vi mestrer fusjonsprosessene som får sola til å lyse, har vi løst jordas energiproblemer en gang for alle.

Problemet er bare at det er tilnærmet umulig å gjenskape forholdene i solas indre.

En stående vits er: Fusjonsenergi er femti år inn i framtida, og det vil den alltid være.

Når latteren stilner

Retro-romheis fra multimedia-produksjonen Romheisen. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Retro-romheis fra multimedia-produksjonen Romheisen. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Humringen stiger til uhemmet knegging. Er vitsen overførbar til drømmene om romheisen?

Science-fictionforfatteren Arthur C. Clarke spredte idéen om romheisen til et bredt publikum i romanen The Fountains of Paradise i 1979.

Han ble en gang stilt til veggs av en skeptisk journalist med spørsmålet: Når tror du at du vil ha din elskede romheis?

- Vi vil ha romheisen ti år etter at alle har sluttet å le, lød det lakoniske svaret.

… sterkest

Latteren kan kanskje forstumme. Allerede i 2009 klarte forskere ved Universitetet i Peking å dyrke nanorør som var hele 18,5 centimeter lange.

Med så lange nanorør, vil ikke bare skjøtene bli sterkere når nanorørene tvinnes sammen til større lengder.

Hold dere fast: Den sammentvinnede kabelen kan få en styrke som overgår styrken til parallelle, sammenhengende nanorør.

Google på saken?

Med andre ord: Det er på tide å trykke på knappen og vente på romheisen.

Det er flere enn meg som venter utålmodig. De har også mye større ressurser og kunnskap.

The International Space Elevator Consortium (ISEC) arrangerer en konkurranse om den sterkeste heisekabelen, Strong Tether Challenge 2013.

Konsortiet skal også ha en stor konferanse om romheiser i Seattle seinere i år.

Det ryktes også at firmaet Google arbeider med å utvikle romheisen i sitt hemmelige laboratorium Google X, som skal ligge et sted i området rundt San Fransisco-bukten.

Jeg har en kriblende følelse av at romheisen kommer, selv om det kan ta tid.

Og de som venter sammen med meg på romheisen, kan gjerne få prøve min liksom-versjon.

Jeg laget den for noen år siden, utålmodig som jeg var etter å krabbe inn i den ekte saken og la meg løfte til nye høyder og utsikter.

Lenker:

Why Don't We Have Space Elevators Yet? Jillian Scharr, artikkel på nettstedet space.com

The International Space Elevator Consortium (ISEC)

2013 Space Elevator Conference, Museum of Flight, Seattle

The Space Elevator Blog, drevet av privatperson, Ted Semon

Space Elevators An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium Compiled by D.V. Smitherman, Jr. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama

The Space Elevator, Bradley C. Edwards, NASA/NIAC 2000

Bogar, Thomas J: Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System, NIAC/NASA 1999

Hoyt, Robert P: Tether Transport System for LEO-MEO-GEO-Lunar Traffic, NIAC/NASA 1999

Xueshen Wang et.al: Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates, Nano Letters, 3. august 2009, 9 (9), pp 3137–3141 DOI: 10.1021/nl901260b

Romheisen, multimedieproduksjon