Un ascensore spaziale è una
struttura tecnologica, la cui realizzazione è tuttora oggetto di
complessi studi di fattibilità, la quale, se realizzata, avrebbe la
capacità di trasportare uomini e/o mezzi dalla superficie della
Terra direttamente nello spazio senza usare la propulsione a razzo.
Benché il concetto di ascensore spaziale possa genericamente essere
applicato a qualsiasi pianeta o satellite con una sufficiente forza
di gravità, è sulla Terra che la sua realizzazione permetterebbe un
suo più proficuo utilizzo nonché un significativo ritorno
economico: infatti, oltre al più intuitivo trasporto di materiali o
di personale nello spazio, un ascensore potrebbe essere usato,
sfruttando la forza centrifuga dovuta alla velocità angolare della
sua sommità, per lanciare oggetti nello spazio a fini ricognitivi o
esplorativi senza dover mettere in opera razzi vettori; potrebbe
essere utilizzato altresì per rilasciare satelliti artificiali a
vari livelli dell'orbita.
Esistono diverse varianti di ascensore
spaziale, tutte accomunate dal fatto che, a differenza di un
ascensore tradizionale, non è il cavo che traina la cabina, ma è
quest'ultima a muoversi lungo il cavo, il quale fa da guida e
sostegno; inoltre, laddove in un ascensore classico il contrappeso
svolge la funzione di equilibrare il carico della cabina, muovendosi
nel verso opposto a quest'ultima, nell'ascensore spaziale esso ha la
funzione di tenere il cavo guida teso; per tale ragione un
contrappeso dovrebbe trovarsi all'estremità superiore del cavo, ben
oltre l'altitudine di orbita geostazionaria (35876 km), in modo tale
che la sua forza centrifuga superi quella di gravità. Inoltre, è
comunemente assodato che il cavo in partenza dalla Terra dovrebbe
essere a questa ancorato in prossimità dell'Equatore, al fine di
assicurare al contrappeso la massima forza centrifuga possibile per
tenere il cavo guida in tensione.
Varie, e nessuna finora decisiva, sono
altresì le teorie su come dovrebbe essere realizzato il cavo: la
scelta del materiale e la tecnologia di produzione dello stesso
chiamano in causa calcoli complessi circa la resistenza al carico,
quella alla pressione, eventuali modelli che cerchino di prevedere il
comportamento del cavo sotto il suo stesso peso; irrisolta è anche
la questione su come la cabina (detta climber, "scalatore")
dovrebbe essere alimentata, in quanto, essendo improbabile l'utilizzo
di un cavo in materiale conduttore di elettricità, essa dovrebbe
reperire la fonte di energia necessaria durante il tragitto di
ascesa.
La paternità del concetto viene
ascritta al russo Konstantin Ciolkovskij che, a fine XIX secolo,
teorizzò una torre autoportante — da allora chiamata Torre di
Ciolkovskij — che dalla base sulla Terra avesse la sommità al
limite dell'orbita geostazionaria. Oggi un eventuale ascensore
vedrebbe gran parte della propria massa concentrata alla sommità
piuttosto che alla base.
Cenni storici
I prodromi di quello che può essere
considerato un ascensore spaziale risalgono al 1894: in tale data, il
fisico e scienziato russo Konstantin Ciolkovskij, insegnante a San
Pietroburgo, nel suo saggio dal sapore fantascientifico Sogni
sulla Terra e sul cielo si ispirò alla Torre
Eiffel per ipotizzare un'analoga struttura a base molto larga
capace di raggiungere il limite dell'orbita geostazionaria; una volta
alla sommità della torre, un qualsiasi oggetto in movimento sincrono
con essa avrebbe avuto una velocità angolare sufficiente a sfuggire
all'attrazione terrestre e a essere lanciato nello spazio.
Lo stesso Ciolkovskij, tuttavia, che
aveva calcolato diverse variabili gravitazionali quali il punto di
equilibrio tra la forza centrifuga e quella gravitazionale
(all'origine del concetto di quota geostazionaria), riconobbe come
fisicamente irrealizzabile una torre come quella che aveva teorizzato
nella sua opera: in effetti un qualsiasi manufatto capace di
raggiungere l'altezza di circa 36000 km dovrebbe anche prevedere un
diametro di base dell'ordine delle decine, se non delle centinaia, di
km; anche non volendo prendere in considerazione l'implausibilità e
la difficoltà di realizzazione di un'opera di tali dimensioni, è
altamente probabile, non esistendo allo stato attuale alcun materiale
con una resistenza alla compressione atto a sostenere una struttura
del genere, che essa collasserebbe sotto il suo stesso peso.
Nel 1957 uno scienziato sovietico, Yuri
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 verrebbe abbassato dall'orbita geostazionaria
fino alla superficie della Terra, mentre il contrappeso verrebbe
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 35.000km è
tuttavia un'impresa non facile. Nel 1966 quattro ingegneri
statunitensi svolsero uno studio sul tipo di materiale adatto per
costruire un cavo portante, presumendo che la sua sezione fosse
uniforme su tutto il percorso. Essi trovarono che il carico di
rottura necessario avrebbe dovuto essere il doppio di quello di
qualunque materiale esistente, inclusi grafite, quarzo e diamante.
Nel 1975 lo 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 avrebbe dovuto essere esteso lentamente verso
l'esterno, fino a 144.000 km (poco più di un terzo della
distanza tra Terra e Luna) mentre la sezione inferiore della torre
veniva costruita. Senza un grosso contrappeso, la porzione superiore
della torre avrebbe dovuto 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
lungo il cavo portante. Il 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 a un pubblico più ampio nel suo romanzo del
1979, 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
ispirata al Picco di Adamo nello Sri Lanka).
David Smitherman della NASA/Marshall's
Advanced Projects Office ha pubblicato Space Elevators: An
Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium,
basato sulle scoperte pubblicate durante una conferenza sulle
infrastrutture spaziali tenuta al Marshall Space Flight Center
nel 1999.
Lo scienziato americano Bradley Edwards
ha suggerito 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 prevedere 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 richiederebbero una fibra
composta da nanotubi di carbonio legati da una resina epossidica, con
un carico di rottura minimo 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 legata con
la resina epossidica - indicano che la massima resistenza realmente
misurata in laboratorio è pari a 63 GPa, equivalente circa alla
trazione di 6300 kg (in peso) per millimetro quadrato di
sezione.
Riuscire a trasferire la resistenza
delle microstrutture di laboratorio a manufatti più grandi, portando
le dimensioni della struttura a metri, chilometri o anche migliaia di
chilometri, è poi estremamente problematico, anche considerando che
la possibilità di disastrosi difetti micro o macro strutturali è
molto elevata, perlomeno nella situazione attuale.
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 un'orbita, dove le forze
gravitazionali e rotatorie si bilanciano. Il cavo punterebbe o in
direzione della Terra (per il punto L1), oppure nella direzione
opposta alla 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 necessaria a
supportare il cavo stesso contro la gravità lunare. Senza un
contrappeso il cavo "L1" dovrebbe essere lungo 291.901 km
e il cavo "L2" dovrebbe essere lungo 525.724 km.
Considerando che la distanza tra la Terra e la Luna è di 351.000 km,
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.
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 sì 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.
È possibile determinare le velocità
orbitali che potrebbero essere ottenute all'estremità della torre (o
cavo) di Pearson alta 144.000 km. All'estremità della torre, la
velocità tangenziale è di 10,93 km/s il che è più che
sufficiente per sfuggire 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.
Tecnologie chiave
La NASA ha identificato "Cinque
tecnologie chiave per il futuro sviluppo dell'ascensore spaziale":
- Materiale per il cavo (es. 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
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 climber (arrampicatore), ed un
contrappeso.
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).
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
1 GPa, e l'acciaio più resistente non più di 5 GPa. Il
kevlar ha una resistenza alla tensione di 2,6-4,1 GPa, mentre le
fibre di quarzo possono arrivare a più di 20 GPa; 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 100 GPa, in pratica la
più elevata resistenza mai osservata in un nanotubo a parete singola
è di 63 GPa, e tali tubi mediamente si spezzano tra i 30 e i
50 GPa. 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 possa
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 nel marzo 2004.
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 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 l'attrito. 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 al 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.
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).
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 $/kg e i 40.000$/kg attualmente. 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 $/lb" (220 $/kg). I costi di sviluppo potrebbero essere
più o meno equivalenti, in dollari attuali, ai costi necessari per
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 $/kg. 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
ottanta).
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 dollari per
chilogrammo sono state prese seriamente in considerazione e i costi
di lancio dei carichi sono rimasti quasi invariati dal 1960. Sono
state proposte anche altre tecnologie non missilistiche che offrono
risultati più incoraggianti per il lancio di carichi a basso costo,
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.
Possibili incidenti
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 sono soggette a precessione 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 "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 meteoroidi rappresentano un problema
molto più difficile, dato che non sono 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 sì 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.
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 rompesse
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 km 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 i 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.
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 un'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.
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
accelerate verso l'alto e il basso attraverso la torre da
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.
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
50 000 dollari destinato al team scientifico capace di costruire
arrampicatori in grado di spostarsi alla velocità di un metro al
secondo, arrampicandosi su un sottile cavo di nanotubi al carbonio
lungo sessanta metri.
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".
