هل يستطيع البشر بناء برج طويل أو حبل عملاق للوصول إلى الفضاء؟

رائد الفضاء روي ماكبرايد ينظر إلى الأرض في بداية فيلم الخيال العلمي الجديد Ad Astra . إنها ليست وجهة نظر غير عادية بالنسبة له. يقوم بأعمال ميكانيكية فوق هوائي فضائي دولي. يمتد هذا الهيكل المغزلي نحو النجوم. ولكن هذا اليوم ، توقف منظر ماكبرايد الجميل بسبب انفجار دفعه بعيدًا عن الهوائي. انهار من سواد الفضاء باتجاه الأرض حتى تفتح مظلته ، مما يبطئ هبوطه.

في الفيلم ، يبدو الهوائي الفضائي وكأنه أنابيب مكدسة على أنابيب تصل إلى الفضاء. لكن هل يستطيع أي شخص بناء شيء بهذا الطول؟ وهل يمكن للناس بالفعل الصعود من الأرض إلى الفضاء؟

أمر صعب

لا يوجد خط محدد بين الأرض والفضاء. حيث يبدأ الفضاء يعتمد على من تسأل. لكن معظم العلماء يتفقون على أن الفضاء يبدأ في مكان ما بين 80 و 100 كيلومتر (50 و 62 ميلاً) فوق سطح الأرض.

بناء برج نحيف بهذا الارتفاع غير ممكن. يعرف أي شخص قام بتجميع برج من Legos أنه في مرحلة ما لن يكون الهيكل قويًا بما يكفي لتحمل وزنه. تميل في النهاية إلى الجانب ، قبل أن تتحطم وتتناثر أحجارها. الإستراتيجية الأفضل هي بناء شيء مثل الهرم الذي يضيق كلما كبر في الارتفاع.

لكن حتى لو تمكنا من بناء برج بهذا الارتفاع ، فستكون هناك مشاكل ، كما يقول ماركوس لاندجراف. إنه عالم فيزياء في وكالة الفضاء الأوروبية. يوجد مقره في نوردفيك بهولندا. يقول إن البرج الذي يمكن أن يصل إلى الفضاء سيكون ثقيلًا للغاية بحيث لا تستطيع الأرض دعمه. قشرة الأرض ليست عميقة جدًا. يبلغ متوسطها حوالي 30 كيلومترًا (17 ميلاً) فقط. والعباءة أدناه إسفنجية بعض الشيء. ستندفع كتلة البرج بقوة على سطح الأرض. يقول لاندغراف:"سيخلق ذلك حفرة في الأساس". ويضيف:"ستستمر في القيام بذلك على مدى آلاف السنين. سوف تذهب أعمق وأعمق. لن تكون جميلة ".

لذا ابتكر الفيزيائيون حلاً آخر - حل يقلب نهج البرج رأساً على عقب. اقترح بعض العلماء تعليق شريط في مدار الأرض وتدلي نهايته على السطح. ثم يمكن للناس أن يصعدوا إلى الفضاء بدلاً من أن ينفجروا بالصواريخ.

الصعود

هذا المفهوم يسمى "مصعد الفضاء". إنها فكرة طرحها عالم روسي لأول مرة في أواخر القرن التاسع عشر. منذ ذلك الحين ، ظهرت مصاعد الفضاء في العديد من حكايات الخيال العلمي. لكن بعض العلماء يأخذون الفكرة بجدية.

للبقاء في المدار ، يجب أن يكون المصعد أطول بكثير من 100 كيلومتر - أكثر من 100000 كيلومتر (62000 ميل). هذا ما يقرب من ربع المسافة من سطح الأرض إلى القمر.

يجب أن تكون نهاية الشريط العملاق الذي يتأرجح حول الكوكب في مدار متزامن مع الأرض. هذا يعني أنه يظل في موضعه فوق نفس البقعة على سطح الأرض ويدور بنفس سرعة الأرض.

"الطريقة التي تبقى بها هناك هي نفسها تمامًا كما لو أنك وضعت حجرًا في نهاية خيط وقمت بقذفه حول رأسك. هناك قوة هائلة - قوة الطرد المركزي [Sen-TRIF-uh-gul] - تسحب الصخور إلى الخارج ، "يوضح بيتر سوان. سوان هو مدير الاتحاد الدولي لمصاعد الفضاء. يوجد مقره في Paradise Valley ، Ariz. المجموعة تروج (كما خمنت ذلك) لتطوير مصعد فضائي.

تمامًا مثل الصخرة الموجودة على الخيط ، يمكن أن يساعد الثقل الموازن في نهاية مساحة المصعد في الحفاظ على تعليمه. ولكن ما إذا كانت هناك حاجة إلى واحد سيعتمد على وزن الحبل وطوله.

يعمل Swan وأعضاء ISEC الآخرين على جعل المصعد الفضائي حقيقة واقعة لأنه قد يجعل من الأسهل والأرخص إرسال الأشخاص والمعدات إلى الفضاء. يقدر سوان أنه سيكلف اليوم حوالي 10000 دولار لإرسال رطل من الأشياء إلى القمر. ولكن مع وجود مصعد فضائي ، كما يقول ، قد تنخفض التكلفة إلى ما يقرب من 100 دولار للرطل.

المحطة التالية:مسافة

لمغادرة الكوكب ، يمكن لمركبة تسمى المتسلق أن تعلق على الشريط. سوف يمسك الشريط على كلا الجانبين بزوج من العجلات أو الأحزمة ، مثل جهاز الجري. كانوا يتحركون وسحب الناس أو البضائع على الشريط. قد تفكر في الأمر ، كما يقول برادلي إدواردز ، على أنه "في الأساس مثل سكة حديد عمودية". إدواردز فيزيائي مقيم في سياتل ، واشنطن. كتب تقارير لوكالة ناسا في عامي 2000 و 2003 حول احتمالية تطوير مصاعد فضائية.

يقول إدواردز إن الإنسان يمكن أن يصل إلى مدار حول الأرض في حوالي ساعة. قد يستغرق السفر إلى نهاية الحبل أسبوعين.

يقول إدوارد:"تدخلها وبالكاد تشعر أنها تتحرك ... سيكون نوعًا ما مثل المصعد العادي". ثم سترى محطة الإرساء ، حيث يتم ربط الشريط بالأرض ، يسقط بعيدًا. قد تبدأ ببطء ، لكن المصعد يمكن أن يصل إلى سرعات تتراوح بين 160 إلى 320 كيلومترًا في الساعة (100 إلى 200 ميل في الساعة).

سيتغير المشهد من مشاهدة السحب والبرق فوق سطح الأرض إلى رؤية منحنى الأرض. ستجتاز محطة الفضاء الدولية. يقول إدواردز:"بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى [مدار] متزامن مع الأرض ، يمكنك رفع يدك وتغطية الأرض".

لكن ليس عليك التوقف عند هذا الحد. نظرًا للطريقة التي يتم بها تحريك نهاية المصعد ، يمكنك استخدامه لتقذف نفسك إلى كوكب آخر. هذا مثل تأرجح حجر على خيط حول رأسك. إذا تركت الخيط ، فإن الصخرة تتطاير. يقول إدواردز:"نفس الشيء يعمل مع مصعد الفضاء". في هذه الحالة ، يمكن أن تكون الوجهة القمر أو المريخ أو حتى كوكب المشتري.

غزل الغزل

قد يكون التحدي الأكبر لبناء مصعد فضائي هو الحبل الذي يبلغ طوله 100000 كيلومتر. يجب أن تكون قوية بشكل لا يصدق للتعامل مع قوى الجاذبية وقوى الطرد المركزي التي تسحبها.

لن يصلح الفولاذ المستخدم في المباني الشاهقة لكابل مصعد فضائي. ستحتاج إلى كتلة من الفولاذ أعلى من الكتلة الموجودة في الكون ، كما أشار Landgraf في حديث TEDx لعام 2013.

يقول العلماء:الجرافين

بدلاً من ذلك ، يبحث الفيزيائيون عن الأنابيب النانوية الكربونية. تقول المهندسة الكيميائية فيرجينيا ديفيس:"الأنابيب النانوية الكربونية من أقوى المواد التي نعرفها". يعمل ديفيس في جامعة أوبورن في ألاباما. يركز بحثها على الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين ، وهي مادة كربونية أخرى. هذه مواد نانوية ، ذات بعد واحد على الأقل من سمك شعرة الإنسان.

يشبه هيكل الأنابيب النانوية الكربونية سياج ربط السلسلة الذي تم لفه في أنبوب. يوضح ديفيس أن الأنابيب النانوية الكربونية بدلاً من أن تكون مصنوعة من الأسلاك ، فهي مصنوعة فقط من ذرات الكربون. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين "أقوى بكثير من معظم المواد الأخرى ، لا سيما بالنظر إلى أنها حقًا خفيفة الوزن للغاية" ، على حد قولها.

يقول ديفيس:"يمكننا بالفعل صنع الألياف والكابلات والأشرطة من الأنابيب النانوية الكربونية". لكن لم يصنع أحد أي شيء من الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين الذي يقترب من عشرات الآلاف من الكيلومترات حتى الآن.

قدر إدواردز أن القوة التي يحتاجها الكابل ستكون حوالي 63 جيجا باسكال. هذا رقم ضخم ، أعلى بآلاف المرات من قوة الفولاذ. إنها أكثر بعشرات المرات من بعض أصعب المواد المعروفة ، مثل الكيفلار المستخدم في السترات الواقية من الرصاص. من الناحية النظرية ، تصل قوة الأنابيب النانوية الكربونية إلى ما بعد 63 جيجا باسكال. ولكن في عام 2018 فقط صنع الباحثون مجموعة من الأنابيب النانوية الكربونية التي تجاوزت ذلك الحد.

ومع ذلك ، فإن قوة الشريط الضخم لن تعتمد فقط على المواد المستخدمة ولكن أيضًا على كيفية نسجها. يقول ديفيس إن العيوب ، مثل الذرات المفقودة في الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تؤثر أيضًا على القوة الكلية ، بالإضافة إلى المواد الأخرى المستخدمة في الشريط. وإذا تم بناؤه بنجاح ، سيتعين على المصعد الفضائي أن يتحمل جميع أنواع التهديدات من الصواعق إلى الاصطدامات بالخردة الفضائية.

يقول ديفيس:"بالتأكيد ، هناك طريق طويل لنقطعه". "لكن الكثير من الأشياء التي اعتدنا التفكير بها في خيال علمي ، حيث بدأت هذه الفكرة ، أصبحت حقيقة علمية."