آسانسورهای فضایی: از دنیای علمی-تخیلی تا واقعیت

آسانسورهای فضایی اغلب به‌عنوان یک رؤیای علمی-تخیلی نادیده گرفته می‌شوند، اما «استفنن کوهن» (Stephen Cohen) عقیده دارد که آن‌ها به‌زودی - شاید در دو یا سه دهه آینده - ساخته خواهند شد. کوهن در طول دوران حرفه‌ای خود به‌عنوان استاد فیزیک و مهندس هوافضا، همواره به ایده یک کابل کشیده‌شده از زمین تا فضا بازمی‌گشت که مردم و محموله‌ها می‌توانند با استفاده از آن به آسانی به فضا رفت‌وآمد کنند.

در سال‌های اخیر، او و دیگر پژوهشگران راه‌هایی جدید برای ساختن طرح‌ها و پاسخ به پرسش‌هایی دربارهٔ چگونگی کار آسانسورهای فضایی یافته‌اند.

دلایل زیادی برای ساخت یک آسانسور فضایی وجود دارد. دلیل واضح صرفه‌جویی عظیم در انرژی و هزینه است؛ این روش برای رسیدن به مدار زمین نسبت به راکت‌ها بسیار کارآمدتر است.

دلیل دیگری که اغلب نادیده گرفته می‌شود، دسترسی است. عبارت «مأموریت فضایی» با «انتقال» جایگزین خواهد شد؛ زیرا سفرها متداول‌تر می‌شوند و وابستگی کمتری به شرایط آب‌وهوایی خواهند داشت. انتقال‌های سرنشین‌دار امن‌تر از رویه‌های فعلی خواهند بود که در آن‌ها فضانوردان ریسک غیرقابل انکار از‌دست‌دادن زندگی خود را در هر پرواز می‌پذیرند.

یک آسانسور فضایی پلی خواهد بود به تمام منظومهٔ خورشیدی. یک‌بار آن را به سمت پایین انتقال دهید، وارد مدار زمین می‌شود، اما اگر همین کار را به سمت بالای انجام دهید، بدون هیچ سوختی به مدار خورشید می‌رسد.

کوهن را می‌توان یک مبلغ آسانسورهای فضایی به شمار آورد، اما حقیقت این است که او از مطالعهٔ مکانیک آن‌ها لذت می‌برد. به گفتهٔ او، در دنیایی با مشکلات عظیم، رؤیای چنین پروژه‌هایی به او اجازه می‌دهد که سناریویی را تصور کند که در آن همهٔ ما به نگهبانان مسئولیت‌پذیر این سیاره تبدیل شده‌ایم.

داستان او از سال ۲۰۰۴ آغاز شد، زمانی که به‌عنوان یک دانشجوی فوق‌لیسانس در دفتر استادش آرون میرسا (Arun Mirsa) دربارهٔ پایان‌نامه‌اش صحبت می‌کرد. میرسا متخصص فضایی ارشد در دانشکدهٔ مهندسی مکانیک دانشگاه مک‌گیل بود. کوهن مکالمهٔ خود را این‌طور به‌یاد می‌آورد:

کوهن: به نظر شما من چه نوع پژوهشی باید انجام دهم؟

میرسا: آیا چیزی دربارهٔ آسانسور فضایی شنیده‌ای؟

کوهن: نه. آسانسور فضایی چیست؟

میرسا: یک کابل ۱۰۰٬۰۰۰ کیلومتری را تصور کن که از خط استوای زمین به بالا کشیده و در انتها به یک ماهواره وصل شده است. این سیستم همراه با زمین می‌چرخد. بالارونده‌ها می‌توانند با محموله‌های انتقالی به کابل بسته شوند و سپس آن‌ها را در فضا رها کنند. من فکر می‌کردم که تو می‌توانی روی دینامیک این سیستم مطالعه کنی.

کوهن: این به نظر ... سخت است.

میرسا: کار تو سخت نخواهد بود. ساختن یک آسانسور فضایی اینجا روی زمین ... این سخت خواهد بود.

چند سال بعد، کوهن تز فوق‌لیسانس خود را با عنوان دینامیک یک آسانسور فضایی منتشر کرد. او در آن زمان به‌عنوان یک مهندس در حال کار روی طراحی ماهواره‌ها بود. در یک تعطیلات آخر هفته، یکی از دوستان کوهن او را به‌عنوان «مرد آسانسور فضایی» به کالین معرفی کرد. آن‌ها (در حالی که همسر کوهن از این مکالمهٔ همیشگی او شاکی شده بود) مشغول مکالمه‌ای دربارهٔ آسانسورهای فضایی شدند:

کوهن: اگر روی استوا بایستی و به یک ماهواره در یک مدار زمین‌همگام خیره شوی (تقریباً در ارتفاع ۳۶٬۰۰۰ کیلومتری)، ماهواره در فضا ثابت به نظر می‌رسد و به‌طور متصل روزی یک‌بار دور زمین می‌چرخد، زیرا سرعتش دقیقاً با سرعت چرخش زمین یکی است. حالا، آن سیاره یک کابل را به زمین می‌اندازد، در حالی که هم‌زمان از سوخت استفاده می‌کند تا بالاتر برود. کابل به زمین محکم می‌شود و ماهواره نیز به ارتفاع درست می‌رسد، و این سیستم همچنان به‌همراه زمین می‌گردد. کابل به ریلی مانند بالارونده‌های مکانیکی در ترن‌های روی یک ریل عمودی، تبدیل می‌شود و محموله‌ها را به فضا می‌رساند.

کالین: اما چه چیزی کابل را کشیده نگه می‌دارد؟

کوهن ترکیبی از آثار گرانشی و گریز از مرکز که با یکدیگر در تقابل هستند و در طول کابل متغیرند. در پایین مدار زمین‌همگام، گرانش پیروز است و بالاتر از آن، اثر گریز از مرکز. نتیجه یک کشش در سرتاسر کابل با مقدار بیشینه دقیقاً در مدار زمین‌همگام است.

کالین: الان شب جمعه‌ست، کلمه‌های ساده‌تری استفاده کن.

کوهن: برای ساخت آن به ماده‌ای نیاز داریم که مقاومت ویژهٔ آن ۵۰ برابر فولاد است. اما در حال حاضر، من و افراد دیگری در دنیا تظاهر می‌کنیم که این مسئله حل خواهد شد و هم‌زمان با انتظار برای حل آن، به دنبال جنبه‌های دیگر آسانسورهای فضایی هستیم.

کالین: فوق‌العاده‌ست.

کوهن و همسرش بار دیگر در سال ۲۰۱۴ به کالین برخوردند. سؤال کالین این بود: «آسانسور فضایی در چه حال است؟»

همسر کالین: «لطفاً نه!»

کالین: چیزی که درک نمی‌کنم این است که چرا وقتی یک بالاروندهٔ حامل بار به پایین کابل متصل می‌شود، آن را پایین نمی‌کشد؟

کوهن: اگر یک بالارونده پایین‌تر از مدار زمین‌همگام قرار داشته باشد، مخصوصاً نزدیک به زمین، نوک کابل مقدار اندکی به پایین حرکت می‌کند و نیم‌رخ کشش در تمام کابل تغییر می‌کند. مشکل اصلی این است که بخشی از کابل که بین بالارونده و زمین قرار دارد، دچار افت کشش می‌شود (درست مثل زمانی که یک کش را عمودی کشیده نگه می‌دارید و سپس جرمی را به وسط آن متصل می‌کنید). اگر کشش به صفر برسد، کابل دیگر سفت نمی‌ماند و سازه پایداری ذاتی خود را از دست می‌دهد. محاسبات نشان می‌دهد که یک بالارونده (و هر‌چیزی که حمل می‌کند) می‌تواند به‌طور بیشینه ۱ درصد جرم کل کابل را داشته باشد. این همچنان جرم زیادی خواهد بود، زیرا انتظار می‌رود کابل صدها تن وزن داشته باشد.

کالین: مادهٔ کابل در چه حال است؟

کوهن: گفتم، این مربوط به من نیست.

کالین: برو سراغش مرد!

حالا سال ۲۰۲۲ است. کوهن اخیراً در یک سمینار در کالج وانی (Vanier College) در کبک کانادا دربارهٔ دو دهه تجربهٔ خود درباره کار روی آسانسورهای فضایی صحبت کرده بود. سخنرانی او در این سمینار با بخش پرسش و پاسخ به پایان رسید.

دانشجوی ۱: مادهٔ ساخت آسانسور چه زمانی آماده می‌شود؟

کوهن: با اینکه تولید مواد احتمالی مناسب در سال‌های اخیر پیشرفت کرده است، ما هنوز حداقل ۱۰ سال با رسیدن به مادهٔ مورد نظر فاصله داریم (ماده‌ای که مشخصات کافی دارد و می‌تواند با سرعت و هزینه معقول تولید شود). این برای تکنولوژی‌های جدید غیرمعمول نیست که در انتظار علو مواد بهتر بمانند، اما خوشبختانه پژوهش‌ها در حوزه مواد به دلایلی به غیر از آسانسورهای فضایی در حال پیشروی هستند.

دانشجوی ۲: این ایده بسیار جالب است، اما چرا باید آن را بسازیم؟

وقتی دربارهٔ راکت‌ها فکر کنید، آن‌ها وسیله‌ای مضحک برای انتقال هستند. برای یک مأموریت فضایی خاص، بالغ بر ۹۰ درصد کل جرم روی سکوی پرتاب سوخت است! این مانند نشستن در یک ماشین بدون موتور است، فقط با یک مخزن سوخت تحت فشار ۱۰۰٬۰۰۰ لیتری. ما باید این روش ناکارآمد فرار از زمین را با یک جادهٔ سبزتر به فضا جایگزین کنیم.

ناسا برنامه دارد انسان‌ها را تا سال ۲۰۴۰ به مریخ بفرستد. من عقیده دارم که انسان‌ها قطعاً پیش از داشتن یک آسانسور فضایی فعال روی مریخ قدم خواهند گذاشت (با صدها میلیارد دلار هزینه)، اما برای اینکه رسیدن به مریخ یک تلاش پایدار باشد، ما باید هرچه سریع‌تر زیرساختی مانند یک آسانسور فضایی داشته باشیم.

دانشجوی ۳: پس فکر می‌کنید چه زمانی یک آسانسور فضایی ساخته می‌شود؟

کوهن: در اوایل دههٔ ۱۹۹۰، از نویسنده و مهندس مشهور آرتور سی. کلارک که رمان چشمه‌های بهشت (The Fountains of Paradise) او تاریخچهٔ ساخت یک آسانسور فضایی را روایت می‌کند، همین سؤال را پرسیدند. پاسخ معروف او چنین بود: «احتمالاً ۵۰ سال بعد از این که دیگر کسی نخندید.» یک پاسخ مدرن‌تر این‌گونه خواهد بود: «وقتی که ایلان ماسک بخواهد آن را به نام خود ثبت کند، می‌دانیم به آن روز نزدیک شده‌ایم.»

امروز کوهن همچنان احساس همان روزی را دارد که با اضطراب در دفتر آرون میرسا نشسته بود (آن‌ها همچنان با هم همکاری می‌کنند). این راه ظریف به فضا الهام‌بخش تخیلات اوست و او را مملو از امید می‌سازد.