آسانسور فضایی دیگر یک رؤیا نیست؛ سفر به مدار زمین بدون موشک!

پژوهشگران طرحی به‌نام «اسپیس‌لاین» را پیشنهاد داده‌اند که ساخت آسانسور فضایی برای سفر به فضا بدون موشک را به مرز واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

کد خبر: ۱۲۷۱۷۱۳

دوشنبه - ۱۹ خرداد ۱۴۰۴ / June 09, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، وقتی صحبت از سفر به فضا می‌شود، اولین چیزی که به ذهن می‌رسد، انفجار مهیب موشک‌ها و هزینه‌های سرسام‌آور پرتاب است؛ اما آیا می‌توان راهی آرام، پیوسته و کم‌هزینه برای رسیدن به مدار زمین پیدا کرد؟ آسانسور فضایی دقیقاً همین رؤیا است: سازه‌ای حیرت‌انگیز که به‌جای غرش راکت‌ها، با سکوت و کشش نیروی گریز از مرکز، ما را از سطح زمین به آسمان می‌برد.

اگرچه ایده‌ی آسانسور فضایی بلندپروازانه به نظر می‌رسد، از نظر فیزیکی و مهندسی، قابل تحلیل است. خبر هیجان‌انگیز اینکه آسانسور فضایی دیگر فقط یک ایده‌ی جذاب نیست، بلکه پژوهشگرانی از دانشگاه کلمبیا و کمبریج طرحی به‌نام «اسپیس‌لاین» (Spaceline) را پیشنهاد داده‌اند که ساخت آسانسور فضایی را به مرز واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

اما این طرح دقیقاً چطور کار می‌کند؟ چه چالش‌هایی در مسیر تحقق آن وجود دارد و آینده‌ی سفر‌های فضایی را چگونه دگرگون خواهد کرد؟ در ادامه با ما همراه باشید.

آسانسور فضایی چیست؟

فرستادن موشک به فضا کار ساده‌ای نیست؛ زیرا تجهیزات بسیار گرانی را قربانی می‌کنیم، مقدار عظیمی سوخت می‌سوزانیم و همیشه خطر یک انفجار مرگبار در کمین است. به‌همین‌دلیل، برخی مهندسان در قرن بیست‌و‌یکم تصمیم گرفته‌اند از این مسیر پرهزینه و خطرناک دست بکشند و سراغ گزینه‌ای عجیب‌تر، اما هیجان‌انگیزتر بروند: آسانسور فضایی.

آسانسور فضایی یکی از مفاهیم مهندسی بی‌نهایت است که در مرز میان خیال و واقعیت قرار دارد. علاقه‌مندان به علم و تخیل علمی، سال‌ها به این ایده فکر کرده‌اند؛ سازه‌ای که اگرچه در نگاه نخست غیرممکن به‌نظر می‌رسد، از دیدگاه فیزیکی و مهندسی، کاملاً قابل بررسی است. در صورتی که فناوری‌های موجود به‌طور قابل توجهی ارتقاء یابند، این ایده می‌تواند از دنیای داستان‌های علمی‌تخیلی وارد قلمرو علم تجربی شود.

در سال ۱۸۹۵، دانشمند روسی، کنستانتین تسیولکوفسکی، پس از بازدید از بلندترین سازه‌ی آن دوران، رؤیای ساخت برجی را در سر پروراند که تا هزاران کیلومتر در آسمان امتداد یابد. این ایده بعد‌ها توسط آرتور سی. کلارک، نویسنده‌ی مشهور علمی‌تخیلی، در دهه‌ی ۱۹۷۰ با رمان «فواره‌های بهشت» به شهرت بیشتری رسید. اما چالش بزرگ، از آن زمان تا امروز ادامه دارد: هنوز هیچ ماده‌ای روی زمین کشف نشده است که استحکام لازم برای تحمل چنین سازه‌ی غول‌پیکری را داشته باشد.

آسانسور فضایی، علاوه‌بر آنکه چالشی بزرگ در حوزه‌ی طراحی و ساخت است، می‌تواند الهام‌بخش توسعه‌ی نسل بعدی فناوری‌ها باشد.

پیش از آنکه به فناوری‌های مورد نیاز برای تحقق چنین سازه‌ای بپردازیم، باید مفهوم آن را به‌روشنی درک کنیم. آسانسور فضایی به‌طور خلاصه، نوعی کابل بسیار بلند است که امکان انتقال تجهیزات یا حتی انسان را از سطح زمین به مدار، بدون استفاده از راکت و سوخت موشکی فراهم می‌کند. هدف اصلی، کاهش چشمگیر هزینه‌های پرتاب به فضا و ایجاد دسترسی پایدارتر به مدار زمین است.

شاید سواری گرفتن از یک آسانسور برای رسیدن به ستارگان به اندازه‌ی پرتاب موشک هیجان‌انگیز نباشد، اما این ایده مزایایی دارد که نمی‌توان نادیده گرفت؛ مثلاً اینکه ایمن‌تر، آسان‌تر و بسیار ارزان‌تر است. به‌عنوان مثال، درحال‌حاضر، حمل هر کیلوگرم محموله به مدار پایین زمین با راکت فالکن ۹ حدود ۲۷۰۰ دلار هزینه دارد. کارشناسان معتقدند آسانسور فضایی می‌تواند این هزینه را به‌طور چشمگیری کاهش دهد.

با پیشرفت تکنولوژی، ایده آسانسور فضایی می‌تواند از داستان‌های علمی‌تخیلی وارد قلمرو علم تجربی شود

برخلاف سازه‌های مرسوم که بر مقاومت فشاری مصالح، استوار هستند، آسانسور فضایی از اصل متفاوتی پیروی می‌کند. در ساختمان‌های معمولی، افزایش ارتفاع به‌معنای فشار بیشتر بر پایه است و به‌دلیل این محدودیت، ساختمان‌ها فقط تا ارتفاع مشخصی می‌توانند افزایش یابند؛ زیرا هرچه ارتفاع بیشتر شود، وزن طبقات بالاتر روی بخش‌های پایین‌تر وارد می‌شود و فشار بیشتری به پایه تحمیل می‌کند.

برای مقابله با این مسئله، مهندسان معمولاً پایه‌ی ساختمان را عریض‌تر طراحی می‌کنند و هرچه به بالا نزدیک‌تر می‌شوند، ابعاد سازه را کاهش می‌دهند تا وزن کمتری به بخش‌های پایین‌تر منتقل شود. این اصل را می‌توان در سازه‌هایی مانند اهرام مصر به‌وضوح مشاهده کرد. حتی برج خلیفه نیز بر همین اساس طراحی شده است: با پهنای بیشتری در پایین و پهنای کمتری در بالا.

در برج خلیفه، پایه‌ی ساختمان عریض‌تر طراحی شده تا وزن کمتری به بخش‌های پایین‌تر منتقل شود.

روی کاغذ، با مصالح امروزی می‌توان ساختمان‌هایی بسیار بلندتر از آنچه تاکنون ساخته شده‌اند، بنا کرد. اما به‌شرطی که پایه‌ی آنها به‌شکل غیرمعمولی پهن باشد. این نوع طراحی به‌دلیل اشغال فضای گسترده و هزینه‌ی ساخت بسیار بالا، از نظر عملی و اقتصادی چندان منطقی و قابل اجرا نخواهد بود.

آسانسور فضایی این مشکل را با روشی هوشمندانه حل می‌کند: به‌جای تحمل وزن از پایین، آن را از بالا متعادل می‌کند. این تعادل با استفاده از نیروی گریز از مرکز به‌دست می‌آید، نیرویی که در اثر چرخش زمین ایجاد می‌شود و کابل آسانسور را به سمت بیرون می‌کشد. در نتیجه، وزن سازه با کششی دائمی به بالا خنثی می‌شود، بدون نیاز به پایه‌ای عظیم در سطح زمین.

ساخت چنین سازه‌ای فقط به ایده‌ی اولیه یا طراحی مفهومی آن ختم نمی‌شود. اگر بخواهیم آسانسور فضایی را از مرحله‌ی تصور، وارد دنیای مهندسی کنیم، باید ابتدا به‌درستی بفهمیم چه نیرو‌هایی در طول کابل عمل می‌کنند، چطور تعادل آن حفظ می‌شود و چرا موقعیت آن باید دقیقاً در مدار زمین‌ایستا باشد. برای پاسخ دادن به این پرسش‌ها، لازم است وارد دنیای فیزیک شویم.

از چرخ‌وفلک تا مدار زمین‌ایستا؛ راز پنهان تعادل در آسانسور فضایی

خوشبختانه، قوانین فیزیک همیشه راهی خلاقانه پیش پای ما می‌گذارند. برای درک یکی از ایده‌های جذاب پشت آسانسور فضایی، یک تصویر ساده را در ذهنتان مجسم کنید: فرض کنید روی یک چرخ‌وفلک خیلی بزرگ و سریع ایستاده‌اید و طنابی در دست دارید که سر دیگرش به یک سنگ بسته شده است. تا زمانی که چرخ‌وفلک می‌چرخد، سنگ به‌جای اینکه پایین بیفتد، به‌صورت افقی دور شما می‌چرخد. این اتفاق به‌خاطر نیرویی است که به آن نیروی گریز از مرکز می‌گوییم.

هنگام نگه داشتن طناب، حس می‌کنید انگار چیزی سنگ را به سمت بیرون، دور از مرکز چرخش، می‌کشد. این احساس ناشی از شتاب ظاهریِ نیروی گریز از مرکز است که در سیستم چرخان، ظاهر می‌شود و می‌تواند جسم متصل به طناب را در وضعیت معلق و کشیده، بدون نیاز به تکیه‌گاه یا سازه‌ای فیزیکی در زیر آن، نگه دارد.

نیروی گریز از مرکز

در حرکت دایره‌ای، جسمی که با نیرویی مشخص به سمت مرکز کشیده می‌شود، همزمان تمایل دارد در امتداد مسیر مماس بر دایره حرکت کند.

اکنون اگر چرخ‌وفلک را با زمین جایگزین کنیم، طناب را کابلی فوق‌العاده بلند در نظر بگیریم، و به‌جای سنگ، یک وزنه‌ی سنگین (که به آن وزنه‌ی تعادلی می‌گویند) را در انتهای آن قرار دهیم، تصویری از آسانسور فضایی را بازسازی کرده‌ایم؛ سازه‌ای مفهومی که تحت‌تأثیر قوانین دینامیک مداری و چرخش زمین، به سمت فضا کشیده می‌شود. در این طرح، کابل تحت کشش ناشی از نیروی گریز از مرکز قرار می‌گیرد و به‌جای آنکه بر پایه تکیه داشته باشد، توسط حرکت چرخشی زمین در حالت تعادل حفظ می‌شود.

آسانسور فضایی بر تعادلی ظریف میان نیروی گرانش و گریز از مرکز استوار است.

اما این سازه یک شرط مهم دارد: وزنه‌ی انتهای کابل باید در ارتفاعی قرار بگیرد که نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش زمین، از نیروی جاذبه‌ی زمین بیشتر باشد. نقطه‌ای که این دو نیرو دقیقاً یکدیگر را خنثی می‌کنند، حدود ۳۶ هزار کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار دارد. پس برای پایداری کامل، وزنه باید فراتر از این ارتفاع قرار بگیرد تا بتواند کابل را همواره در وضعیت کشیده نگه دارد، بدون اینکه به زمین سقوط کند یا در فضا رها شود. در ادامه، فیزیک سازه را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.

تعادل در مدار زمین‌ایستا؛ جایی که فیزیک، پایه‌ای برای سازه‌ای بی‌پایه می‌سازد

سازه‌ی آسانسور فضایی باید دقیقاً روی خط استوا قرار بگیرد، زیرا تنها در این ناحیه، سرعت چرخش زمین بیشترین تأثیر را دارد و نیروی گریز از مرکز به‌شکل مطلوب ایجاد می‌شود. حالا تصور کنید پایه‌ی این آسانسور در نقطه‌ای از اقیانوس اطلس قرار دارد. از این نقطه، باید یک خط کاملاً مستقیم به سمت فضا رسم شود. فعلاً این فقط یک مسیر فرضی است، اما هر سازه‌ای که ساخته می‌شود، باید دقیقاً در امتداد همین مسیرِ مستقیم قرار بگیرد.

اگر این سازه با چرخش زمین هماهنگ نباشد، کابل از مسیر منحرف خواهد شد. شاید پاره شود یا حتی در یک سناریوی غیرواقعی، مثل طناب داخل چرخ‌وفلک، دور زمین بپیچد. نکته‌ی مهم دیگر آن است که مدار سازه باید کاملاً دایره‌ای باشد. اگر مدار بیضوی باشد، فاصله‌ی کابل تا زمین دائماً تغییر خواهد کرد. در نتیجه، طول کابل باید به‌طور مداوم تغییر کند، چیزی که عملاً امکان‌پذیر نیست.

برای اینکه بتوانیم مدار مناسب را پیدا کنیم و جسم بتواند در مداری کاملاً دایره‌ای و پایدار به‌دور زمین بچرخد، باید شرایطی را در نظر بگیریم که در آن، نیروی گریز از مرکز (Fc) دقیقاً با نیروی گرانش زمین (Fg) برابر باشد. این تعادل، همان پایه‌ی علمی طراحی آسانسور فضایی است.

تساوی نیروی گریز از مرکز با نیروی گرانش

نیروی گریز از مرکز با فرمول Fc = ms × (ωs) ² × r به‌دست می‌آید که در آن:

ms جرم جسم (مثل ماهواره).

ωs سرعت زاویه‌ای چرخش.

و r فاصله تا مرکز زمین است.

همچنین، نیروی گرانش بین زمین و جسم با رابطه‌ی Fg = G × (ms × mp) / r² تعریف می‌شود که در آن:

G ثابت جهانی گرانش.

mp جرم زمین.

و ms همان جرم جسم است.

پس از مساوی شدن نیروی گریز از مرکز و نیروی گرانش، جرم جسم (ms) در هر دو طرف معادله حذف می‌شود. در نتیجه، به‌راحتی می‌توانیم مقدار r (فاصله تا مرکز زمین) را به‌دست آوریم.

محاسبه‌ی r، فاصله تا مرکز زمین

با قرار دادن مقادیر G، جرم زمین و سرعت چرخش آن، مقدار r برابر ۴۲٬۱۶۸ کیلومتر به‌دست می‌آید. چون این فاصله از مرکز زمین اندازه‌گیری شده است، اگر شعاع زمین (حدوداً ۶٬۳۷۱ کیلومتر) را از آن کم کنیم، به عددی در حدود ۳۶٬۰۰۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین می‌رسیم، همان ارتفاعی که نقطه‌ی تعادل کابل آسانسور فضایی در آن قرار می‌گیرد، یعنی مدار زمین‌ایستا.

ماهواره‌های مخابراتی یا GPS همیشه بالای یک نقطه‌ی ثابت از زمین هستند و در مدار زمین‌ایستا قرار می‌گیرند

مدار زمین‌ایستا، مداری دایره‌ای است که در آن یک جسم با همان سرعتِ چرخش زمین به دور محورش، به دور زمین می‌چرخد. در نتیجه، ماهواره یا سازه‌ای که در این مدار قرار دارد، همیشه بالای یک نقطه‌ی ثابت از سطح زمین باقی می‌ماند. این ویژگی دقیقاً همان چیزی است که آسانسور فضایی برای حفظ موقعیت پایدار خود نیاز دارد.

حالا که مدار مناسب را پیدا کرده‌ایم، این نقطه می‌تواند محل شروع ساخت آسانسور فضایی باشد. قرار است یک ماهواره‌ی بزرگ و سنگین را در این مدار قرار دهیم و از آنجا ساخت سازه را آغاز کنیم؛ اما نمی‌توانیم ساخت را از زمین به سمت بالا شروع کنیم. باید از مدار، یعنی از بالا، به سمت زمین پیش برویم و اینجا است که کار کمی پیچیده می‌شود.

اگر کابل را فقط از مدار به سمت زمین پایین بکشیم، مرکز جرم کل سیستم جابه‌جا می‌شود و مدار پایدار به‌هم می‌ریزد. برای حفظ تعادل، باید کابل را در هر دو جهت گسترش دهیم: از یک طرف به سمت زمین از و طرف دیگر به سمت بیرون، در فضا. این کار کمک می‌کند که مرکز جرم سازه در همان نقطه‌ی مداری باقی بماند و چرخش هماهنگ با زمین، حفظ شود.

آسانسور فضایی تنها زمانی در تعادل باقی می‌ماند که کابل آن، همزمان به سمت زمین و فضا امتداد یابد؛ تا نیروی گرانش و نیروی گریز از مرکز، یکدیگر را دقیقاً خنثی کنند

برای اینکه مجبور نباشیم طول کابل را در هر دو سمت دقیقاً برابر بسازیم، می‌توانیم در انتهای بالایی کابل، یعنی سمت دورتر از زمین، یک وزنه‌ی سنگین قرار دهیم. این وزنه باعث حفظ تعادل کل سازه می‌شود و درعین‌حال می‌تواند نقش یک سکوی عملیاتی یا پایگاه فضایی را ایفا کند. به‌این‌ترتیب، هم از نظر پایداری دینامیکی و هم از نظر کاربردی، این انتخاب همزمان ساده و هوشمندانه است.

با گسترش کابل در هر دو جهت، به سمت زمین و به سمت فضا، اتفاق جالبی می‌افتد. ازآنجاکه هر نقطه روی مدار زمین‌ایستا، نقطه‌ای خنثی است، نیروی گرانش زمین (جسم یا ماهواره را به سمت پایین می‌کشد) و نیروی گریز از مرکز (جسم یا ماهواره را به سمت بالا هل می‌دهد) با یکدیگر برابر هستند.

حالا اگر بخشی از کابل را به سمت زمین امتداد دهیم، آن بخش بیشتر تحت‌تأثیر نیروی گرانشی قرار می‌گیرد و به پایین کشیده می‌شود. در مقابل، اگر کابل را به سمت فضا ادامه دهیم، نیروی گریز از مرکز قوی‌تر می‌شود و کابل را به سمت فضا می‌کشد.

اگر کابل به سمت زمین ادامه یابد، گرانش غالب می‌شود و اگر به فضا کشیده شود، نیروی گریز از مرکز آن را به بیرون هل می‌دهد.

این تفاوت نیرو‌ها باعث می‌شود که کابل در تمام طول خود تحت‌فشار و کشش قرار بگیرد؛ اما بیشترین کشش درست در نقطه‌ی زمین‌ایستا اتفاق می‌افتد. چرا؟ چون این نقطه، باید همزمان فشار بخش پایینی کابل را که نیروی گرانشی آن را به سمت زمین می‌کشد و نیروی بخش بالایی را که گریز از مرکز، آن را به سمت فضا هل می‌دهد، تحمل کند. به‌زبان ساده، این نقطه مثل گره‌ای در وسط طنابی است که از دو طرف با تمام نیرو در حال کشیده شدن است و طبیعتاً تمام تنش در همین نقطه جمع می‌شود.

اگر کابل یکنواخت باشد و ضخامت و جنس آن در طول مسیر تغییر نکند، حداکثر نیروی کششی وارد بر آن را می‌توانیم با فرمول زیر محاسبه کنیم.

فرمول کشش کابل آسانسور

فرمول حداکثر کشش کابل آسانسور

در این فرمول:

G ثابت گرانش جهانی است.

M جرم زمین.

ρ چگالی ماده‌ی کابل.

R شعاع زمین.

و Rg شعاع مدار زمین‌ایستا است.

در معادله‌ی فوق، تقریباً همه‌ی عدد‌ها ثابت هستند: جرم زمین، شعاع زمین، شعاع مدار زمین‌ایستا و حتی ثابت گرانش. فقط یک عدد متغیر وجود دارد که می‌توانیم مقدار آن را انتخاب کنیم: چگالی ماده‌ای که کابل را از آن می‌سازیم.

فرض کنید کابل را از فولاد بسازیم؛ ماده‌ای که چگالی‌اش حدود ۷،۹۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است. با این انتخاب، بیشینه‌ی نیروی کششِ واردشده بر کابل به عددی حدود ۳۸۲ گیگاپاسکال می‌رسد. این عدد ۲۴۰ برابر بیشتر از بیشینه‌ی مقاومت کششی خودِ فولاد است. یعنی چه؟ یعنی فولاد با تمام قدرت و استحکامش، باز هم تحمل چنین فشاری را ندارد. به بیان ساده، فولاد از پس این مأموریت برنمی‌آید. حالا سؤال اصلی اینجاست: آیا راه‌حلی برای این مشکل وجود دارد؟ یا باید رؤیای آسانسور فضایی را کنار بگذاریم؟

برج مخروطی و فرمول پایداری؛ کابل آسانسور فضایی چگونه باید ساخته شود؟

فولاد یکی از مستحکم‌ترین موادی است که در اختیار بشر قرار دارد. ماده‌ای نداریم که ۲۴۰ برابر قوی‌تر از فولاد باشد. بااین‌حال، راه‌حل‌هایی وجود دارند. یکی از آنها استفاده از موادی با چگالی کمتر است؛ چون هرچه ماده سبک‌تر باشد، تنش کششی کمتری در کابل ایجاد خواهد شد.

گذشته از انتخاب جنس ماده، نکته‌ی مهم دیگر آن است که کابل آسانسور فضایی لزوماً نباید در سراسر طول خود، ضخامتی یکنواخت داشته باشد. تنش کششی در دو انتهای کابل، چه در بخش نزدیک به سطح زمین و چه در دورترین نقطه در فضا، به صفر میل می‌کند؛ اما همین نقاطی که خودشان تقریباً هیچ تنشی را تحمل نمی‌کنند، تأثیر بسیار زیادی بر مجموع تنش وارد بر کابل دارند.

تنش کششی در دو انتهای کابل، چه در بخش نزدیک به سطح زمین و چه در دورترین نقطه در فضا، به صفر میل می‌کند.

چرا؟ چون در این نواحی، یا نیروی گرانش بسیار قوی‌تر است (نزدیک زمین) یا نیروی گریز از مرکز به بیشترین مقدار خود می‌رسد (در بخش بالایی کابل). این دو نیرو باعث می‌شوند که هر بخش کوچکی از ماده، فشار زیادی را بر ساختار کلی وارد کند.

چه باید کرد؟ منطقی است که در بخش‌های انتهایی کابل، مقدار ماده را به حداقل برسانیم و در بخش میانی که بیشترین تنش را تحمل می‌کند، از مواد بیشتری استفاده کنیم. نتیجه‌ی چنین رویکردی، طراحی هوشمندانه‌ای به‌نام برج مخروطی (Tapered Tower) است؛ کابلی که در میانه، ضخیم‌تر است و هرچه به دو سر آن نزدیک شویم، نازک‌تر می‌شود.

اگر کابل در همه‌جا یکسان باشد، در نقطه‌ی زمین‌ایستا که بیشترین تنش را تحمل می‌کند، پاره می‌شود. اما با ضخیم‌تر کردن میانه، مثل یک پل معلق که در وسط ستون‌های قوی‌تری دارد، نیرو‌ها بهتر پخش می‌شوند. این طراحی، هم فشار را به‌طور مؤثر مدیریت می‌کند و هم نیاز به استفاده از مواد فراواقعی را کاهش می‌دهد.

حالا که فهمیدیم کابل باید در نقاط مختلف ضخامت متفاوتی داشته باشد، یک سؤال مهم پیش می‌آید: در هر ارتفاع، سطح مقطع کابل دقیقاً باید چقدر باشد؟ پاسخ در معادله‌ی زیر پنهان شده، فرمولی که براساس آن، سطح مقطع کابل (A) در هر نقطه قابل محاسبه است. این فرمول از یک مقدار اولیه شروع می‌کند؛ سطح مقطع کابل روی سطح زمین (As). این مقدار، نقش پایه را دارد و تأثیر زیادی روی کل طراحی می‌گذارد.

نکته‌ی مهمی که باید به آن توجه کنیم، آن است که فرمول به‌صورت نمایی تغییر می‌کند. یعنی اگر سطح مقطع اولیه فقط کمی بزرگ باشد، ضخامت کابل در ارتفاع‌های بالاتر به‌طرز دیوانه‌واری افزایش پیدا می‌کند؛ بنابراین، باید تا جای ممکن سطح مقطع اولیه را کوچک نگه داریم. برای رسیدن به این هدف، فقط دو متغیر را می‌توانیم در معادله‌ی As کنترل کنیم:

چگالی ماده‌ی کابل (ρ): هرچه سبک‌تر باشد، بهتر است؛ چون فشار کمتری به کابل وارد می‌شود.

مقدار تنشی که کابل می‌تواند تحمل کند: هرچه بیشتر باشد، بهتر است؛ چون کابل تحمل بیشتری در برابر کشش خواهد داشت.

بنابراین، اگر بخواهیم ساخت آسانسور فضایی را از حالت رؤیا به واقعیت نزدیک کنیم، باید ماده‌ای را انتخاب کنیم که در عین سبکی، استحکام فوق‌العاده‌ای داشته باشد. رسیدن به این تعادل میان جرم کم و مقاومت بالا، رمز موفقیت در طراحی چنین سازه‌ی عظیمی خواهد بود.

در شرایط عادی، هیچ‌وقت نباید حداکثر فشاری را که یک ماده می‌تواند تحمل کند، به‌عنوان فشار طراحی در نظر بگیریم؛ چون این کار هیچ حاشیه‌ی امنی باقی نمی‌گذارد. مهندسی اصولی یعنی همیشه یک ضریب ایمنی برای خطا یا شرایط پیش‌بینی‌نشده در نظر گرفته شود؛ اما فعلاً بی‌خیال احتیاط می‌شویم.

فرض کنید قرار است این کابل را دقیقاً تا آستانه‌ی پاره شدن طراحی و از تمام ظرفیت مقاومت ماده استفاده کنیم، بدون آنکه هیچ حاشیه‌ی امنی برای خطا یا نوسانات پیش‌بینی‌نشده در نظر بگیریم. به بیان ساده، این آسانسور فضایی قرار است ساخته شود، اما نه به‌گونه‌ای که بتوان آن را ایمن توصیف کرد.

حالا که با این فرض جلو می‌رویم، زمان آن رسیده است که به نمودار انتخاب مواد نگاهی بیندازیم، نموداری که رابطه‌ی میان مقاومت کششی و چگالی مواد را نشان می‌دهد. با بررسی این نمودار، می‌توانیم چند ماده‌ی امیدوارکننده را انتخاب و بررسی کنیم تا ببینیم کدام‌یک برای چنین سازه‌ی پرتنشی مناسب‌تر خواهد بود.

در این نمودار، مواد مختلف بر اساس دو ویژگی کلیدی مقایسه شده‌اند: محور افقی نشان‌دهنده‌ی چگالی ماده (kg/m³) است و محور عمودی استحکام کششی (MPa) را نمایش می‌دهد. ترکیب این دو عامل نشان می‌دهد که کدام مواد، در عین سبکی، بیشترین توان تحمل کشش را دارند. برای ساخت سازه‌هایی مانند کابل آسانسور فضایی که هم باید سبک باشند و هم بسیار مقاوم، مواد ناحیه‌ی بالای سمت چپ& مانند کامپوزیت‌های کربنی یا آلیاژ‌های تیتانیوم، گزینه‌های مناسب‌تری هستند. این نمودار به ما کمک می‌کند تا با مقایسه‌ی چگالی و استحکام مواد، بهترین گزینه‌ها را برای طراحی سازه‌های فوق‌العاده حساس و فشرده انتخاب کنیم.

با فولاد شروع می‌کنیم، ماده‌ای ارزان که به‌خوبی شناخته شده است. برای بررسی، سراغ یکی از آلیاژ‌های پیشرفته و مقاوم آن به‌نام فولاد مارایجینگ ۳۵۰ می‌رویم. این نوع فولاد می‌تواند مقاومتی بین ۱٫۱ تا ۲٫۴ گیگاپاسکال را تحمل کند و چگالی آن حدود ۸۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

البته بعضی منابع ادعا کرده‌اند که فولادی با مقاومت ۵ گیگاپاسکال و چگالی ۷۹۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب وجود دارد. اگر بخواهیم واقع‌بین باشیم، چنین عددی بیشتر شبیه اطلاعاتی است که از موجودات فضایی به‌دست آمده تا از دنیای واقعی؛ بنابراین، ما همچنان از فولاد استفاده خواهیم کرد، اما با ویژگی‌های فیزیکی واقعی و قابل اعتماد.

بدون ضریب ایمنی، تنها موادی با بالاترین نسبت استحکام به چگالی می‌توانند سازه را در فضا پایدار نگه دارند

بعد از فولاد، نوبت به موادی می‌رسد که برای این مأموریت واقعاً مناسب‌تر هستند. یکی از انتخاب‌های هوشمندانه، کِولار (Kevlar) است، فیبری بسیار مستحکم و دردسترس که به‌راحتی می‌توان آن را به‌شکل کابل درآورد. دو ماده‌ی دیگر را هم به لیست خود اضافه می‌کنیم:

تیتانیوم: فلزی سبک و مستحکم که به‌خاطر نسبت بالای استحکام به وزن، گزینه‌ای ایدئال برای سازه‌های پیشرفته به‌شمار می‌رود.

کامپوزیت‌های کربنی (Carbon Fiber Composites): موادی فوق‌العاده سبک، با نسبت استحکام به چگالی حتی بهتر از تیتانیوم. این ترکیب بی‌نظیر باعث شده است که اگر امروز بخواهند هواپیمای افسانه‌ای SR-۷۱ را از نو طراحی کنند، بدون تردید سراغ همین کامپوزیت‌ها بروند.

محدودیت مواد و مرز‌های مهندسی

با استفاده از ویژگی‌های فیزیکی موادی که بررسی کردیم، می‌توانیم نسبت مخروطی را محاسبه کنیم. این نسبت مشخص می‌کند کابل آسانسور فضایی در پهن‌ترین نقطه‌اش (روی مدار زمین‌ایستا)، چند برابر ضخیم‌تر از پایین‌ترین نقطه‌اش (روی سطح زمین) خواهد بود.

فرض کنید کابل در نقطه‌ی شروع، یعنی روی سطح زمین، مقطع دایره‌ای با قطر ۵ میلی‌متر داشته باشد. حالا اگر این مقدار را در نسبت مخروطی (Taper Ratio) ضرب کنیم، به‌سادگی می‌توانیم بفهمیم که کابل در پهن‌ترین نقطه‌ی خود، یعنی در مدار زمین‌ایستا، چه قطری خواهد داشت.

نتیجه برای فولاد واقعاً شگفت‌انگیز و دور از انتظار است. عدد به‌دست‌آمده برای قطر کابل در پهن‌ترین نقطه به اندازه‌ی بزرگ است که در ذهن انسان نمی‌گنجد. حتی اگر این عدد را با قطر کل جهان قابل مشاهده (حدود ۸٫۸ ضربدر ۱۰ به توان ۲۶ متر) مقایسه کنیم، باز هم با عددی روبه‌رو می‌شویم که باور کردنش سخت است. به بیان ساده، فولاد از نظر مهندسی، حتی به شکل نظری هم از پس این کار برنمی‌آید.

تیتانیوم کمی بهتر عمل می‌کند، ولی همچنان فاصله‌ی زیادی تا امکان‌پذیر بودن دارد. حالا نوبت کِولار و کامپوزیت‌های کربنی می‌رسد. این دو ماده عملکرد به‌مراتب بهتری دارند:

حجم ماده‌ی مورد نیاز برای ساخت چنین کابلی آنقدر زیاد است که هرگونه صرفه‌جویی اقتصادی یا مزیت کاربردی بالقوه را عملاً از بین می‌برد؛ تازه این در حالی است که فرض کرده‌ایم می‌توانیم فیبر‌های انتخاب‌شده را بدون کاهش مقاومت کششی، به‌راحتی به‌شکل کابل درآوریم که درواقع فرضی خوش‌بینانه و تضمین‌نشده است.

با همه‌ی این تفاسیر، می‌توانیم با خیال راحت بگوییم: از نظر فیزیکی، آسانسور فضایی ممکن است، چون قوانین طبیعت آن را رد نمی‌کنند. اما واقعیت آن است که درحال‌حاضر هیچ ماده‌ای وجود ندارد که ساخت چنین سازه‌ای را از نظر مهندسی امکان‌پذیر کند.

برای ساخت آسانسور فضایی باید ابتدا مواد فوق‌سبک با استحکام خارق‌العاده را در مقیاس صنعتی تولید کنیم

در تمام این محاسبات، فرض کرده‌ایم که ماده تا حداکثر توان کششی‌اش کشیده شده است؛ اما در دنیای واقعی، هیچ سازه‌ای را با این فرض طراحی نمی‌کنند. طراحی مهندسی باید براساس مقاومت تسلیم (Yield Strength) انجام شود.

مقاومت تسلیم، همان نقطه‌ای است که ماده برای اولین‌بار شروع به تغییر شکل دائمی می‌کند. یعنی اگر تنش از حدی مشخص بیشتر شود، ماده دیگر نمی‌تواند به حالت اولیه‌اش بازگردد. بعد از این نقطه، ماده وارد یک وضعیت ناپایدار می‌شود: به‌جای آنکه تنش بیشتری را تحمل کند، سطح مقطع آن شروع به کاهش می‌کند. به این پدیده گلویی‌کردن (Necking) می‌گویند که ماده تحت فشار باریک می‌شود و به‌سرعت به سمت پارگی می‌رود.

در مرحله‌ی گلویی‌کردن، ماده مثل قبل عمل نمی‌کند و به‌سرعت به سمت پارگی پیش می‌رود. به‌همین‌دلیل، مهندسان همیشه طراحی را براساس مقدار ایمن‌تری انجام می‌دهند که پایین‌تر از نقطه‌ی تسلیم باشد تا دوام، پایداری و ایمنی سازه تضمین شود. بدتر از آن این است که ما هنوز حتی کرنش (تغییر طول ماده بر اثر تنش) را هم در نظر نگرفته‌ایم. یعنی هنوز بخشی از پیچیدگی‌های واقعی این مسئله روی میز نیامده‌اند.

یکی از فناوری‌های آینده‌محوری که خیلی‌ها به آن امیدوار هستند، نانولوله‌های کربنی (Carbon Nanotubes) است؛ موادی که از نظر استحکام، واقعاً فراتر از حد تصور عمل می‌کنند. طبق برخی پژوهش‌ها، مقاومت کششی نهایی این ماده می‌تواند تا ۱۳۰ گیگاپاسکال برسد. در کنار این ویژگی، چگالی آن نیز بسیار پایین و در حدود ۱۳۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. ترکیب سبک‌وزنی و استحکام بالا، این ماده را به یک گزینه‌ی ایدئال برای سازه‌های فضایی تبدیل می‌کند.

ترکیب سبک‌وزنی و استحکام بالا، نانولوله‌های کربنی را به گزینه‌ی ایدئال برای سازه‌های فضایی تبدیل می‌کند.

با چنین ویژگی‌های خارق‌العاده‌ای، نسبت مخروطی کابل به عدد بسیار پایینِ ۱٫۶ کاهش می‌یابد؛ یعنی قطر کابل در مدار زمین‌ایستا، تنها ۱٫۶ برابر بیشتر از قطر آن در سطح زمین خواهد بود. در نتیجه، دیگر کابل از یک رشته‌ی باریک در پایین به ساختاری عظیم و حجیم در بالا تبدیل نمی‌شود.

اگر بتوانیم این ماده را در مقیاس صنعتی و انبوه تولید کنیم، نه‌تنها ساخت آسانسور فضایی ممکن خواهد شد، بلکه زندگی روی زمین هم دچار انقلابی عظیم می‌شود؛ اما حتی با چنین ماده‌ی ایدئالی، هنوز چالش‌های مهندسی بزرگی پیش روی ما قرار دارد. جلوگیری از انتشار ارتعاشات و موج‌هایی که در طول کابل حرکت می‌کنند، یکی از پیچیده‌ترین مسائل فنی است.

از سوی دیگر، باید منبعی پایدار و کارآمد برای تأمین انرژی دستگاه بالا‌رونده (Climber) در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، دستگاه بالا‌رونده ممکن است به لیزر یا انرژی خورشیدی نیاز داشته باشد و کابل باید در برابر برخورد شهاب‌سنگ‌ها یا زباله‌های فضایی مقاوم باشد.

علاوه بر آن، کابل باید توانایی تحمل شرایط سخت و ناپایدار جوی در لایه‌های پایینی جو زمین را داشته و از برخورد با زباله‌های فضایی در مدار‌های بالا ایمن باشد. هر یک از این چالش‌ها، به‌تنهایی نیازمند راه‌حل‌های پیشرفته‌ی مهندسی هستند و در مجموع، مسیر تحقق این سازه‌ی جسورانه را پیچیده و پرهزینه می‌کنند. توجه کنید که همه‌ی اینها قبل از رسیدن به اصلی‌ترین چالش ماست: تولید نانولوله‌های کربنی در مقیاس صنعتی. درحال‌حاضر، تولید این ماده در اندازه‌ها و کیفیت لازم هنوز ممکن نیست؛ اما اگر روزی به آن برسیم، آسانسور فضایی دیگر فقط یک رؤیا نخواهد بود.

همان‌طور که سفر هوایی روزی رؤیا بود و امروز بخشی از زندگی روزمره است، شاید در آینده‌ای نه‌چندان دور، صعود آرام انسان از دل زمین تا آستانه‌ی فضا، نه با انفجار موشک‌ها، که با یک آسانسور فضایی ممکن شود.