Utopie, nebo realita: Jakou máme šanci, že postavíme výtah na Měsíc?

Jenže tak jednoduché to není. U kosmických letů totiž neřešíme jen problém výšky (pod určitou hranicí začíná všechna tělesa výrazně brzdit atmosféra, načež následuje neodvratný pád), ale především rychlosti. Ostatně už nacistické rakety V-2 zvládly při kolmém startu zdolat několik stovek kilometrů, přesto se o orbitálním letu hovořit nedalo, navíc se vynášené zařízení po několika minutách vracelo zpět.

Aby se těleso udrželo na oběžné dráze kolem naší planety, potřebuje dosáhnout první kosmické rychlosti, která činí u Země 7,9 km/s. Pokud se pohybuje pomaleji, brzy ho přemůže gravitace; při vyšší rychlosti naopak zvítězí odstředivá síla a těleso se vydá třeba i do meziplanetárního prostoru. Z toho vyplývá, že nestačí postavit dostatečně vysokou věž a družici z ní uvolnit, jelikož by se rychle poroučela k Zemi. Tedy s jednou výjimkou – a tou je geostacionární dráha. Na ní se totiž satelit pohybuje s oběžnou dobou, jež odpovídá jedné otočce Země kolem vlastní osy, a z pohledu pozemského pozorovatele tak zůstává nehybný. Geostacionární dráhu proto využívají třeba komunikační či meteorologické družice apod. Hypotetická věž by proto musela dosahovat právě k této dráze, jež se ovšem nachází až 35 890 km nad rovníkem.

Lano, které překáží

Tak vysoká věž je asi technicky i technologicky nepředstavitelná. Mohli bychom ji však nahradit dostatečně dlouhým lanem, po němž by až na geostacionární dráhu vyjížděly dopravní kabiny. V éře podmořských kabelů měřících tisíce kilometrů se zdá taková idea přece jen reálnější, přesto i v tomto případě narážíme na nemalé problémy. Lano vedoucí na geostacionární dráhu by se totiž vlastní vahou rychle zřítilo dolů, tudíž by se muselo natáhnout do větší vzdálenosti a zřejmě i zatížit protizávažím – mohlo by jít například o zachycený asteroid nebo sebranou skládku kosmického smetí.

Další komplikace tkví v ukotvení na zemském povrchu. Kabel by mohl komplikovat leteckou dopravu, v závislosti na použitém materiálu přitahovat blesky, každopádně by však musel vzdorovat jakýmkoliv rozmarům počasí. Kromě toho se v oblasti rovníku nenachází tolik vhodných míst, kde bychom jej mohli i s odpovídající infrastrukturou instalovat. Lano navíc budeme muset spustit z geostacionární dráhy a v zájmu zachování rovnováhy stejným tempem oběma směry: k Zemi i od ní. To však znamená dopravit tisíce tun materiálu tam, kam zatím s vypětím všech sil za stamiliony dolarů vynášíme tří- či čtyřtunové satelity.

Pořádně silné

Kabel bude muset být také extrémně pevný, aby unesl sám sebe. Pro představu: Lanko z titanu, železa nebo hliníkových slitin by se přetrhlo už při délce 20–30 km. Moderní materiály jako kevlar, sklolaminát či uhlíková vlákna by vydržely 100–400 km. V lepším případě tak máme za sebou jedno procento cesty. S nejnovějším objevem – uhlíkovými nanotrubičkami nebo grafenovými stuhami – můžeme teoreticky dosáhnout úctyhodných 6 000 km. Pořád jsme však jen v šestině potřebné vzdálenosti.

Problémy s pevností lana alespoň částečně vyřeší fakt, že jeho průměr nebude všude stejný, ale půjde o jakýsi extrémně dlouhý kužel. Podle typu materiálu bude na geostacionární dráze stokrát až tisíckrát silnější než u povrchu Země. Každopádně nám technologický rozvoj v posledních desetiletích dává naději, že vhodný materiál jednoho dne najdeme.

Problémy se smetím

A v neposlední řadě: Lano pevně vedoucí vesmírným prostorem s nulovou rychlostí u zemského povrchu budou na nízkých oběžných drahách míjet první kosmickou rychlostí družice nebo jejich trosky, přičemž jen úlomků větších než centimetr existuje přes 300 tisíc! Dříve či později tak trajektorie každého z nich protne místo, kterým kabel natažený na geostacionární dráhu povede. A jelikož má i zrnko písku při zmíněné rychlosti energii rozjetého nákladního auta, těžko si představit materiál, jenž by něčemu podobnému odolal. 

Právě problém střetů s kosmickými objekty a smetím se podle mnoha odborníků stane příčinou toho, že výtah do vesmíru nikdy nevznikne. Ovšem i kdybychom uvedenou komplikaci řešit nemuseli, budou lano zvláště ve větších výškách silně zatěžovat kontakty se zbytkovou atmosférou. Například v 500 km se v 1 cm³ vyskytuje 11 atomů kyslíku. Z našeho pohledu jde o vakuum, z fyzikálního hlediska se však jedná o silně korozivní prostředí.

Během případné stavby kosmického výtahu se bezesporu bude hodnotit i její dopad na životní prostředí. A zcela jistě se někdo nezapomene mediálně zviditelnit s argumentem, že používání vesmírné zdviže zpomaluje rotaci Země, a tudíž narušuje náš ekosystém.

Třeba i k Jupiteru

Pevnost lana, kosmické smetí či zbytková atmosféra ovšem nepředstavují jediné výzvy, jimž budou konstruktéři čelit. Musejí se vypořádat například s podobou kabinek. Výtah totiž nebude využívat pohyblivý kabel, neboť by to znamenalo ohromnou komplikaci z hlediska vyvažování, dopravní kapacity nebo třeba různého průměru lana v různých částech. Naopak se budou pohybovat kabinky, otázka však zní, jaký zdroj energie pro ně zvolit. Povezou si jej s sebou? Budou využívat elektřinu přiváděnou nosným kabelem? Nebo jim poslouží například sluneční baterie?

Dále také musíme řešit rychlost, neboť se potřebujeme dostat do vzdálenosti desítek tisíc kilometrů. Kdybychom se vydali nahoru stejně rychle, jako jezdíme po českých dálnicích, dorazili bychom do cíle za více než jedenáct dní! I s rychlostí dopravního letadla musíme počítat téměř se dvěma dny cesty. Na druhou stranu se nepotřebujeme dostat až na geostacionární dráhu, protože vynášené těleso můžeme uvolnit zhruba ve dvou třetinách trasy: minimální vzdálenost činí 23 400 km od povrchu Země, pak zůstane objekt na silně eliptické dráze.

Kosmický výtah bude možné použít i pro cesty ke vzdálenějším cílům. Pokud náklad na dostatečně dlouhém laně uvolníme 51 000 km od naší planety, poletí k Měsíci. Při odhozu ve vzdálenosti 144 000 km se vydá k Jupiteru, jehož silné gravitační pole pak může těleso poslat prakticky do libovolného koutu Sluneční soustavy.

Mimochodem, nákladní kabinky budou pro kabel představovat další zátěž. Dnes se proto vedou akademické diskuse, zda je lepší použít jednu velkou, či několik menších. Zároveň se řeší jejich případné vyhýbání, protože výtah musí fungovat obousměrně.

Na jiných světech

Kosmickou zdviž lze přitom teoreticky postavit téměř na jakémkoliv vesmírném tělese. V řadě případů by to dokonce bylo jednodušší než na Zemi, protože bychom nemuseli řešit mnohé z výše uvedených problémů. Například stacionární dráha Marsu se nachází 17 000 km nad rovníkem, ovšem díky menší gravitaci (0,38násobku té pozemské) lze na uvedenou vzdálenost použít materiály, kterými disponujeme již dnes! Kosmické smetí se u rudé planety téměř nevyskytuje a díky jejímu řídkému plynnému obalu klesá i riziko kontaktů s částicemi zbytkové atmosféry. Obrovský problém naopak představuje měsíc Phobos, který kolem Marsu obíhá zhruba ve vzdálenosti 9 000 km, a každou chvíli by se tak střetl s nosným lanem.

Mnohem blíž než rudá planeta se ovšem nachází náš jediný přirozený satelit. Nemá stacionární dráhu, protože se otáčí příliš pomalu, můžeme však využít tzv. Lagrangeovy body. Jedná se o virtuální místa v soustavě Země–Měsíc–Slunce, kde se gravitační síly zmíněné trojice vyrovnávají (vliv ostatních těles můžeme zanedbat). Pokud bychom stavěli výtah na straně přivrácené k Zemi, mohli bychom si vzít na pomoc bod L1 ve vzdálenosti 56 000 km od lunárního povrchu; v případě odvrácené polokoule se bod L2 nachází 67 000 km daleko. Zatímco v bodě L1 se pak o těleso „přetahují“ Země s Měsícem, v L2 se jejich síly složí do jednoho vektoru a do hry vstupuje Slunce. A stejně jako v případě Marsu dokážeme lunární výtah vytvořit se stávajícími materiály.

Vítěz bere všechno

Navzdory všemožným překážkám nepřestává lidstvo o vesmírné zdviži snít, protože by mohla nabídnout rutinní, bezpečnou a zároveň levnou dopravu do kosmu. Agentury celého světa stále hledají způsoby její realizace, nejen proto, že je pro veřejnost podobná představa atraktivní, ale především proto, že by takové zařízení zcela změnilo naše vesmírné aktivity. Jasně to vyjádřil spoluautor knihy Opustit planetu kosmickým výtahem Philip Ragan: „První země, která nasadí vesmírný výtah v praxi, získá ohromný ekonomický náskok a bude velmi pravděpodobně řídit všechny kosmické aktivity.“