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Giovedì, Novembre 23, 2017
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L'ascensore spaziale: un metodo alternativo per andare nello spazio

Delle molte idee per andare nello spazio sicuramente quella dell'ascensore spaziale è la più interessante. Ma cos'è l'ascensore spaziale?

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 (35 876 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.

Concetto la cui paternità 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 altresì la sua massa maggiore concentrata alla sommità piuttosto che alla base.

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.

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)[6]. 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.

Inoltre ci potrebbero essere anche problemi legati alla politica infatti 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.


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