اگر آسانسور فضایی سقوط کند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

در نخستین قسمت از مجموعه تلویزیونی بنیاد در اپل تی‌وی، شاهد اقدام تروریستی برای انهدام آسانسور فضایی مورد استفاده به‌دست امپراطوری کهکشانی هستیم. به همین بهانه، قصد داریم در این مقاله درباره‌ی فیزیک آسانسورهای فضایی صحبت کنیم تا دریابیم اگر یکی از این سازه‌های فضایی منفجر شوند،. چه اتفاقی رخ خواهد داد. در ادامه با زومیت همراه باشید.

ما انسان‌ها دوست داریم اجسام را در خارج از جو زمین قرار دهیم. این کار به ما امکان می‌دهد تا ماهواره‌های هواشناسی، ایستگاه فضایی، ماهواره‌های موقعیت‌یاب و حتی تلسکوپ فضایی جیمز وب را داشته باشیم؛ اما در حال حاضر، تنها گزینه‌ی ما برای فرستادن اجسام درون فضا، اتصال آن‌ها به یک انفجار شیمیایی کنترل‌شده یا در‌ واقع همان چیزی است که «موشک» می‌نامیم.

اشتباه برداشت نکنید. موشک‌ها وسایلی جذاب و شگفت‌انگیز هستند؛ اما در‌ عین‌‌ حال هزینه‌ی بسیار بالا و بازدهی پایینی دارند. بیایید تصور کنیم ارسال جسمی یک کیلوگرمی به مدار نزدیک زمین (LEO)، نیازمند چه چیز است. این مدار در‌ حدود ۴۰۰ کیلومتری فراز سطح زمین و تقریباً همان جایی است که ایستگاه فضایی بین‌المللی به دور زمین می‌چرخد. به‌منظور رساندن این جسم به مدار نزدیک زمین، باید دو کار بزرگ انجام دهید. اول، باید آن را تا ارتفاع ۴۰۰ کیلومتر بالا ببرید؛ اما اگر فقط ارتفاع جسم را افزایش دهید، آن جسم به مدت طولانی در فضا باقی نخواهد ماند و به‌راحتی به سمت زمین بازمی‌گردد. در‌ ‌نتیجه، برای آنکه این جسم را در مدار نزدیک زمین نگه دارید، باید آن را با سرعتی بالا به حرکت درآورید.

پیش از ادامه، بگذارید یادآوری کوتاهی درباره‌ی مبحث انرژی داشته باشیم. از قرار معلوم، مقداری از انرژی که صرف یک سیستم می‌کنیم (آن را کار می‌نامیم)، با تغییر در انرژی آن سیستم برابر است. ما می‌توانیم انواع مختلف انرژی را به صورت ریاضی مدل‌سازی کنیم. انرژی جنبشی، انرژی جسم به‌خاطر سرعت آن است. در‌‌ نتیجه اگر سرعت جسمی را افزایش دهید، انرژی جنبشی آن افزایش می‌یابد. انرژی پتانسیل گرانشی به فاصله‌ی بین جسم و زمین بستگی دارد؛ بدین معنا که افزایش ارتفاع جسم، انرژی پتانسیل گرانشی آن را افزایش می‌دهد.

بنابراین فرض کنید می‌خواهید از موشک به‌منظور افزایش انرژی پتانسیل گرانشی جسم (برای بالا بردن آن تا مدار مناسب) استفاده کنید و انرژی جنبشی را نیز (به‌منظور بالا بردن سرعت) افزایش دهید. قرار گرفتن در مدار، بیشتر به سرعت مربوط می‌شود تا ارتفاع. فقط ۱۱ درصد از انرژی به‌صورت انرژی پتانسیل گرانشی و باقی آن، انرژی جنبشی خواهد بود.

مجموع انرژی مورد نیاز برای قرار دادن آن جسم یک کیلوگرمی در مدار، تقریباً ۳۳ میلیون ژول خواهد بود. برای مقایسه، اگر کتابی را از کف خانه بردارید و روی میز بگذارید، تقریباً ۱۰ ژول مصرف خواهد شد. قرار گرفتن در مدار به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد.

اما مشکل اصلی در‌ واقع بسیار دشوارتر از آن است. موشک‌های شیمیایی فقط برای رساندن آن جسم یک کیلوگرمی به مدار، به انرژی نیاز ندارند، بلکه آن‌ها برای سفر به مدار نزدیک زمین، باید سوخت خود را نیز حمل کنند. این سوخت تا وقتی مصرف نشده باشد، اساساً فقط وزن اضافی به‌عنوان محموله است؛ بدین معنا که موشک‌ها باید با سوخت هرچه بیشتر پرتاب شوند. برای اغلب موشک‌های واقعی، تا ۸۵ درصد از وزن کلی می‌تواند صرفاً به سوخت مربوط باشد. نیازمندی به این حجم از سوخت، بازدهی را به‌شدت پایین می‌آورد.

بنابراین چه می‌شود اگر جسم شما به‌جای پرتاب بر ‌فراز موشک شیمیایی، بتواند به‌راحتی سوار کابلی شود که آن را مستقیم به فضا می‌رساند؟ این همان اتفاقی است که با آسانسور فضایی رخ می‌دهد.

فرض کنید برج عظیمی ساخته‌اید که ۴۰۰ کیلومتر ارتفاع دارد. می‌توانید سوار بر آسانسور تا بالای برج بروید و سپس در فضا خواهید بود. ساده به‌نظر می‌‌آید؛ اما نه، اصلاً این‌طور نیست. اول از همه، شما نمی‌توانید به‌راحتی سازه‌ای مانند این را از فولاد بسازید. وزن، احتمالاً قسمت‌های پایینی برج را فشرده و فرو می‌پاشاند. همچنین، ساخت چنین برج مرتفعی به حجم بسیار زیادی از مواد احتیاج خواهد داشت.

اما دو معضل اشاره‌شده، بزرگ‌ترین مشکل به‌شمار نمی‌آیند؛ زیرا مسئله‌ی سرعت همچنان پابرجا است (فراموش نکنید که برای قرار گرفتن درون مدار به سرعت بسیار زیاد نیاز دارید). اگر بر‌ فراز برجی ۴۰۰ کیلومتری ایستاده باشید که پایه‌ی آن جایی در استوای زمین قرار دارد، واقعاً در‌ حال حرکت خواهید بود؛ زیرا زمین در‌ حال چرخیدن است. این دقیقاً به حرکت یک شخص بیرون از چرخ‌وفلکِ در‌ حال چرخش شباهت دارد. از آنجاکه زمین تقریباً یک بار در روز می‌چرخد (بین روز خورشیدی و روز نجومی تفاوت وجود دارد)، سرعت زاویه‌ای آن ۷٫۲۹ در ۵-۱۰ رادیان بر ثانیه است.

سرعت زاویه‌ای با سرعت خطی متفاوت است. سرعت زاویه‌ای به جای اندازه‌گیری آنچه به‌طور معمول به‌عنوان سرعت می‌شناسیم (حرکت در خط مستقیم)، سرعت چرخشی را می‌سنجد. (به جای درجه، رادیان واحد اندازه‌گیری برای استفاده در چرخش‌ها است).

اگر دو نفر روی چرخ‌وفلکی در‌ حال چرخش ایستاده باشند، هر دو سرعت زاویه‌ای یکسان خواهند داشت (فرض کنید ۱ رادیان بر ثانیه)؛ بااین‌حال، شخصی که از مرکز چرخش دورتر است، سریع‌تر حرکت خواهد کرد. فرض کنید یک نفر ۱ متر از مرکز چرخش و شخص دیگر، ۳ متر از مرکز فاصله دارد. سرعت آن‌ها به ترتیب ۱ متر بر ثانیه و ۳ متر بر ثانیه خواهد بود. بنابراین، این امکان وجود دارد که به اندازه‌ی کافی دور شوید تا چرخش زمین، سرعت مداری مورد نیاز برای ماندن در مدار اطراف سیاره را به شما بدهد.

بیاید به مثالمان از شخص ایستاده بر‌ فراز برج ۴۰۰ کیلومتری بازگردیم. آیا آن‌ها به اندازه‌ی کافی از زمین دور هستند تا بتوانند در مدار باقی بمانند؟ برای یک چرخش کامل زمین، سرعت زاویه‌ای آن‌ها ۲ پی رادیان بر روز خواهد بود. این مقدار ممکن است چندان سریع به نظر نیاید؛ اما در استوا، این چرخش سرعت ۴۶۵ متر بر ثانیه را به شما می‌دهد که بیش از ۱۶۰۰ کیلومتر بر ساعت می‌شود. بااین‌حال، همچنان کافی نیست. سرعت مداری (سرعت مورد نیاز برای ماندن در مدار) در آن ارتفاع، ۷٫۷ کیلومتر بر ثانیه یا بیش از ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت است.

در‌ حقیقت، پای یک عامل دیگر در‌ میان است: هرچه شما فاصله‌تان را از زمین افزایش دهید، سرعت مداری نیز کاهش می‌یابد. اگر از ارتفاع ۴۰۰ کیلومتر به ۸۰۰ کیلومتر از سطح زمین بروید، سرعت مداری از ۷٫۷ کیلومتر بر ثانیه به ۷٫۵ کیلومتر بر ثانیه کاهش می‌یابد. به نظر نمی‌آید که این مقدار کاهش بزرگی باشد؛ اما فراموش نکنید در‌ حقیقت این شعاع مداری است که اهمیت دارد؛ نه فقط ارتفاع بر‌ فراز سطح زمین. از‌ نظر تئوری، می‌توانید برجی جادویی با ارتفاع کافی بسازید که بتوانید صرفاً با بالا رفتن از آن در مدار باشید؛ اما ارتفاع این برج باید ۳۶ هزار کیلومتر باشد. ساخت چنین سازه‌ای امکان‌پذیر نخواهد بود.

در‌ اینجا موضوعی بسیار جالب و کاربردی‌تر وجود دارد: مدار ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری، نام ویژه‌ای دارد. این مدار، زمین‌آهنگ نامیده می‌شود؛ یعنی زمانی که طول می‌کشد جسم یک مدار را کامل کند، با زمان مورد نیاز برای یک دور چرخش زمین دقیقاً برابر است. اگر جسمی را در این مدار به‌طور مستقیم برفراز استوا قرار دهید، در مکان یکسان در آسمان نسبت به سطح زمین ظاهر خواهد شد. (این مدار زمین‌ثابت نام دارد). این یکسانی دوره‌ی مداری، خصوصیتی کاربردی محسوب می‌شود؛ زیرا می‌دانید دقیقاً در کجای آسمان می‌توانید جسم را پیدا کنید. مدار زمین‌ثابت برقراری ارتباط با اجسامی نظیر ماهواره‌های تلویزیونی یا هواشناسی را آسان‌تر می‌کند.

بسیار خب، برگردیم به آسانسور فضایی. اگر نمی‌توانیم از روی زمین برجی با ارتفاع دیوانه‌وار بسازیم، می‌توانیم کابلی ۳۶ هزار کیلومتری را از جسمی که در مدار زمین‌ثابت قرار دارد،‌ آویزان کنیم. مشکل ظاهراً حل شد: اکنون آسانسور فضایی داریم. برای آنکه این ایده جواب بدهد، به جرمی بزرگ در مدار (چه ایستگاه فضایی چه سیارکی کوچک) نیاز داریم. این جرم باید بزرگ باشد تا هر بار که چیزی از کابل بالا می‌رود، از مدار خارج نشود.

اما شاید اکنون بتوانید مشکل این آسانسور فضایی را بفهمید. چه کسی می‌خواهد کابلی به طول ۳۶ هزار کیلومتر بسازد؟ برای کابلی چنین بلند، حتی قدرتمندترین مواد مثل کولار باید به‌منظور جلوگیری از پاره‌ شدن بسیار ضخیم باشند. البته، کابل‌های ضخیم‌تر به معنای آویزان‌ شدن وزن بیشتر در پایین است و این یعنی بخش‌های بالاتر کابل باید بسیار ضخیم‌تر باشند تا از بخش‌های پایین پشتیبانی کنند. این مشکلی مرکب محسوب می‌شود که حل آن اساساً غیرممکن به نظر می‌آید. تنها امید برای ساخت آسانسور فضایی در آینده، پی‌ بردن به چگونگی به‌کارگیری برخی مواد ابرقدرتمند و سبک مانند نانولوله‌های کربنی است. شاید یک روز این ایده را عملی کنیم؛ اما آن روز امروز نیست.

در نخستین قسمت از مجموعه‌ی تلویزیونی بنیاد، برخی افراد تصمیم می‌گیرند مواد منفجره‌ای را کار بگذارند که ایستگاه بالای آسانسور فضایی را از بقیه کابل جدا می‌کند. این کابل روی سطح سیاره سقوط و ظاهراً آسیبی واقعی به آنجا وارد می‌کند.

اما سقوط کابل آسانسور فضایی در دنیای واقعی چگونه خواهد بود؟ مدل‌سازی این اتفاق ساده نیست؛ اما می‌توانیم حدس تقریبی بزنیم. بیایید کابل را به گونه‌ای مدل‌سازی کنیم که از ۱۰۰ قطعه‌ی مجزا تشکیل شده است. هر قطعه به دور زمین، اما با همان سرعت زاویه‌ای سیاره، شروع به حرکت می‌کند. در کابل آسانسور فضایی واقعی، مقداری نیروی کششی بین قطعات وجود خواهد داشت. اما صرفاً به منظور سادگی، در مدل هر قطعه فقط نیروی گرانشی ناشی از برهمکنش با زمین را خواهد داشت. اکنون با اندکی کدنویسی در پایتون می‌توان حرکت این ۱۰۰ قطعه‌ی مجزای کابل را مدل‌سازی کرد تا فهمید در‌ صورت سقوط آن‌ها، چه اتفاقی رخ می‌دهد. سقوط کابل آسانسور فضایی این‌گونه خواهد بود:

همان‌طور که می‌بینیم، بخش پایین کابل روی زمین سقوط می‌کند و احتمالاً خسارتی شدید به بار می‌آورد. در این مدل، کابل هرچند با کل طول خود می‌تواند حین سقوط تقریباً تمام محیط زمین را که ۴۰ هزار کیلومتر است، بپوشاند، فقط حدود یک‌سوم از مسیر پیرامون استوا را فرا می‌گیرد.

برخی از بخش‌های کابل ممکن است اصلاً به سطح زمین برخورد نکنند. اگر سقوط قطعات به اندازه‌ی کافی از ارتفاع بالا آغاز شود، سرعت آن‌ها با نزدیک‌تر شدن به سطح افزایش خواهد یافت. این احتمال وجود دارد که قطعات آنقدر سرعت بگیرند تا به مداری غیردایره‌ای پیرامون زمین وارد شوند. اگر در استوا زندگی می‌کنید، در مکان خوبی قرار دارید. بهتر است که بقایا در فضا باشند تا اینکه روی سر شما سقوط کنند، مگر نه؟

البته اگر کابل هنوز سالم باشد، آنگاه هر قطعه می‌تواند دیگر قطعات مجاور را بکشد. این اتفاق موجب می‌شود که بخش‌های بیشتری از کابل روی زمین سقوط کنند. اما در مقطعی، نیروهای واردشده آنقدر قدرتمند خواهند شد که کابل را متلاشی می‌کنند. سقوط کابل همچنان به شکل‌گیری زباله‌های فضایی ختم خواهد شد. در‌ نتیجه نه‌تنها ساخت آسانسور فضایی بسیار مشکل است، بلکه پارگی و سقوط کابل آن اصلاً پیامد خوبی نخواهد داشت. شاید اینکه در عرصه‌ی اکتشافات فضایی هنوز در مرحله‌ی موشکی به سر می‌بریم، اتفاق خوبی است.