اگر آسانسور فضایی سقوط کند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟
میلاد میرکانی
آسانسور فضایی، سازه‌ای علمی-تخیلی است که مشکل ارسال اجسام به مدار بدون استفاده از موشک را حل می‌کند؛ اما اگر چنین آسانسوری 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.
سقوط کابل آسانسور چگونه خواهد بود؟
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