Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Verklighetens Jack och bönstjälken – kom så tar vi hissen till rymden!

Konstnärens vivion av en hiss till rymden.
Bildtext Så kunde ankarstationen till en rymdhiss se ut, någonstans vid ekvatorn.

Varför riskera livet och miljön med en bullrig och stökig rymdraket när vi kunde ta hissen upp till rymden? Jo, du hörde helt rätt. Hissen. Rymdhissen. I princip snackar vi om det indiska reptricket, fast på riktigt. Ett tiotusentals kilometer långt rep, fäst någonstans vid ekvatorn, som man kan hissa sig upp och ned längs, fram och tillbaka till rymden. 

Skratta lagom: Nasa tar det här på allvar och säger att det kan gå att göra. Det japanska företaget Obayashi Corp. strävar efter att ha en fungerande rymdhiss senast 2050. Kineserna vill ha sin rymdhiss klar 2045.

Verklighetens Jack och bönstjälken - kom så tar vi hissen till rymden!
Verklighetens Jack och bönstjälken - kom så tar vi hissen till rymden! - Spela upp på Arenan

Det här är inte någonting nytt direkt, konceptet med en hiss till rymden har varit känt sedan 1895 då Konstantin Tsiolkovski först visionerade om saken.

Men det är inte förrän de senaste tiotals åren eller så, som vi har utvecklat material som börjar närma sig den styrka och lätthet som krävs för att kunna tillverka hissens kabel. 

Om och när rymdhissen blir verklighet, skulle det ju ha otroliga fördelar för rymdfarten - och för miljön, när inget bränsle behöver brännas för att man ska kunna ta sig till rymden. 

Precis som när Jack klättrade upp i skyn längs sin magiska bönstjälk - fast på riktigt!

En väldig bönstjälk växte upp ur marken där modern kastat de magiska bönorna. Stjälken var tjock och hög - så hög att den nådde ända upp till molnen! "Mamma, kom och titta!" ropade Jack. Och tillsammans stod de i trädgården och stirrade upp på den makalösa  bönstjälken. "Jag undrar vart den leder?" sa Jack. "Jag kanske borde klättra upp och titta efter."

― Engelsk folksaga från 1700-talet

Sagan om Jack och bönstjälken hörde till mina favoriter när jag var barn. Det är någonting med att se sitt hem från fågelperspektiv som alltid har fascinerat oss jordbundna varelser. 

Numera behöver vi inte nöja oss med fågelperspektiv. Vi har, som de första levande varelserna i jordens historia, fått se vårt hem, jorden, utifrån. Från rymden. Dessvärre är det här ett privilegium som har förärats ytterst få av oss. Till dags dato har bara drygt 500 människor färdats utanför jordens atmosfär.

Bild av en sagobok "Jack och bönstjälken".
Bildtext Sagan om Jack och bönstjälken härstammar från 1700-talets England.

Problemet är att vi inte har någon magisk bönstjälk att klättra längs. Därför är vi tvungna att använda raketer. Och raketer är dyra, farliga och besvärliga. Allt bränsle du behöver för resan måste du ha med dig när du startar.

Rymdraketen, som att sitta på en atombomb

En rymdraket är lite som att sitta på en atombomb som genomgår en långsam, kontrollerad och riktad explosion. Allt för att uppnå den där magiska hastigheten som gör det möjligt att skaka av sig gravitationens bojor. Flykthastighet kallas det.

Flykthastigheten är alltså den hastighet som behövs för att man ska kunna ta sig bort från en himlakropp utan att dras tillbaka av gravitationen. Jordens flykthastighet är ca 11 km/s (39 300 km/h). 

Mars till exempel, har en lägre flykthastighet eftersom Mars är så mycket mindre än jorden. Jupiter, solsystemets största planet, har en väldigt stor flykthastighet eftersom gasjätten Jupiter är så enorm.

Men nu ska vi inte lämna Jupiter, vi ska lämna jorden. Dryga 39 000 kilometer i timmen, det går ännu att fixa - bevisligen. Men det kräver bränsle. 

Och vad är det som det bränslet gör? Vi repeterar det där som Isaac Newton hade att säga om saken. Newtons tredje rörelselag säger att två kroppar påverkar varandra med lika stora men motriktade krafter. 

Rymdfärjan Challenger startar från Cape Canaveral den 28 januari 1986. Strax efter starten exploderar den.
Bildtext En rymdraket måste accelera upp till 39 300 km/h för att frigöra sig från jordens gravitation.

Med andra ord, vill du röra dig uppåt måste du skapa en nedåtriktad kraft. Det är därför som raketer väsnas så mycket, med eld och rök som skjuter ut där nedifrån.

Vi har varit inne på det här tidigare här i Kvanthopp. Det är sist och slutligen ganska lite nyttolast du kan skjuta iväg ut i rymden med en och samma raket. Absolut största delen av en rakets startvikt består ju av bränsle. 

Det här har lett till att det kostar skjortan att frakta saker till rymden. Tiotals tusen euro bara för att få ett kilo last till låg omloppsbana, där som internationella rymdstationen kretsar.

(I och för sig, fraktkostnaderna har kommit ned en del på sistone, sedan SpaceX lärde sig landa och återanvända sina bärraketer efter utfört uppdrag. Men det är fortfarande väldigt dyrt.)

Rymdhissen, en revolution för rymdfarten

Tänk hur mycket billigare och enklare det skulle vara att skippa raketerna helt och hållet, och göra som Jack med bönstjälken. Tänk om vi byggde en hiss till rymden! Det skulle ju revolutionera rymdindustrin totalt. Kostnaden för att frakta upp material och människor genom att hissa sig till rymden längs en kabel skulle bara blir en bråkdel av vad det kostar att skjuta upp raketer.

För att inte tala om att miljön skulle vinna på det. Raketer förorenar!

Högst uppe vid hissens “ändstation” skulle man sedan såklart bygga en rymdstation som skulle bli till en rymdhamn för färderna utåt, mot månen och planeterna. 

Inte att undra på att de stora grabbarna och tjejerna i branschen jobbar hårt på att göra verklighet av de högtflygande planerna. Det japanska byggföretaget Obayashi Corp har planer på att bygga en rymdhiss fram till år 2050. Kina har liknande planer, med deadline 2045. 

I anslutning till det japanska projektet rustade Shizuoka-universitetet upp två Cubesat-mikrosatelliter (STARS-Me) för att testa konceptet för några år sedan. Satelliterna skickades upp till Internationella rymdstationen 2018.

Två japanska mikrosatelliter sammanlänkade med en kabel.
Bildtext Det första STARS-experimentet med två hoplänkade mikrosatelliter misslyckades dessvärre.

De två mikrosatelliterna var ihopkopplade med en tunn, 14 meter lång kabel och en mini-”hiss” som kröp av och an längs tråden som en rymdspindel. Bara som ett första försök att testa konceptet i praktiken, i liten skala. Ett ytterligare test (Stars-EC) bestående av tre separata mikrosatelliter (sammanlagd längd: 22 meter), genomfördes nu i år.

Steget från en miniatyrhiss som kryper av och an mellan två satelliter till en fullskalig transporthiss som fraktar folk och gods mellan jordens yta och rymden, är ju hur som helst enormt.

Faktum är att själva konceptet med en rymdhiss må låta som att någon har rökt någonting konstigt, men det är de facto inte så galet som det kan verka vid första anblicken. Fakirernas gamla reptrick kan nämligen omvandlas från illusion till verklighet, och lyfta oss mot stjärnorna. Det är faktiskt ganska enkel fysik som ligger som grund för det hela. 

Tack vare nya material som har utvecklats de senaste årtiondena så börjar det se ut som att det också kan gå att göra i praktiken. Åtminstone på lite längre sikt.

Och då sjunker med ens kostnaderna för rymdfrakt radikalt. Inte minst som hissen som lyfter oss mot skyn sannolikt skulle drivas med solenergi. Det finns beräkningar som visar att rymdhissen skulle kunna betala igen sig själv på bara tio år. 

Simpel bakomliggande princip

Men innan vi börjar nörda in oss på alla de superexotiska och svindyra material som en rymdhiss onekligen skulle förutsätta - vad bygger rymdhissen på, vilken är den bakomliggande principen som vi snackar om här? 

Faktum är att du själv kan testa den här principen där hemma. Det enda du behöver är en repstump. Knyt repet kring din midja så att det hänger en stump på en meter eller så ned från din midja. Börja sedan snurra runt.

Först, när du stod stilla hängde repet bara rakt ned mot marken. Sedan, när du började snurra runt, spändes repet ut så att det var parallellt med markytan, om du snurrade fort nog. Det kallas centrifugalkraft. Busenkelt.

Just så busenkel är principen bakom rymdhissen också. Ett rep fastknutet i jordens “midja”. Om man riktigt destillerar ned idén till sin allra enklaste grundform.

Den som först kom på tanken om att klättra till rymden var alltså den ryska raketpionjären Konstantin Tsiolkovskij, känd som rymdfartens fader. Men Tsiolkovskij närmade sig problemet ur en lite annorlunda vinkel. Året var 1895.

Den ryska raketpionjären Konstantin Tsiolkovskij på ett frimärke.
Bildtext Den ryska raketpionjären, "rymdfartens fader", Konstantin Tsiolkovskij var också den första som föreställde sig en hiss till rymden. Eller i hans fall kanske snarare ett torn.

Tsiolkovskij fick sin idé efter ett besök i Paris där Eiffeltornet vid den här tiden precis hade byggts färdigt. Tsiolkovskij såg framför sig ett torn, bokstavligen, som sträckte sig ända upp till den höjd där vår tids TV-satelliter kretsar, på cirka 36 000 kilometers höjd. Den här omloppsbanan kallas geostationär omloppsbana.

Den geostationära omloppsbanan är alltså en cirkulär omloppsbana ovanför jordens ekvator, på ett sådant avstånd att en satellit i den här banan roterar runt jorden i samma riktning, och med samma omloppstid som jorden själv roterar runt sin axel. 

Det finns bara en enda geostationär bana. Satelliter på lägre höjd än så måste snurra snabbare än jorden för att inte trilla ner och satelliter på högre höjd måste snurra långsammare för att inte slungas ut i rymden.

Men en satellit som befinner sig just på den här höjden ser alltså ut att stå stilla i förhållande till en observatör nere på jorden. Det är därför som TV-satelliter och liknande placeras på geostationär bana, för att de ska kunna betjäna ett visst område på jorden utan att försvinna bakom horisonten med jämna mellanrum.

36 000 kilometer högt Eiffeltorn

Och eftersom Konstantin Tsiolkovskijs torns topp skulle ligga på den geostationära omloppsbanans höjd, skulle det i praktiken vara som ett enormt, 36 000 kilometer högt Eiffeltorn.

Det säger ju sig självt att det finns vissa utmaningar med att bygga ett sådant torn, inte minst om man gör som Gustave Eiffel och använder stålbalkar… För att inte tala om tegelstenar. Hur som helst, snacka om Babels torn! Hur var det nu det står i 1 Mosebok:

De sa till varandra: ”Låt oss tillverka bränt tegel.” Så använde de tegel som byggsten och beck som murbruk. Sedan sa de: ”Låt oss bygga en stad med ett torn som når upp till himlen och göra vårt namn känt, så att vi inte skingras över hela jorden.”

Pieter Brueghel den äldres målning föreställande Babels torn.
Bildtext Pieter Bruegels vision av Babels torn.

Vi kan lugnt säga att det krävs lite modernare lösningar om vi ska bygga en rymdhiss. Ett torn baserat på kompression, alltså bitar av material som man staplar ovanpå varandra funkar bara inte. De understa tegelstenarna eller balkarna, vad de än är gjorda av, skulle ju smulas sönder omedelbart av tornets tyngd.

Så numera utgår man från en struktur som bygger på dragspänning istället. Det vill säga, det bygger inte på saker som är staplade på varandra, utan det hela är snarare i form av en kabel som hålls utspänd av centrifugalkraften. 

Också den här modellen är av ryskt ursprung. 1959 föreslog den ryska ingenjören Juri Artsutanov en lösning där man utgår från en geostationär satellit ovanför ekvatorn, på 36 000 kilometers höjd. 

Från den geostationära punkten sänker man sedan en kabel ned till jorden, samtidigt som man matar ut en kabel med en motvikt i änden i den motsatta riktningen. Eventuellt en mindre infångad asteroid. Det här håller kabelns position över jorden stationär.

"Himmelskroken"

1966 publicerades en artikel i den vetenskapliga tidskriften Science där fyra amerikanska ingenjörer vid namn Isaacs, Vine, Bradner och Bachus beskrev sitt koncept kallat “Sky-Hook”, himmelskroken. Deras beräkningar landade på att en kabel stark nog för det här ändamålet måste ha en mångdubbel brottstyrka jämfört med något material känt vid den här tiden. Inklusive grafit, kvarts, kevlar, spindeltråd och diamant.

Ännu en amerikansk forskare, Jerome Pierson, kom med ett förslag 1975. I en artikel i tidskriften Acta Astronautica föreställde sig Pierson en kabel med varierande tjocklek. Kabeln skulle vara som tjockast uppe vid den geostationära omloppsbanan, där som påfrestningen är som störst, och smalna av nedåt mot jorden och uppåt mot motvikten.

Själva motvikten skulle i Piersons modell sakta släppas utåt, an efter som den nedre sträckan av hisskabeln byggs ut och förstärks.  Det här skulle resultera i att hela strukturen till slut skulle nå hela 144 000 kilometer ut i rymden. Nästan halva avståndet till månen.

Grafisk framställning av en rymdhiss.
Bildtext International Space Elevator Consortium jobbar också på en rymdhiss. https://www.isec.org/

Jerome Piersons beräkningar tog i beaktande diverse störningar som skulle uppstå på grund av tidvattenkrafterna från månen, och inverkan från stormar nere vid marknivån. Och såklart påverkan från själva hissen, eller hissarna, som transporterar frakt upp och ned längs kabeln.

Pierson räknade ut att själva byggandet av en sådan här struktur i det inledande skedet skulle kräva tusentals flygningar upp och ned med rymdfärjan, eller en motsvarande farkost. An efter som kabeln växer i styrka, kunde man ju sedan börja frakta upp byggmaterialet längs själva kabeln. 

Alternativt kunde råmaterialet till hissen utvinnas i rymden, från en mineralhaltig asteroid som man använder som rymdgruva. Eller så kunde man utvinna materialet på månen, som har en svagare gravitation än jorden. Det här gör det enklare att lyfta upp saker i rymden därifrån än från jorden.

Kolnanorören, superstarka och -lätta

Men ännu vid den här tiden då Jerome Pierson gjorde sina uträkningar, stod det klart att de material som existerade då inte skulle ha den tillräckliga styrkan och lättheten som en rymdhisskabel kräver.  Men när vi kommer en bit in på 1990-talet hade nya, exotiska material som kolnanorör kommit med i bilden. Med ens börjar det hela se betydligt mer realistiskt ut, och mindre science fiction.

Kolnanorör är molekylära rör (eller cylindrar) uppbyggda av hoprullade ark av kolatomer ordnade i hexagonalt mönster. Diametern av ett kolnanorör kan vara mindre än 1 nanometer, det vill säga ungefär en tiotusendel av ett av dina hårstråns tjocklek.

Material baserade på kolnanorör kan ha en otroligt hög draghållfasthet - 100 gånger starkare än stål. Det kan också ge strukturer som är oerhört styva men ändå extremt lätta. Jämfört med stål, till exempel. I teorin skulle man kunna konstruera en kabel för en rymdhiss med hjälp av kolnanorör. Det här enligt beräkningar från 90-talet, gjorda av en Nasaforskare vid namn David Smitherman. 

På sistone har också andra exotiska, nya material kommit på tal: diamantnanotråd, som har egenskaper som påminner om kolnanorör. Och grafen, supermaterialet som har varit på allas läppar de senaste tio åren eller så, med alla tänkbara spännande egenskaper. Nobelpriset i fysik 2010 gick till forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov "för banbrytande experiment rörande det tvådimensionella materialet grafen”.  

Grafisk framställning av det tvådimensionella materialet grafen.
Bildtext Grafen är ett "tvådimensionellt" material, ett atomlager tjockt, bestående av kolatomer i hexagonalt mönster. Superlätt och 200 gånger starkare än stål.

Med tvådimensionellt menas alltså att ett “ark” med grafen bara har en tjocklek på ett enda lager kolatomer, vilket ger det speciella egenskaper som ledare av el, till exempel - eventuellt rentav supraledande. 

Det är värt att notera att nästan alla moderna lösningar som har föreslagits när det kommer till rymdhissens “kabel” på något sätt har att göra med kol. Nanofibrer baserade på kol i en eller annan konstellation. 

Det här har en enkel förklaring. Kol har fördelen att det är det sjätte lättaste av alla grundämnen. Kol har med andra ord det låga atomnumret sex. En kolatom har alltså väldigt få protoner och neutroner i kärnan. Det här gör alltså kol väldigt lätt. 

Dessutom har kol den fördelen att det bildar väldigt starka bindningar mellan atomerna, i förhållande till atomens massa. Du får alltså ett material som är superstarkt men ändå lätt. Till exempel så är grafen 200 gånger starkare än stål, gram för gram.  

Med andra ord kan nanofibrer gjorda av kol göras väldigt tunna. Rymdhissens kabel kan på det här sättet vara knappt en millimeter tjock. Sedan kan man ju göra den en meter bred eller så.

Problemet med att väva långa rymdhisskablar av kolnanorör har hittills varit att det har visat sig vara svårt att producera dem i tillräckliga längder. Hittills har vi snackat om centimetrar snarare än tiotusentals kilometer.

Nästa steg: rymdhissar på månen och Mars

Och sedan när vi lär oss bygga rymdhissar här på jorden så kan vi ju tillämpa samma teknik på alla planeter och månar vi reser till. Åtminstone de som har en fast yta att fästa en hisskabel i. Plötsligt behöver man inte oroa sig för tillgången på bränsle när man vill ta sig upp från en himlakropps yta och ned igen. Till exempel skulle Mars bli oerhört mycket lättare tillgängligt.

Återstår att se hur det hela förverkligas i praktiken. Det japanska projektet som drivs av byggföretaget Obayashi Corp. låter ju spännande, åtminstone på pappret. Deras rymdhiss, som alltså har siktet ställt på 2050, skulle lyfta mot rymden på en 96 000 kilometer lång kabel av grafen-nanorör.

Själva kabeln är tänkt att klara av att bära en 100 ton tung hiss. I den yttre änden av kabeln skulle sitta en 12 500 ton tung motvikt. 20 år tänker sig Obayashi Corp. att det skulle ta att väva färdigt en sådan kabel och spänna upp den mellan himmel och jord.

Naturligtvis är det här bara början, att bygga själva hissen med kabel och allt. Sedan gäller det också att skydda den mot farorna som lurar, både här på jorden och i rymden.

Konstnärens vision av en rymdhiss på Mars.
Bildtext Kan man bygga en rymdhiss på jorden så kan man i princip bygga en på andra planeter och månar också. Som här, i konstnärens föreställning, på Mars.

Ett av de allvarligaste hoten är rymdskrot. Små och större bitar av trasiga raketer och satelliter som kretsar runt jorden i hastigheter på tiotusentals kilometer i timmen - snabbare än de snabbaste gevärskulorna. Den amerikanska försvarsmakten känner just nu till omloppsbanorna för mer än en halv miljon individuella bitar rymdskrot.

Också små fragment av rymdskrot kan, i värsta fall, åstadkomma stora skador på själva kabeln och hissarna som löper längs den. Och till skillnad från en rymdstation så kan man inte flytta en rymdhisskabel sådär bara, för att ducka för en hotande bit av rymdskrot. Så man blir tvungen att hitta på ett sätt att eliminera skroten. 

Också mänskliga hot som terrorism måste tas i beaktande när man planerar byggandet av rymdhissen. Det säger nästan sig självt att en megastruktur som en rymdhiss skulle bli ett eftertraktat mål för eventuella terrorister. Också i fall av ett större krig, skulle rymdhissen sannolikt finna sig själv med en måltavla på korgen. 

Men de flesta experter som har något att säga om sådana här saker är ense om att dylika problem är till för att övervinnas, och att det kommer att göras, förr eller senare. Det pågår hela tiden diverse projekt och planer för att göra projektet verklighet.

Och visst skulle det ju vara häftigt! En rymdhiss skulle öppna upp rymden för otaliga fler människor, och för entreprenörskap som vi inte ens kan föreställa oss idag. Utan att äventyra vare sig miljön eller rymdresenärernas liv (värst mycket), då man kan klättra till rymden, sakta och försiktigt, med solens kraft. 

Som en modern Jack längs sin bönstjälk till stjärnorna.

Diskussion om artikeln