Himmelslift
Einsteigen, Knopf drücken - nächster Halt: Erdumlaufbahn. An einem 36 000 Kilometer langen Seil klettert die Kabine vom Äquator bis hinauf in den geostationären Orbit. Die Idee für einen Fahrstuhl ins All geht auf den russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski zurück. Inspiriert vom Pariser Eiffelturm entwarf er 1895 die grandiose Vision eines 36 000 Kilometer hohen Turms am Äquator. Den entscheidenden Gedanken hatte 1960 der russische Wissenschaftler Juri Artsutanow: Warum nicht das Gebäude weglassen? Das Tragseil des Fahrstuhls könnte man von einem geostationären Satelliten aus zur Erde herablassen und dann auf der Erde verankern. Zu breiter Popularität gelang die Idee 1978 durch den Roman "Fountains of Paradise" von Arthur C. Clarke, auf Deutsch unter dem Titel "Fahrstuhl zu den Sternen" erschienen.
Problemstellung
Wählt man die positive Richtung nach oben, bildet das Gravitationsfeld der Erde zusammen mit der Masse des Seils eine Impulssenke. Der Turm von Ziolkowski muss den in seinem Innern ans Gravitationsfeld wegfliessenden Impuls von der Basis her aufnehmen. Folglich wird der Turm an der Basis durch den nach oben (vorwärts) strömenden Impuls am stärksten auf Druck belastet.
Das Gravitationsfeld der Erde besteht aus zwei Teilen. Der eine Teil wird durch die Masse der Erde erzeugt und zeigt, falls die Erde als Kugel angesehen wird, das folgende Verhalten
- [math]g = -g_0 \frac {r_0^2}{r`2}[/math]
Der zweite Teil, der Zentrifugalterm hängt mit der Rotation der Erde zusammen
- [math]g_z = \omega^2 r[/math]
Würde man auf einer Leiter hochsteigen, könnte man spüren, wie das Gravitationsfeld immer schwächer wird. An der Stelle, an der das Gravitationsfeld bezüglich der Erde verschwindet, befinden sich die geostätionären Satelliten. Weiter aussen dominiert der Zentrifugalterm.
Beim Seil von Artsutanow wird der ans Gravitationsfeld abfliessende Impuls von oben her zugeführt. Das Seil muss deshalb mit einem Gegengewicht, das sich ausserhalb der geostationären Bahn befindet, gespannt werden. Weil alle Masse, die sich über der geostationären Bahn befindet, eine Impulsquelle bildet, ist bei geeigneten Dimensionierung des Gegengewichts das untere Ende des Seils unbelastet: was über der geostationären Bahn an Impuls zufliesst, geht unterhalb dieser Bahn aus dem Seil ans Gravitationsfeld weg. Somit ist der durch das Seil fliessende Impulsstrom bei der geostationären Bahn am Stärksten.
Doch schon Artsutanow erkannte, dass die Entwicklung eines geeigneten Tragseils das grösste Problem ist. Das Tragseil muss extrem reissfest und extrem leicht sein. Ein gewöhnliches Stahlseil würde bereits bei einer Länge von neun Kilometern unter der Last seines Eigengewichts zerreissen. Seit Anfang des 21. Jahrhunderts ist ein Material bekannt, das die Anforderungen erfüllen könnte: Kohlenstoffnanoröhren. Anfang 2004 ist es einem Wissenschaftlerteam um Alan Windle an der University of Cambridge gelungen, auf der Grundlage dieser Technologie einen etwa 100 Meter langen Faden herzustellen. Kohlenstoffnanoröhren haben ein bis zu 100 mal besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht als Stahl, deshalb ist dieser Werkstoff ein möglicher Kandidat für den Weltraumlift. Jedoch ist die Technologie noch längst nicht ausgereift.