آسانسور فضایی

شرکت در آزمونآسانسور فضایی فعلا یک ایده ی خیالی است که اولین بار در حدود 35 سال پیش توسط "سی کلارک" مطرح شد. این ایده این است که بتوانیم یک آسانسور بسازیم که ما را تا کیلومترها از سطح زمین دور کند. برای ساخت این طرح بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: کابل، بالارونده و منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است.حتما بارها و بارها سوار آسانسور شده‌اید: طبقه اول، دوم، پنجم، دهم و ... . بلندترین آسانسور روی زمین در شهر دبی واقع شده است. این آسانسور می‌تواند شما را تا طبقه 160ام و به 818 متری زمین منتقل کند. اما آیا با کمک آسانسورها بیشتر از این هم می‌توان از زمین دور شد؟ چه می‌شد اگر آسانسورها می‌توانستند ما را تا جو زمین و یا حتی تا کره ماه بالا ببرند؟ آرزویی بسیار تخیلی و دور از دسترس است. آدم را یاد کتاب‌های ژول‌ورن می‌اندازد.
اما این بار ژول‌ورن نبود که در ذهنش با آسانسور به فضا رفت؛ بلکه آرتور سی کلارک بود که در سال 1975 و در کتاب "چشمه‌های بهشت" (یا فواره‌های بهشت) سوار بر یک آسانسور، به فضا سفر کرد. گویا پیش از اینکه کلارک این ایده را مطرح کند، در سال 1895 مهندسی روسی با الهام از برج ایفل، ساخت چنین وسیله‌ای را پیشنهاد کرده بود.



اما آیا دنیای واقعی و قوانین فیزیکی به ما اجازه می‌دهند که همانند دنیای خیالی، این پلکان فضایی را بسازیم؟
برای ساخت این پلکان فضایی لازم است بتوانیم محلی را در آسمان پیدا کنیم که اگر جسمی در آن قرار گیرد، نسبت به زمین ثابت باقی بماند. در این صورت شاید بتوان طنابی را از این نقطه آسمانی به سطح زمین انداخت و یک سیستم آسانسوری که زمین را به آسمان وصل می‌کند، راه‌اندازی کرد. بر اساس قوانین و محاسبات اختر فیزیکی، در ارتفاع 35600 کیلومتری زمین، می‌توان مداری ثابتی را تصور کرد که فضاپیماها با قراگیری در آن می‌توانند هر 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه، یک بار به دور زمین بگردند. این زمان، طول مدت یک شبانه‌روز زمینی است. یعنی فضاپیماها با قراگیری در این مدار، نسبت به زمین ثابت می‌مانند. برای اینکه تعادل این مجموعه حفظ شود،لازم است این طناب را 64 هزار کیلومتر دیگر نیز امتداد داد و آن‌را به یک وزنه تعادلی وصل کرد.
اکنون که می‌دانیم قوانین فیزیکی مانع ساخت آسانسور فضایی ما نمی‌شوند، می‌توانیم در مورد چگونگی ساخت و اجزای آن بهتر فکر کنیم. بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک کابل، یک بالارونده و یک منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است. از نگاه دانشمندان گره اصلی ساخت این مجموعه، ساخت کابل آسانسور است. ریسمان بسیار محکم و سبکی که بتواند هزاران کیلومتر کشیده شود.اگر از یک ریسمان معمولی برای ساخت این کابل استفاده کنیم، با توجه به طول کابل و فشاری که در اثر وزن خود به بست‌های انتهای آن در ایستگاه فضایی وارد می‌شود، لازم است که قطر کابل با کاهش ارتفاع و نزدیک‌تر شدن به سطح زمین، کمتر شود و حالت مخروطی به خود بگیرد. یک کابل معمولی که ضخامتش در سطح زمین به اندازه یک ریسمان پهن است، در ارتفاع 36 هزار کیلومتری باید قطری به اندازه خود زمین داشته باشد! نباید نگران این مشکل و تحقق ایده آسانسور فضایی بود، فناوری نانو می‌تواند این مشکل را حل کند.


تقریباً تا 10سال پیش تمامی کابل‌هایی که برای آسانسور فضایی پیشنهاد می‌شد، از ورقه‌های استیل و فلزی ساخته شده بود. با کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991، دانشمندان فضایی متوجه این نانوساختار کربنی شدند. ماده‌ای که یکصد برابر محکم‌تر از استیل و 50 هزار برابر ریزتر از یک موی انسان است و تنها یک گرم از این ماده، برای ساخت نخی به طول 29 کیلومتر کافی است. این صفحه‌های گرافن لوله شده، ترکیبی استوانه‌ای از اتم‌های کربن هستند که به کمک آنها می‌توان کابلی به نازکی کاغذ و به محکمی الماس ساخت. با توجه به وزن بسیار کم نانولوله‌های کربنی، برای تنظیم فشار وارد بر بست‌های انتهای آسانسور کافی است که قطر کابل در ارتفاع 36 هزار کیلومتری تنها 9 برابر قطر آن در سطح زمین باشد. نکته قابل توجه در استفاده از نانولوله‌های کربنی این است که رشته‌های طولانی از این ماده، ساختار شکننده‌ای دارند. دانشمندان برای حل این مشکل، نانولوله‌های جدا از هم را در یک ساختار تارگونه در هم تنیده و آنها را به رشته‌های محکم‌تر و طولانی‌تری تبدیل کرده‌اند.


دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با تکمیل هسته‌ی اولیه‌ی کابل، می‌توان وسایل مکانیکی‌ای با نام «بالارونده‌» را بر روی کابل سوار کرد. بالارونده‌ها، عمان طور که از نامشان برمی‌آید، به کمک غلطک‌هایی پلاستیکی بالا و پایین می‌روند. تابش نور لیزر یکی از گزینه‌های پیشنهادی برای تامین انرژی آسانسور است. لیزری که از روی سکوی مبدأ، بر صفحه‌های خورشیدی انتهای بالارونده‌ها متمرکز می‌شود و نیروی لازم برای حرکت موتورها را فراهم می‌کند.
ایده آسانسورهای فضایی تا پیاده‌سازی و تبدیل شدن به یک دستگاه واقعی هنوز راه زیادی را در پیش دارد و انتظار نمی‌رود که تا قبل از ده سال آینده، به حقیقت بپیوندد؛ اما مفهوم آن در حال گسترش است و روزبه‌روز علاقمندان بیشتری پیدا می‌کند.
ناسا نیز در راستای برنامه مسابقات صد سالگی خود، جایزه‌ای 5 میلیون دلاری را با اعتبار 5 ساله به نام مسابقه 2010 برای کار روی آسانسور فضایی تعیین کرده است.
تیم‌های شرکت‌کننده در این مسابقه باید بتوانند یک نمونه کوچک‌مقیاس از آسانسور خود را بسازند که بتواند فاصله‌ای به طول یک کیلومتر را عمودی و با حداقل سرعت متوسط 2 متر بر ثانیه بپیماید. بهترین نتیجه‌ای که تاکنون بدست آمده، رسیدن به ارتفاع 100 متری با سرعت 1.8 متر بر ثانیه بوده است.
دوره آموزشی آسانسور فضایی
معلم محترم: این دوره برای دانش آموزان استرالیایی سال هفتم طراحی شده است و می‌توان آن‌را در یک کلاس درس، یک باشگاه علمی و یا کارگاهی با موضوع فناوری‌های نو، پیاده کرد. در قالب این دوره می‌توان، موضوع نانولوله‌های کربنی را با کمک ایده جالبی همچون آسانسور فضایی باز کرد. در حقیقت، در این دوره آسانسور فضایی پوششی است برای معرفی کردن نانولوله‌های کربنی، بیان خواص منحصر به‌فرد این ساختار و ایجاد درک ملموسی از اهمیت این خواص. در طراحی این دوره، 5 فعالیت و 2 آزمایش پیش‌بینی شده است. ازاین‌رو در بسته آموزشی آسانسور فضایی، علاوه بر فایل ارائه و راهنمای معلم، 10 پوشه آموزشی دیگر نیز تهیه شده است. که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود.
دانش‌آموز عزیز: این دوره به شکلی طراحی شده که تا حد زیادی می‌توان آن‌را به‌طور خودآموز دنبال کرد. شما با دیدن فایل ارائه و انجام فعالیت‌ها و آزمایش‌ها به ترتیبی که در این فایل آمده، می‌توانید این دوره را برای خود اجرا کنید. بعلاوه مقاله‌های مرتبط سایت نیز می‌توانند، به طی بهتر دوره به شما کمک نمایند. اگر سوالی داشتید، می‌توانید از طریق سایت (info@nanoclub.ir) با گروه نویسندگان مکاتبه کنید.

راهنمای معلم فایل ارائه

1- انیمیشن آسانسور فضایی
بهتر است این انیمیشن پس از دیدن 7 اسلاید اول فایل ارائه، نمایش داده شود. این انیمیشن باعث می‌شود که مخاطب درک بهتری از مفهوم آسانسور فضایی داشته باشند.


انیمیشن

2- نمودار-T
در این فعالیت کلاس می‌تواند مفهوم آسانسور فضایی را بیشتر ارزیابی کرده و اثر چنین ایده‌ای را بر اکتشافات فضایی بررسی نماید. با استفاده از نمودار-T، دانش‌آموزان می‌توانند فناوری‌های کنونی فضایی را با آسانسور فضایی مقایسه کنند.



شرح فعالیت راهنمای انجام فعالیت

3- نمودار کی.دبلیو.ال.اچ و الگوی جستجوی اینترنتی
این مرحله زمان شروع تحقیق و جستجو و آماده کردن مستندات لازم برای طراحی "نمایش آسانسور فضایی" (فعالیت بعدی) است. فعالیت‌های کی.دبلیو.ال.اچ و جستجوی اینترنتی، فعالیت‌هایی هستند که برای کمک به این فرآیند طراحی شده‌اند.



نمودار کی.دبلیو.ال.اچ الگوی جستجوی اینترنتی فردی الگوی جستجوی اینترنتی گروهی


4-آزمایش انواع کربن
گروهی از دانش آموزان می‌توانند خواص شیمیایی و فیزیکی نانولوله‌های کربنی را درک کنند، موادی که آسانسورهای فضایی از آنها ساخته می‌شود. این آزمایش برای کمک و تسریع این فرآیند، طراحی شده است. این آزمایش به دانش‌آموزان فرصت می‌دهد خواص نانو لوله‌های کربنی را بررسی کرده و آن‌را با دیگر آلوتروپ‌های کربن مقایسه کنند.


شرح آزمایش راهنمای انجام آزمایش

5- نمایش آسانسور فضایی
برای تقویت آموخته‌های دانش‌آموزان، در این فعالیت از آنها خواسته می‌شود یک نمایش اجرا کنند. نمایشی که به کمک آن بتوان مفهوم آسانسور فضایی و نانولوله‌های کربنی را به دیگران آموزش داد. این فعالیت بیشتر با این هدف ترتیب داده شده که همه دانش‌آموزان در انجام آن مشارکت کنند. برای ارزیابی عملکرد دانش آموزان در این فعالیت، یک فرم پیشنهادی تهیه شده است.




شرح فعالیت راهنمای انجام فعالیت