Een lift bouwen die tot in de ruimte reikt: het is helemaal niet zo’n gek idee. Maar is het in de praktijk ook mogelijk?

De lift is al een erg oud verticaal transportmiddel. Er wordt zelfs gedacht dat de Egyptenaren bij de bouw van piramides gebruik maakten van liftsystemen. Toch werd de lift pas later, toen Elisha Otis in 1852 de valbeveiliging uitvond en deze in 1854 aan het grote publiek presenteerde, echt een bruikbaar transportmiddel voor grote hoogtes. Dit zorgde ervoor dat we enorm hoge bouwwerken, zoals wolkenkrabbers konden bouwen. Al snel vroeg men zich af waar de grens lag en of het niet mogelijk was om een toren tot buiten onze aardatmosfeer te bouwen.

Konstantin Tsoilkovski. Afbeelding: via Wikimedia Commons.

Eerste ideeën ruimtelift
Als we terug willen gaan naar het eerste idee van de ruimtelift, zou je terug kunnen gaan naar de toren van Babel uit Genesis 11 in de Bijbel. Toch zullen we iets recenter kijken naar de Russische raketingenieur Konstantin Tsiolkovski. We zien namelijk het idee van een ‘ruimtekasteel’ terug in zijn verzameling van essays onder de titel Dreams of Earth and Sky uit 1895. Dit kasteel lijkt sterk op ons moderne idee van een ruimtelift. Hij liet zich hiervoor inspireren door de Eiffeltoren in Parijs. Dit bouwwerk zou volgens hem vanaf het aardoppervlak ongeveer 36.000 kilometer hoog moeten zijn (later zal duidelijk worden waarom hij deze hoogte koos). Helaas ging Tsiolkovski nog niet in op de details, zoals wat voor materiaal er nodig is voor de kabels, hoe de lift zou functioneren en hoe het zit met het gebruik van een tegengewicht. Na hem zijn er wel mensen, zoals Yuri Artsutanov, Jerome Pearson en Arthur Clarke, die hier nog beter over na hebben gedacht. In de rest van dit artikel gaan we daarom iets dieper in op de details en ideeën van de ruimtelift.

Een schematische weergave van een ruimtelift. Afbeelding: Skyway / Booyabazooka (via Wikimedia Commons).

Krachten
Laten we kijken met wat voor krachten we te maken hebben als we buiten onze aardatmosfeer willen bouwen. Allereerst hebben we natuurlijk de welbekende zwaartekracht van de aarde. Hier hoeft hopelijk niet veel uitleg bij, zolang je maar weet dat deze kracht naarmate je dichter bij de aarde komt, steeds sterker wordt en zwakker wordt als je verder van de aarde af gaat. Aan de andere kant ondergaat de aarde een rotatie waardoor er een centrifugale kracht ontstaat. De hoogte die Tsiolkovski al had uitgerekend is ongeveer de hoogte waarin de zwaartekracht en de centrifugale kracht van de aarde elkaar uitbalanceren. Dit is ook de reden waarom het tegenwoordig op 35.786 kilometer vanaf de evenaar bomvol met satellieten zit. Deze roteren namelijk precies mee met rotatie van de aarde, waardoor deze vanaf aarde stil lijken te hangen. Erg gunstig voor weer-en telecommunicatiesatellieten. Hoe hoger we in de ruimte komen, hoe groter de horizontale snelheid wordt. Dit resulteert in een schijnkracht tegen de richting van de rotatie van de aarde in, die we in de natuurkunde de corioliskracht noemen. Deze kracht wordt groter naarmate we hoger zijn. Dit zou daarbij de ruimtelift lichtelijk heen en weer doen laten slingeren. Daarnaast hebben we natuurlijk ook nog te maken met de zwaartekracht van de maan en de zon die aan ruimtelift kunnen trekken. Zij het in minder sterke mate, vanwege de grote afstand.

Platform
Een ruimtelift moet ergens op aarde beginnen. Dit zou zowel op een drijvend als op een vaststaand platform kunnen. Het drijvende platform zou kunnen drijven op zee of in de lucht. Het handige hiervan is dat de ruimtelift zich kan verplaatsen als er een storm, meteoriet, ruimtepuin of andere externe bron voor onheil kan zorgen. Een vaststaand platform is aan de andere kant weer beter omdat er geen energie verspild moet worden aan het verplaatsen. Daarnaast hoef je, als men deze op een grote hoogte zou bouwen, ook gelijk minder zwaartekracht te overwinnen. Het beste kan het platform op de evenaar gebouwd worden, omdat je hier het minste last hebt van orkanen en tornado’s en de corioliskracht. Ook is dit de beste locatie om een lift tot in een geostationaire baan te brengen.

Een artistieke impressie van een ruimtelift. Afbeelding: NASA (via Wikimedia Commons).

Ontwerp
Een erg essentieel onderdeel is de kabel. Allereerst, hoe moet de kabel (of ketting) eruit zien? Dit is een lastige vraag, omdat je niet zoals bij een conventionele lift in hedendaagse gebouwen, kabels kunt hebben die over de gehele lengte dezelfde dikte kunnen hebben. Door de verschillende krachten die werken op de kabel zal de kabel op geostationaire hoogte het dikste moeten zijn en smaller moet worden naarmate de zwaartekracht dominanter wordt, dus naarmate we dichter bij het platform op aarde komen. Dit maakt het direct onmogelijk om de kabels te laten bewegen. In plaats daarvan zijn er ideeën om de lift naar boven te laten klimmen. De systemen die naar boven en beneden gaan, worden meestal ‘klimmers’ genoemd. Door de enorme afstand moeten we creatief zijn, aangezien simpele oplossingen zoals elektronische aandrijving onmogelijk lijken te zijn. Er zou gebruik kunnen worden gemaakt van een laser die de kinetische energie geeft om een lift omhoog te laten klimmen. De klimmer terug naar beneden laten gaan, zou kunnen door de lift los te koppelen en gebruik te maken van de zwaartekracht of door naar beneden te gaan op dezelfde manier als men naar boven gaat. Een Japans idee is het gebruik van afwisselende magnetisch velden. Ook kan men denken aan het opwekken van energie door middel van (een soort) zonnepanelen of wie weet opgeslagen nucleaire energie. Een ander recent idee is het maken van een roterend systeem, ook wel een RSE (Rotating Space Elevator) genoemd. Hier hebben de klimmers geen interne motoren nodig om langs de kabel omhoog te gaan, omdat hier gebruik gemaakt wordt van de rotatie van de kabels om omhoog te gaan. Stel dat we op één van bovenstaande manieren een snelheid van 300 km/u bereiken, dan duurt het ongeveer 5 dagen om in geostationaire baan te komen. Recente simulaties met daarin de invloed van de corioliskracht laten zien dat het nog complexer is dan men dacht en daarom wordt er nu gedacht om klimmers op en neer te laten bewegen in een patroon dat de slingerbeweging compenseert. Daarnaast kunnen externe invloeden zoals de zwaartekracht van de zon en de maan het systeem ook nog uit balans brengen. Daarmee zal dan ook nog rekening moeten worden gehouden. Bovendien hebben we voor de kabels nog een tegengewicht nodig. Dit kan opgelost worden door een tegengewicht net boven de geostationaire afstand te vormen, waardoor de centrifugale kracht de lift in balans houdt. Ideeën hierover klinken nog erg futuristisch, zoals het vangen van een meteoriet en deze te gebruiken als tegengewicht.

“De kabel zal een immens grote druk moeten kunnen weerstaan. Het gaat hier naar schatting om zo’n 65 GPa”

Materiaal
Dan komen we bij het materiaal van de kabel. De kabel zal een immens grote druk moeten kunnen weerstaan. Het gaat hier naar schatting om zo’n 65 GPa. Bedenk hierbij dat staal nog niet eens 1 GPa aankan. Om de ruimtelift sterk genoeg te laten zijn om zijn eigen gewicht vanaf het oppervlak tot aan de geostationaire afstand te laten houden, moet er een enorm sterk materiaal worden gebruikt. Een goeie kandidaat waren de koolstofnanobuisjes. In theorie zouden deze 50 tot 100 GPa aankunnen. Naast dat dit materiaal enorm duur is, kleeft er nog een ander nadeel aan. Onderzoek heeft namelijk recent aangetoond dat als een koolstofatoom in dit materiaal verkeerd geplaatst wordt, de sterkte met ongeveer 60% zal afnemen. Helaas zijn dit soort fouten in het materiaal op dit moment niet te voorkomen, wat het materiaal nog ongeschikt voor een ruimtelift maakt. Een andere mogelijkheid is het gebruik van de in 2014 ontdekte diamanten nanodraden. Dit materiaal is een tetraedraal-gebonden koolstofkristallijne nanomateriaal. De structuur is vergelijkbaar met diamant en dus piramide-vormig. Het heeft waarschijnlijk een sterkte die misschien nog wel beter is dan de theoretische sterkte van de koolstofnanobuisjes. Aan de andere kant lijkt het materiaal niet zo flexibel, wat misschien nog voor problemen kan zorgen. We zullen echter op meer onderzoek moeten wachten om te zien of dit materiaal geschikt zou kunnen zijn (als we de kosten nog even buiten beschouwing laten).

Bouw
De bouw van de ruimtelift zelf lijkt ook erg ingewikkeld als we niet een enorme hoeveelheid ruimtevaartuigen de ruimte in willen sturen om stukje bij beetje een lift te bouwen. Bradley Edwards dacht er aan om een flinterdunne kabel de ruimte in te sturen. Langs deze kabel kan een volgende kabel opgehesen worden en daarna een derde die iets dikker is. Dit proces kan zich zo herhalen om de juiste dikte te verkrijgen. Dit maakt het gebruik van diamanten nanodraden des te aantrekkelijker. Een ander idee is om de gehele kabel op te rollen en in geostationaire baan rond de aarde te brengen. Vervolgens laten we deze kabel uitrollen in twee richtingen.

“De ruimtelift kan wel tussen de 4 en 6 miljard euro gaan kosten. Onderhoud is daarbij nog buiten beschouwing gelaten”

De stralingsgordels rond de aarde. Afbeelding: NASA (via Wikimedia Commons).

Risico’s
Er zijn veel risico’s verbonden aan het gebruik van een ruimtelift. In de geostationaire baan hebben we, zoals we al zagen, veel satellieten zitten. Deze moeten de lift ontwijken (of andersom), want een botsing zou desastreus zijn. Daarnaast kan de ruimtelift geraakt worden door een meteoriet of door ruimtepuin. Studies van ISEC (International Space Elevator Consortium) concluderen dat de ruimtelift met een ontwijkingssysteem deze objecten kan ontwijken. Het is nog wel de vraag in hoeverre het probleem van ruimtepuin controleerbaar zal blijven. Ook kunnen de trekkrachten van de zwaartekracht van de maan en de zon ervoor zorgen dat de ruimtelift ondanks het ontwijkingssysteem toch onverwacht in aanraking komt objecten. Daarnaast kan de zonnewind – stroom van geladen deeltjes afkomstig van de zon – de ruimtelift beschadigen. Voor deze problemen is dan weer een schild nodig, wat weer meer gewicht en hogere kosten geeft. Daarnaast kan op aarde het ruimtestation geraakt worden door bliksems en stormen. Een ander risico, ook belangrijk voor mensen of andere levende wezens, is de invloed van straling. Met name de binnenste en buitenste Van Allen-Gordels die zich respectievelijk op 2000-5000 kilometer en 13.000-19.000 kilometer afstand van de aarde bevinden. Als we mensen of andere levende wezens omhoog sturen door deze gordels, zullen deze goed moeten worden beschermd tegen deze straling door middel van speciale materialen gemaakt van lichte elementen.

Financieel
Lanceringen zijn de laatste jaren al een stuk goedkoper geworden door nieuwe ontwikkelingen. Neem bijvoorbeeld de Falcon 9 van SpaceX. Deze maakt het al mogelijk om voor 6500 euro/kg een object in geostationaire baan te krijgen. Met de Falcon Heavy is het zelfs al mogelijk voor 3500 euro/kg. Het is de vraag hoever we nog kunnen gaan. Toch blijft het nog altijd veel goedkoper om via een ruimtelift de ruimte in te gaan, omdat hiermee de kosten van 1 kg massa naar honderden euro’s kan reduceren. Aan de ander kant zal de lift zelf een enorm prijskaartje hebben. Uiteraard ligt dit aan het materiaal, maar schattingen lopen uiteen van 4 tot 6 miljard euro. Daarbij is onderhoud nog buiten beschouwing gelaten.

Een Falcon 9-raket staat klaar voor lancering. Afbeelding: SpaceX.

Klimaat
Een ander positief puntje wat vaak over het hoofd gezien wordt, is de invloed van de ruimtelift op ons klimaat. De ruimtelift kan er voor zorgen dat we onze aardatmosfeer minder vervuilen (zie mijn vorige artikel), omdat we niet meer vanaf aarde hoeven te lanceren. Verder kunnen we gebruikmaken van de ruimtelift om enorme constructies te bouwen voor het opwekken van zonne-energie, wat ook weer indirect bijdraagt aan een ‘schonere’ aarde.

De toekomst
Voordat we dromen over onze aardse ruimtelift, is het misschien ook goed om te kijken of het mogelijk is om deze eerst op de maan of misschien op Mars te bouwen. Hier is minder zwaartekracht en kunnen we gebruik maken van goedkopere materialen. Er was in 2011 al een Lunar Exploration Analysis Group (LEAG) om NASA te ondersteunen bij het bekijken van wetenschappelijke, technische, commerciële en operationale kwesties. Er zijn zelfs startups die zich bezig houden met een ruimtelift op de maan. Daarnaast hebben we ISEC die de afgelopen 6 jaar jaarlijks een studie publiceert over de ruimtelift.

Conclusie
Zal de ruimtelift voor altijd een science-fiction droom blijven? Dit is moeilijk te voorspellen. Wat wel te zeggen is, is dat er nog veel hindernissen moeten worden overwonnen. Met name het probleem van het vinden van geschikt materiaal moet een oplossing krijgen. Daarnaast zullen we – net als bij de toren van Babel – moeten samenwerken om dit gigantische project tot stand te krijgen. Hopelijk ditmaal met een goede afloop.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen.