Yeryüzünden 36.000 kilometre yukarıdaki yörüngeye (GEO) uzanan devasa bir kablo düşünün. Bu kablo, hem kendi devasa ağırlığını taşımalı hem de üzerine tırmanan yük aracının (climber) gerilimini kaldırmalıdır. Fizik kuralları bize şunu söyler: Çelikten bir kablo yaparsanız, kendi ağırlığı altında daha 5-10 km yükseklikte kopar.
Uzay asansörünü gerçeğe dönüştürecek olan şey, inşaat mühendisliği değil, Malzeme Bilimidir. İhtiyacımız olan malzeme, çelikten 100 kat daha güçlü ama 6 kat daha hafif olmalıdır. Cevap, periyodik tablonun nano dünyasında saklıdır.
Bir uzay asansörü halatının (tether) dayanması gereken çekme gerilimi (tensile stress) yaklaşık 63 GPa (GigaPascal) civarındadır.
En iyi çelik alaşımları: ~2 GPa
Kevlar: ~3.6 GPa
Karbon Fiber: ~5-7 GPa
Görüldüğü gibi, geleneksel malzemelerle bu yapıyı inşa etmek imkansızdır. İhtiyacımız olan, Özgül Mukavemeti (Mukavemet/Yoğunluk Oranı) ekstrem düzeyde yüksek olan nano malzemelerdir.
Karbon Nanotüpler, tek atom kalınlığındaki grafen tabakalarının silindir şeklinde yuvarlanmış halidir. Teorik olarak 130 GPa çekme mukavemetine ulaşabilirler. Bu, uzay asansörü için gereken sınırın çok üzerindedir.
Zorluk: Laboratuvarda mikron boyutunda kusursuz CNT üretmek kolaydır. Ancak 100.000 km uzunluğunda, tek parça ve kusursuz bir halat üretmek mühendisliğin en büyük meydan okumasıdır.
Nano Alaşım Çözümü: Saf CNT yerine, metal veya polimer matris içine gömülmüş CNT Kompozitleri üzerinde çalışılmaktadır. Bu, mikroskobik tüplerin yükü birbirine aktarmasını sağlar.
Karbon nanotüplere alternatif olarak ortaya çıkan en yeni malzeme, tek boyutlu elmas kristalleridir.
Yapı: Karbon atomlarının elmas benzeri tetrahedral (sp3) bağlarla dizildiği ultra ince iplikler.
Avantaj: CNT'lere göre daha rijit olabilirler ve "Stone-Wales" kusurları (atomik dizilim hataları) nedeniyle kopma riskleri daha düşüktür.
Uzay asansörü halatı sadece güçlü olmak zorunda değildir; aynı zamanda uzay ortamının zorluklarına (radyasyon, atomik oksijen, mikrometeoritler) dayanmalıdır. Saf karbon, atomik oksijen ile tepkimeye girip yanabilir.
Çözüm: CNT veya Bor Nitrür Nanotüplerin (BNNT), Alüminyum veya Bakır gibi hafif metallerle nano düzeyde alaşımlandırılması.
İşlev: Metal matris, nanotüpleri korur ve elektriksel iletkenlik sağlar (asansör kabinine güç aktarımı için). Nano takviyeler ise metali süper-güçlü hale getirir.
Uzay asansörü halatı, Van Allen radyasyon kuşaklarından geçecektir. Karbon bazlı malzemeler radyasyondan zarar görebilir.
BNNT Avantajı: Bor Nitrür nanotüpler, karbon nanotüpler kadar güçlüdür ancak 800°C'ye kadar ısıya dayanır ve nötron radyasyonunu soğurma yeteneğine sahiptir. Halatın dış katmanında koruyucu bir nano-zırh olarak kullanılması planlanmaktadır.
Bu malzemeleri üretmek için devasa dökümhaneler değil, hassas kimyasal reaktörler gerekir.
CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme): Gaz halindeki karbon kaynaklarının, nano metal katalizörler üzerinde büyütülmesi.
Eğirme (Spinning): Milyarlarca nanotüpün, tıpkı yün eğirir gibi bir araya getirilerek makro boyutta ipliklere dönüştürülmesi. Şu anki araştırmalar, bu ipliklerin "yük transfer verimliliğini" artırmaya odaklanmıştır.
Uzay asansörü malzemeleri, malzeme biliminin "Everest"idir. Mikronize tozların, nanotüplerin ve nano-alaşımların atomik hassasiyetle işlenmesi, insanlığı roketlerin gürültülü ve pahalı dünyasından kurtarıp, sessiz ve verimli bir yörünge yolculuğuna taşıyacaktır. Bu halat dokunduğunda, hammaddesi nanoteknoloji olacaktır.
