Un ascensore spaziale è una struttura tecnologica, la cui realizzazione è tuttora oggetto di complessi studi di fattibilità. Se realizzata, avrebbe la capacità di trasportare uomini e/o mezzi dalla superficie della Terra direttamente nello spazio senza usare la propulsione a razzo.
Benché il concetto di ascensore spaziale possa genericamente essere applicato a qualsiasi pianeta o satellite con una sufficiente forza di gravità, è sulla Terra che la sua realizzazione permetterebbe un suo più proficuo utilizzo nonché un significativo ritorno economico: infatti, oltre al più intuitivo trasporto di materiali o di personale nello spazio, un ascensore potrebbe essere usato, sfruttando la forza centrifuga dovuta alla velocità angolare della sua sommità, per lanciare oggetti nello spazio a fini ricognitivi o esplorativi senza dover mettere in opera razzi vettori; potrebbe anche essere utilizzato per rilasciare satelliti artificiali a vari livelli dell'orbita.
Esistono diverse ipotetiche varianti di ascensore spaziale, tutte accomunate dal fatto che, a differenza di un ascensore tradizionale, non è il cavo che traina la cabina, ma è quest'ultima a muoversi lungo il cavo che fa da guida e sostegno; inoltre, laddove in un ascensore classico il contrappeso svolge la funzione di equilibrare il carico della cabina muovendosi nel verso opposto a quest'ultima, nell'ascensore spaziale esso ha la funzione di tenere il cavo guida teso; per questa ragione il contrappeso dovrebbe trovarsi all'estremità superiore del cavo ben oltre l'altitudine di orbita geostazionaria (35 876 km), in modo tale che la sua forza centrifuga superi quella di gravità. Inoltre il cavo in partenza dalla Terra dovrebbe essere ancorato in prossimità dell'Equatore, al fine di assicurare al contrappeso la massima forza centrifuga possibile per tenere il cavo guida in tensione.
Varie, e nessuna finora decisiva, sono le teorie su come dovrebbe essere realizzato il cavo: la scelta del materiale e la tecnologia di produzione dello stesso richiedono modelli per prevedere il comportamento del cavo sotto il suo stesso peso e calcoli complessi circa la resistenza al carico e alla pressione. Inoltre è ancora irrisolto il problema dell'alimentazione della cabina (detta climber, "scalatore") in quanto, essendo improbabile l'utilizzo di un cavo in materiale conduttore di elettricità, bisognerebbe reperire l'energia necessaria durante il tragitto di ascesa.
La paternità del concetto viene ascritta al russo Konstantin Ciolkovskij che, a fine XIX secolo, teorizzò una torre autoportante con la base sulla Terra e la sommità al limite dell'orbita geostazionaria; questa costruzione è detta Torre di Ciolkovskij. Oggi un eventuale ascensore vedrebbe gran parte della propria massa concentrata alla sommità piuttosto che alla base.
Storia I prodromi di quello che può essere considerato un ascensore spaziale risalgono al 1894 quando il fisico e scienziato russo Konstantin Ciolkovskij, insegnante a San Pietroburgo, nel suo saggio dal sapore fantascientifico Sogni sulla Terra e sul cielo si ispirò alla Torre Eiffel per ipotizzare un'analoga struttura a base molto larga capace di raggiungere il limite dell'orbita geostazionaria; una volta alla sommità della torre, un qualsiasi oggetto in movimento sincrono con essa avrebbe avuto una velocità angolare sufficiente a sfuggire all'attrazione terrestre e a essere lanciato nello spazio.
Tuttavia lo stesso Ciolkovskij, che aveva calcolato diverse variabili quali il punto di equilibrio tra la forza centrifuga e quella gravitazionale all'origine del concetto di quota geostazionaria, riconobbe come fisicamente irrealizzabile una torre come quella che aveva teorizzato nella sua opera: in effetti un qualsiasi manufatto capace di raggiungere l'altezza di circa 36 000 km dovrebbe anche prevedere un diametro di base dell'ordine delle decine, se non delle centinaia, di km; anche non volendo prendere in considerazione l'implausibilità e la difficoltà di realizzazione di un'opera di queste dimensioni, è altamente probabile, non esistendo allo stato attuale alcun materiale con una resistenza alla compressione atto a sostenere una struttura del genere, che essa collasserebbe sotto il suo stesso peso.
Nel 1957 lo scienziato sovietico Yuri Artsutanov concepì un metodo più realistico per costruire una torre spaziale. Artsutanov suggerì di utilizzare un satellite geosincrono come base da cui costruire la torre. Utilizzando un contrappeso, un cavo verrebbe abbassato dall'orbita geostazionaria fino alla superficie della Terra, mentre il contrappeso verrebbe esteso dal satellite allontanandolo dalla Terra, mantenendo il centro di massa del cavo immobile rispetto alla Terra. Artsutanov pubblicò la sua idea nel supplemento domenicale della Komsomolskaja Pravda nel 1960.
Produrre un cavo lungo oltre 35.000 km è tuttavia un'impresa difficilissima. Nel 1966 quattro ingegneri statunitensi svolsero uno studio sul tipo di materiale adatto per costruire un cavo portante, presumendo che la sua sezione fosse uniforme su tutto il percorso. Essi trovarono che il carico di rottura necessario avrebbe dovuto essere il doppio di quello di qualunque materiale esistente, inclusi grafite, quarzo e diamante.
Nel 1975 lo scienziato americano Jerome Pearson progettò una sezione nastriforme che sarebbe stata più adatta a costruire la torre. Il cavo completo sarebbe stato più spesso al centro di massa, dove la tensione era maggiore, e sarebbe stato più stretto alle estremità per ridurre la quantità di peso che la parte centrale avrebbe dovuto portare. Egli suggerì di usare un contrappeso che avrebbe dovuto essere esteso lentamente verso l'esterno, fino a 144.000 km (poco più di un terzo della distanza tra Terra e Luna) mentre la sezione inferiore della torre veniva costruita. Senza un grosso contrappeso, la porzione superiore della torre avrebbe dovuto essere più lunga della parte inferiore, a causa del modo in cui le forze gravitazionali e centrifuga cambiano con la distanza dalla Terra. La sua analisi incluse disturbi come la gravità della Luna, il vento e il movimento dei carichi trasportati lungo il cavo portante. Il peso del materiale necessario per costruire la torre richiederebbe migliaia di viaggi dello Space Shuttle, anche se sarebbe possibile trasportare parte del materiale usando la torre stessa, non appena un cavo con una minima capacità avesse raggiunto il terreno o avrebbe potuto essere prodotto nello spazio utilizzando minerali lunari o asteroidali.
Arthur C. Clarke introdusse il concetto dell'ascensore spaziale a un pubblico più ampio nel suo romanzo del 1979 Le fontane del Paradiso in cui gli ingegneri costruiscono un ascensore spaziale sulla cima di un picco montano sulla fittizia isola equatoriale di Taprobane, ispirata al Picco di Adamo nello Sri Lanka.
David Smitherman della NASA/Marshall's Advanced Projects Office ha pubblicato Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium, basato sulle scoperte pubblicate durante una conferenza sulle infrastrutture spaziali tenuta al Marshall Space Flight Center nel 1999.
Lo scienziato americano Bradley Edwards ha suggerito la creazione di un nastro sottile come la carta e lungo 100.000 km, che avrebbe una possibilità maggiore di resistere all'impatto con delle meteoriti. Il lavoro di Edwards si è espanso fino a prevedere lo scenario della costruzione, il progetto del climber, il sistema di trasmissione dell'energia, il metodo per evitare i detriti orbitali, il sistema di ancoraggio a terra, la resistenza all'ossigeno atomico, come evitare i lampi e gli uragani posizionando la piattaforma di ancoraggio nel Pacifico Equatoriale occidentale, i costi di costruzione, la tabella di costruzione e i pericoli per l'ambiente. Sono stati fatti piani per completare la progettazione ingegneristica, per lo sviluppo dei materiali e per iniziare la costruzione del primo ascensore. I fondi fino ad ora sono stati ottenuti attraverso una sovvenzione da parte del NIAC (NASA Institute for Advanced Concepts). I fondi futuri si ritiene verranno dalla NASA, il Dipartimento della difesa degli Stati Uniti d'America e soggetti pubblici e privati.
Il più grande impedimento tecnologico al progetto proposto da Edwards è il limite imposto dal materiale di cui sarebbe formato il cavo. Dai suoi calcoli risulta necessaria una fibra composta da nanotubi di carbonio legati da una resina epossidica, con un carico di rottura minimo pari a 130 GPa; comunque nei test condotti nel 2000 su nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), che dovrebbero essere notevolmente più resistenti della corda legata con la resina epossidica, la massima resistenza realmente misurata in laboratorio è pari a 63 GPa, equivalente circa alla trazione di 6300 kg (in peso) per millimetro quadrato di sezione.
Riuscire a trasferire la resistenza delle microstrutture di laboratorio a manufatti più grandi, portando le dimensioni della struttura a metri, chilometri o anche migliaia di chilometri, è poi estremamente problematico, anche considerando che la possibilità di disastrosi difetti micro o macro strutturali è molto elevata, perlomeno nella situazione attuale.
Ascensori extraterrestri
Un ascensore spaziale potrebbe essere costruito su alcuni pianeti, asteroidi e lune.
Un cavo marziano potrebbe essere molto più corto rispetto a quello terrestre. La gravità di Marte è il 40 % della gravità terrestre e il giorno marziano dura all'incirca come quello terrestre, quindi l'orbita geostazionaria marziana è molto più vicina alla superficie di quella terrestre.
Un ascensore lunare non sarebbe così fortunato. Dato che la Luna mantiene sempre la stessa faccia verso la Terra, il centro di gravità del cavo dovrebbe essere in uno dei punti di Lagrange L1 o L2, che sono punti di stabilità speciali, che esistono tra ogni coppia di corpi in un'orbita, dove le forze gravitazionali e rotatorie si bilanciano. Il cavo punterebbe o in direzione della Terra (per il punto L1), oppure nella direzione opposta alla Terra (per il punto L2). Comunque, a causa della bassa gravità lunare, la massa totale del cavo sarebbe notevolmente inferiore a quella dell'ascensore terrestre, dato che sarebbe necessario meno materiale per fornire la resistenza necessaria a supportare il cavo stesso contro la gravità lunare. Senza un contrappeso il cavo "L1" dovrebbe essere lungo 291.901 km e il cavo "L2" dovrebbe essere lungo 525.724 km. Considerando che la distanza tra la Terra e la Luna è di 351.000 km, questo è un cavo molto lungo. Cavi molto più corti, forse non più del doppio della lunghezza della distanza di circa 60.000 km per i punti L1 o L2 del sistema Terra Luna sarebbero sufficienti se un grosso contrappeso, ad esempio di materiali di derivazione lunare, fosse piazzato all'estremità del cavo.
Asteroidi o lune dalla rapida rotazione potrebbero usare i cavi per lanciare materiali, in modo da poter muovere i materiali in posizioni di comodo, come l'orbita terrestre; o al contrario, di espellere del materiale per inviare il grosso della massa dell'asteroide o della luna nell'orbita terrestre o in un punto di Lagrange. Questo venne suggerito da Russell Johnston nel 1980. Freeman Dyson suggerì di utilizzare sistemi simili, ma molto più piccoli, come generatori di energia in punti lontani dal Sole, dove l'energia solare non è economica.
Lanciare nello spazio esterno