Seit dem Beginn des Weltraumzeitalters, am 4. Oktober 1957, als Sputnik-1 an Bord einer modifizierten ballistischen Interkontinentalrakete mit der Bezeichnung R-7 in den Orbit geschossen wurde, hat die Erkundung des Weltraums große Erfolge zu verzeichnen. Allerdings litt sie auch immer unter dem Flaschenhals des Starts per Rakete. Raketen sind inhärent riskante, unbehagliche Gefährte, die große Mengen an Ressourcen in Form von Treibstoffen verschlingen. Der Einsatz von Raketen hat zwei negative Nebenwirkungen: Die Nutzlast wird extremen dynamischen und thermalen Bedingungen ausgesetzt und ein Start ist sehr kostspielig. Der Start eines Kilogramms kostet zwischen 10,000 € und 20,000 €, abhängig von der Zielbahn. Der Flaschenhals des Weltraumstarts hat die Erkundung des Weltraums nach ihren anfänglichen Erfolgen stark verlangsamt und nur sehr große Regierungsorganisationen können es sich leisten, an diesem Unterfangen teilzunehmen.

In 1895 kam der Russische Grundschullehrer Konstantin Tsiolkowski zu dem Schluss, dass, wenn er ein Turm eine Höhe von 35,786 km errichtete, eine Person, die die Spitze dieses Turms erklimmen würde, sich in einer Umlaufbahn befände, da in dieser Höhe die Bahnperiode mit der Erdrotation übereinstimmt. Natürlich wusste auch Tsiolkowski, dass solch ein Turm aus keinem auf der Erde existierenden Material gebaut werden könnte.

Erst 1959 wurde die Idee eines mechanischen Weltraumstartsystems wieder aufgenommen. Wieder von einem russischen Wissenschaftler. Yuri Artsutanow schlug vor, anstatt einen Turm zu bauen, ein Kabel von einem geostationären Satelliten, den ganzen Weg bis zur Erdoberfläche herunter zu lassen. Auf diesem Weg müsste das Material nicht den immensen Druckkräften standhalten, sondern Zugkräften. Jedoch auch die Zugspannung, die nötig ist, um das Kabel zu tragen war zu groß, um von existierenden Materialien verkraftet werden zu können. Die Festigkeits- und Gewichtseigenschaften eines Kabels kann man mit Hilfe seiner „Abreißlänge" beschreiben. Dies ist die maximal mögliche Länge eines Seils, ohne dass es unter seinem Eigengewicht, in einem konstanten Gravitationsfeld von der Stärke der Erdanziehungskraft, an der Erdoberfläche, abreißt.

Da die Erdanziehungskraft aber mit der Höhe abnimmt, beträgt die für ein Weltraumfahrstuhlkabel zur geostationären Höhe von 35,786 km nötige Abreißlänge lediglich 4,960 km [1]. Die Abreißlängen existierender Materialien sind um mindestens eine Größenordnung kürzer: Stahl - 11.3 km, Hochleistungs-Kohlefaser - 329 km.

Der berühmte Arthur C. Clarke war es, der den Weltraumfahrstuhl mit seinem Werk „Fahrstuhl zu den Sternen" 1979 in der Populärkultur einführte. Seit dieser Zeit hat der Weltraumfahrstuhl junge Forscher inspiriert und war Thema zahlreicher wissenschaftlicher und ingenieurstechnischer Publikationen. Also, wann werden wir den Weltraumfahrstuhl haben? Clarke sagte einst: „Wir werden den Weltraumfahrstuhl 50 Jahre nachdem alle aufgehört haben zu lachen haben". Später korrigierte er diese Zahl auf 10 Jahre.

Grundlegende mechanische Eigenschaften des Weltraumfahrstuhls

Im Jahr 1975 fand Jerome Pearson heraus, dass es eine Teillösung des Materialproblems sein könnte, den Querschnitt des Fahrstuhlkabels zu verjüngen. Nämlich so, dass seine dickste Stelle am Punkt höchster Spannung liegt, an der geostationären Höhe. An seinen Enden hätte das Kabel null Spannung und erfordert daher deutlich geringere Dicken. Jedoch ist die nötige Verjüngung bei schwachen Materialien extrem. Ein verjüngtes Stahlkabel würde eine Gesamtmasse von mehr als der Masse des Universums beanspruchen. Glücklicherweise wird die Verjüngung bei Hochleistungsmaterialien deutlich handhabbarer. Zum Beispiel: hätten wir ein Kabel mit einer Abreißlänge von 3,600 km (im Vergleich zu den nötigen 4,960 km für ein Kabel ohne Verjüngung), müsste der Querschnitt an der geostationären Höhe nur vier Mal dem Querschnitt an seinem Ende entsprechen. Die Gesamtmasse des Kabels mit einer Nutzlastkapazität von hundert Tonnen wäre in der Größenordnung von einigen zehn Tausenden Tonnen, in etwa ähnlich des Gewichts, das für Tragekabel von modernen Hängebrücken benötigt wird. Pearson hat ebenfalls gezeigt, dass das Kabel so konstruiert werden könnte, dass es ausbalanciert ist. Ein Satellit als Gegengewicht wird nicht benötigt. In diesem Falle würde das obere Ende des Kabels bis zu einer Höhe von 144,000 km reichen.

Die „Magie" des Weltraumfahrstuhls kommt von seiner mechanischen Verbindung zur Erdoberfläche. Jegliche Radialkräfte (hoch/runter) werden per Spannung auf das Gesamtkabel verteilt. Auf diesem Wege reagiert das Kabel als Ganzes auf mechanische Aktivitäten, zum Beispiel auf eine hinauf fahrende Kabine. Eine Kabine, die sich an das untere Ende des Kabels andockt, würde den Schwerpunkt leicht nach unten weg vom idealen geosynchronen Punkt verschieben (120 km Verschiebung für eine 100 t Kabine an einem 30,000 t Kabel). Die Konsequenz wäre, dass das Kabel beginnen würde, als ganzes in die Richtung der Erddrehung zu driften. Diese Bewegung wiederum, würde die Zentrifugalkräfte am oberen Ende vergrößern, was die Gesamtkonstruktion wieder nach oben zöge. Natürlich würde all dies als dynamische Reaktion geschehen. Das heißt, Transversalauslenkungsschwingungen würden sich das Kabel hinauf- und hinunter ausbreiten. Diese Schwingungen müssten, zusammen mit den durch die Korioliskräfte entstehenden Schwingungen, durch eine Transversalkraft am Ankerpunkt kontrolliert werden. Zum Beispiel mit Hilfe einer Hochseeplattform, die sich entlang des Äquators bewegt.