مصعد فضائي

يبدو أن فكرة المصعد الفضائي قد تطورت بشكل مستقل في أزمنة وأماكن مختلفة. تعود أقدم النماذج إلى عالمين روسيين في أواخر القرن التاسع عشر. في مجموعته " أحلام الأرض والسماء" الصادرة عام 1895 ، ^{[ 3 ]} تخيل كونستانتين تسيولكوفسكي سلمًا سماويًا ضخمًا للوصول إلى النجوم كوسيلة للتغلب على الجاذبية، ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} على الرغم من أن مفهوم تسيولكوفسكي كان عبارة عن برج مدعوم بالأرض عن طريق الضغط، وليس مفهوم المصعد الفضائي الأحدث، والذي يُعلق من الأعلى على شكل كابل قوي مشدود.

بعد عقود، وتحديدًا في عام 1960، طوّر يوري أرتسوتانوف بشكل مستقل مفهوم "السكك الحديدية الكونية"، وهو عبارة عن مصعد فضائي مربوط من قمر صناعي يدور حول الأرض إلى نقطة ارتكاز على خط الاستواء، بهدف توفير بديل أكثر أمانًا وكفاءة للصواريخ. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} وفي عام 1966، طوّر المهندس وعالم المحيطات جون د. إسحاق وزملاؤه مفهوم " الخطاف السماوي "، مقترحين قمرًا صناعيًا في مدار ثابت بالنسبة للأرض مع كابل يمتد إلى الأرض. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

أُعيد ابتكار مفهوم المصعد الفضائي وتطويره بشكل أكبر عام 1975، عندما بدأ جيروم بيرسون بدراسة الفكرة، مستلهمًا ذلك من خطاب آرثر سي كلارك أمام الكونغرس عام 1969. بعد عمله مهندسًا في وكالة ناسا ومختبر أبحاث القوات الجوية، طوّر تصميمًا لـ"برج مداري"، يهدف إلى تسخير طاقة دوران الأرض لنقل الإمدادات إلى مدار أرضي منخفض. في بحثه المنشور في مجلة "أكتا أسترونوتيكا" [ ^{12 ] ،} أوضح أن الكابل سيكون أكثر سمكًا عند ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض، حيث يكون الشد في أقصى حالاته، وأضيق عند أطرافه لتقليل الوزن. واقترح تمديد ثقل موازن إلى 144,000 كيلومتر (89,000 ميل)، لأنه بدون ثقل موازن كبير، سيحتاج الكابل العلوي إلى أن يكون أطول نظرًا لتغير قوى الجاذبية والطرد المركزي مع المسافة من الأرض. وشمل تحليله جاذبية القمر ورياحه والحمولات المتحركة كعوامل مؤثرة. كان بناء المصعد الفضائي سيتطلب آلاف الرحلات على متن مكوك الفضاء ، مع إمكانية نقل المواد بمجرد وصول خيط ذي قوة دنيا إلى الأرض، أو تصنيعها في الفضاء من خامات الكويكبات أو القمر . لفتت نتائج بيرسون، المنشورة في مجلة "أكتا أسترونوتيكا" ، انتباه كلارك، ما أدى إلى استشارات فنية لروايته الخيالية " نوافير الفردوس" (1979)، ^{[ 13 ]} التي تتضمن مصعدًا فضائيًا. ^{[ 14 ] [ 15 ]} كما أشار بيرسون إلى أن الجزء من المصعد الفضائي الواقع خارج المدار المتزامن مع الأرض سيتحرك بسرعة تفوق سرعة المدار، وبالتالي يمكن استخدامه لإطلاق مركبات فضائية إلى مدارات بين الكواكب، مستفيدًا من طاقة دوران الأرض. ^{[ 12 ]} وفي ورقة بحثية لاحقة، أوضح بيرسون إمكانية بناء مصعد فضائي على سطح القمر، عند نقطتي لاغرانج بين الأرض والقمر EM L1 أو EM L2. سيكون مصعد الفضاء القمري هذا أطول من مصعد الفضاء الأرضي، ولكنه لن يتطلب مواد ذات قوة شد عالية. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

عُقد أول اجتماع للعديد من الخبراء الذين أرادوا دراسة هذا البديل لرحلات الفضاء في مؤتمر ناسا لعام 1999 بعنوان "ورشة عمل البنية التحتية الفضائية المتقدمة حول مفاهيم المصاعد الفضائية ذات الحبال المدارية الثابتة بالنسبة للأرض" في هانتسفيل، ألاباما، حيث ناقشوا المشكلات المتعلقة بصنع ونشر مثل هذا المصعد الفضائي ^{[ 4 ] [ 18 ]} في أغسطس 2000، نشر دي في سميثرمان الابن النتائج تحت عنوان "المصاعد الفضائية: بنية تحتية متقدمة بين الأرض والفضاء للألفية الجديدة " ^{[ 19 ]} ، وخلص إلى أنه لا يمكن بناء المصعد الفضائي لمدة 50 عامًا أخرى على الأقل بسبب المخاوف المتعلقة بمواد الكابل ونشره وصيانته.

اقترح برادلي إدواردز استخدام شريط رقيق للغاية من مادة مركبة من أنابيب الكربون النانوية لحل مشكلة قوة المواد، نظرًا لقوة شدّه العالية ووزنه الخفيف. ^{[ 20 ]} من شأن شكل المقطع العرضي المقترح، الشبيه بالشريط العريض الرقيق، بدلاً من مفاهيم المقطع العرضي الدائري السابقة، أن يزيد من قدرة المادة على الصمود أمام اصطدامات النيازك. وبدعم من معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة (NIAC)، شارك في عمله أكثر من 20 مؤسسة و50 مشاركًا. ^{[ 21 ] : 2} لخص تقريره النهائي للمرحلة الثانية، بالاشتراك مع كتاب " مصعد الفضاء : نظام نقل ثوري من الأرض إلى الفضاء" ^{[ 22 ]} ، قضايا تصميم مصعد الفضاء، بما في ذلك سيناريو النشر، وتصميم المركبة الصاعدة، ونظام توصيل الطاقة، وتجنب الحطام المداري ، ونظام التثبيت، ومقاومة الأكسجين الذري ، وتجنب الصواعق والأعاصير من خلال تحديد موقع التثبيت في غرب المحيط الهادئ الاستوائي، وتكاليف البناء، وجدول البناء، والمخاطر البيئية. ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى ذلك، قام بدراسة السلامة الهيكلية وقدرات تحمل الأحمال لكابلات مصاعد الفضاء، مؤكداً على حاجتها إلى قوة شد عالية ومرونة.

لتسريع تطوير مصاعد الفضاء، نظم المؤيدون عدة مسابقات ، على غرار جائزة أنصاري إكس ، للتقنيات ذات الصلة. ^{[ 23 ] [ 24 ]} من بينها مسابقة Elevator:2010 ، التي نظمت مسابقات سنوية لأنظمة التسلق والأشرطة وأنظمة نقل الطاقة من عام 2005 إلى عام 2009، ومسابقة Robogames لتسلق أشرطة مصاعد الفضاء، ^{[ 25 ]} بالإضافة إلى برنامج تحديات ناسا المئوية ، الذي أعلن في مارس 2005 عن شراكة مع مؤسسة Spaceward (الجهة المشغلة لمسابقة Elevator:2010)، مما رفع القيمة الإجمالية للجوائز إلى 400,000 دولار أمريكي. ^{[ 26 ] [ 27 ]} أُقيم أول تحدٍ أوروبي لمصاعد الفضاء (EuSEC) لإنشاء هيكل تسلق في أغسطس 2011. ^{[ 28 ]}

في عام 2005، أعلنت مجموعة "ليفت بورت" لشركات مصاعد الفضاء أنها ستنشئ مصنعًا لإنتاج أنابيب الكربون النانوية في ميلفيل، نيو جيرسي ، لتزويد شركات الزجاج والبلاستيك والمعادن المختلفة بهذه المواد المتينة. ورغم أن "ليفت بورت" تأمل في استخدام أنابيب الكربون النانوية في بناء مصعد فضائي بطول 100,000 كيلومتر (62,000 ميل) ، فإن هذه الخطوة ستتيح لها تحقيق الربح على المدى القصير وإجراء البحوث والتطوير في أساليب إنتاج جديدة. ^{[ 29 ]} وكان هدفهم المعلن هو إطلاق مصعد فضائي في عام 2010. وفي 13 فبراير 2006، أعلنت مجموعة "ليفت بورت" أنها اختبرت، في وقت سابق من الشهر نفسه، ميلًا واحدًا من "حبل المصعد الفضائي" المصنوع من خيوط مركبة من ألياف الكربون وشريط من الألياف الزجاجية بعرض 5 سم (2.0 بوصة) وسماكة 1 مم (0.039 بوصة) (ما يعادل تقريبًا 13 ورقة)، والذي تم رفعه بواسطة بالونات. ^{[ 30 ]} في أبريل 2019، أقرّ مايكل لاين، الرئيس التنفيذي لشركة ليفتبورت، بقلة التقدم المحرز في طموحات الشركة الكبيرة في مجال مصاعد الفضاء، حتى بعد حصولها على تمويل تأسيسي يزيد عن 200 ألف دولار. ولم يُبنَ مصنع تصنيع أنابيب الكربون النانوية الذي أعلنت عنه ليفتبورت في عام 2005. ^{[ 31 ]}      

في عام 2007، نظمت شركة Elevator:2010 دورة ألعاب مصعد الفضاء لعام 2007، والتي تضمنت جوائز بقيمة 500,000 دولار أمريكي لكل من المسابقتين (بإجمالي مليون دولار أمريكي)، بالإضافة إلى 4 ملايين دولار أمريكي إضافية ستُمنح على مدى السنوات الخمس التالية لتقنيات مصاعد الفضاء. ^{[ 32 ]} لم يفز أي فريق بالمسابقة، لكن فريقًا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شارك بأول مصعد مصنوع بالكامل من أنابيب الكربون النانوية، بوزن 2 غرام (0.07  أونصة). ^{[ 33 ]} عقدت اليابان مؤتمرًا دوليًا في نوفمبر 2008 لوضع جدول زمني لبناء المصعد. ^{[ 34 ]}

في عام 2012، أعلنت شركة أوباياشي أنها قادرة على بناء مصعد فضائي بحلول عام 2050 باستخدام تقنية أنابيب الكربون النانوية. ^{[ 35 ]} وكان من المفترض أن يصل المصعد المصمم لنقل الركاب إلى مستوى المدار الاستوائي المتزامن مع الأرض (GEO) بعد رحلة تستغرق 8 أيام. ^{[ 36 ]} ونُشرت تفاصيل إضافية في عام 2016. ^{[ 37 ]}

في عام ٢٠١٣، نشرت الأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية دراسة جدوى تقنية، خلصت إلى أن التحسين الحاسم المطلوب في القدرات يكمن في مادة الحبل، والتي من المتوقع أن تصل إلى القوة النوعية اللازمة في غضون ٢٠ عامًا. وقد تناولت الدراسة، التي استمرت أربع سنوات، جوانب متعددة لتطوير المصاعد الفضائية، بما في ذلك المهمات، وجداول التطوير، والاستثمارات المالية، وتدفق الإيرادات، والفوائد. وأفادت الدراسة بإمكانية النجاة من الاصطدامات الصغيرة وتجنب الاصطدامات الكبيرة، مثل النيازك والحطام الفضائي، وأن التكلفة التقديرية لرفع كيلوغرام واحد من الحمولة إلى المدار الجغرافي الثابت وما بعده تبلغ ٥٠٠ دولار أمريكي. ^{[ ٣٨ ] : ١٠-١١، ٢٠٧-٢٠٨ [ ٣٩ ]}

في عام 2014، بدأ فريق البحث والتطوير للتقييم السريع في جوجل إكس بتصميم مصعد فضائي، ليكتشفوا لاحقًا أنه لم يسبق لأحد أن صنع خيطًا مثاليًا من أنابيب الكربون النانوية يزيد طوله عن متر واحد. ولذلك، جمّدوا المشروع مؤقتًا، ويتابعون عن كثب أي تطورات في مجال أنابيب الكربون النانوية. ^{[ 40 ]}

في عام ٢٠١٩، نشرت الأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية تقريرًا بعنوان "الطريق إلى عصر المصاعد الفضائية" ^{[ ٤١ ]} ، وهو دراسة تلخص تقييم المصاعد الفضائية حتى صيف ٢٠١٨. وتتلخص الفكرة في أن مجموعة واسعة من خبراء الفضاء اجتمعوا لتقييم وضع تطوير المصاعد الفضائية، حيث ساهم كل منهم بخبرته وتوصلوا إلى استنتاجات متقاربة: أن المصاعد الفضائية الأرضية تبدو ممكنة، مما يعزز استنتاج دراسة الأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية لعام ٢٠١٣، وأن بدء تطوير المصاعد الفضائية أقرب مما يعتقد معظم الناس. ويستند هذا الاستنتاج الأخير إلى عملية محتملة لتصنيع غرافين أحادي البلورة على نطاق واسع ^{[ ٤٢ ]} يتميز بقوة نوعية أعلى من أنابيب الكربون النانوية .

يدور كابل المصعد الفضائي الأرضي بالتزامن مع دوران الأرض. ولذلك، يتعرض الكابل، والأجسام المتصلة به، لقوة طرد مركزي صاعدة في الاتجاه المعاكس لقوة الجاذبية الهابطة. كلما ارتفع الجسم على الكابل، قلّت قوة جاذبية الأرض، وازدادت قوة الطرد المركزي الصاعدة الناتجة عن الدوران، بحيث تعارض قوة الطرد المركزي الأكبر قوة الجاذبية الأصغر. تتوازن قوة الطرد المركزي والجاذبية عند المدار الاستوائي المتزامن مع الأرض. فوق هذا المدار، تكون قوة الطرد المركزي أكبر من قوة الجاذبية، مما يدفع الأجسام المتصلة بالكابل إلى الأعلى . ولأن الثقل الموازن، فوق المدار الاستوائي المتزامن مع الأرض، يدور حول الأرض بسرعة أكبر من سرعة الدوران الطبيعية عند ذلك الارتفاع، فإنه يمارس قوة طرد مركزي على الكابل، وبالتالي يُبقي النظام بأكمله معلقًا في الهواء.

تُسمى محصلة القوى المؤثرة على الأجسام المتصلة بالكابل مجال الجاذبية الظاهري . مجال الجاذبية الظاهري للأجسام المتصلة هو قوة الجاذبية (المتجهة للأسفل) مطروحًا منها قوة الطرد المركزي (المتجهة للأعلى). وتكون الجاذبية الظاهرية التي يتعرض لها جسم على الكابل صفرًا عند المدار الجغرافي الثابت، ومتجهة للأسفل أسفل المدار الجغرافي الثابت، ومتجهة للأعلى فوقه.

يمكن تمثيل مجال الجاذبية الظاهري على النحو التالي: ^{[ 53 ] : الجدول 1}

تتناقص قوة الجاذبية الأرضية الفعلية المتجهة للأسفل مع الارتفاع:${\displaystyle g_{r}=-GM/r^{2}}$

تزداد قوة الطرد المركزي الصاعدة الناتجة عن دوران الكوكب مع الارتفاع:${\displaystyle a=\omega ^{2}r}$

معًا، يمثل مجال الجاذبية الظاهري مجموع المجالين:

${\displaystyle g=-{\frac {GM}{r^{2}}}+\omega ^{2}r}$

أين

عند نقطة معينة على طول الكابل، تتساوى قوى الجاذبية (الجاذبية المتجهة للأسفل وقوة الطرد المركزي المتجهة للأعلى) وتكون متعاكسة. لا تؤثر الأجسام المثبتة على الكابل عند تلك النقطة بأي وزن عليه. يعتمد هذا الارتفاع (r1 ₎ على كتلة الكوكب وسرعة دورانه. وبمساواة الجاذبية الفعلية بتسارع الطرد المركزي، نحصل على: ^{[ 53 ] : ص 126}

${\displaystyle r_{1}=\left({\frac {GM}{\omega ^{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}}$

يقع هذا على ارتفاع 35,786 كيلومترًا (22,236 ميلًا) فوق سطح الأرض، وهو ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض. ^{[ 53 ] : الجدول 1}  

على الكابل أسفل المدار الثابت بالنسبة للأرض، تكون قوة الجاذبية المتجهة للأسفل أكبر من قوة الطرد المركزي المتجهة للأعلى، لذا فإن الجاذبية الظاهرية تسحب الأجسام المتصلة بالكابل إلى الأسفل. أي جسم يُطلق من الكابل أسفل هذا المستوى سيتسارع مبدئيًا نحو الأسفل على طول الكابل، ثم ينحرف تدريجيًا شرقًا بعيدًا عنه. أما على الكابل أعلى مستوى المدار الثابت، فتكون قوة الطرد المركزي المتجهة للأعلى أكبر من قوة الجاذبية المتجهة للأسفل، لذا فإن الجاذبية الظاهرية تسحب الأجسام المتصلة بالكابل إلى الأعلى . أي جسم يُطلق من الكابل أعلى مستوى المدار الثابت بالنسبة للأرض سيتسارع مبدئيًا نحو الأعلى على طول الكابل، ثم ينحرف تدريجيًا غربًا بعيدًا عنه.

تاريخيًا، اعتُبرت المشكلة التقنية الرئيسية هي قدرة الكابل على تحمل وزنه تحت أي نقطة معينة بفعل الشد. يبلغ الشد الأقصى على كابل مصعد الفضاء ذروته عند نقطة المدار الثابت بالنسبة للأرض، على ارتفاع 35,786 كيلومترًا (22,236 ميلًا) فوق خط استواء الأرض. هذا يعني أن مادة الكابل، بالإضافة إلى تصميمه، يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل وزنه من السطح حتى ارتفاع 35,786 كيلومترًا (22,236 ميلًا) . الكابل الذي يكون مقطعه العرضي أكثر سمكًا عند هذا الارتفاع منه عند السطح، يكون أكثر قدرة على تحمل وزنه على امتداد أطول. لذا، يُعدّ تدرج مساحة المقطع العرضي من أقصى قيمة له عند 35,786 كيلومترًا (22,236 ميلًا) إلى أدنى قيمة له عند السطح عاملًا تصميميًا هامًا لكابل مصعد الفضاء.      

عدة أشكال مخروطية ذات معايير مادية مختلفة

لتحقيق أقصى استفادة من قوة التحمل الزائدة لكمية معينة من مادة الكابل، يجب تصميم مساحة المقطع العرضي للكابل بحيث يكون الإجهاد (أي الشد لكل وحدة مساحة مقطع عرضي) ثابتًا على طول الكابل. ^{[ 53 ] [ 54 ]} يُعد معيار الإجهاد الثابت نقطة انطلاق في تصميم مساحة المقطع العرضي للكابل نظرًا لتغيرها مع الارتفاع. تشمل العوامل الأخرى التي تُؤخذ في الاعتبار في التصاميم الأكثر تفصيلًا زيادة سُمك الكابل عند الارتفاعات التي تكثر فيها المخلفات الفضائية، ومراعاة الإجهادات النقطية التي يُسببها المتسلقون، واستخدام مواد متنوعة. ولمراعاة هذه العوامل وغيرها، تسعى التصاميم التفصيلية الحديثة إلى تحقيق أكبر هامش أمان ممكن، مع أقل قدر ممكن من التغير مع الارتفاع والزمن. ^{[ 22 ]} في التصاميم البسيطة التي تبدأ بنقطة انطلاق، يُعادل ذلك الإجهاد الثابت.

بالنسبة لكابل ذي إجهاد ثابت بدون هامش أمان، فإن مساحة المقطع العرضي كدالة للمسافة من مركز الأرض تعطى بالمعادلة التالية: ^{[ 53 ]}

${\displaystyle A(r)=A_{s}\exp \left[{\frac {\rho gR^{2}}{T}}\left({\frac {1}{R}}+{\frac {R^{2}}{2R_{g}^{3}}}-{\frac {1}{r}}-{\frac {r^{2}}{2R_{g}^{3}}}\right)\right]}$

أين

${\displaystyle g}$يمثل التسارع الجاذبي على سطح الأرض (م/ث² ⁾ ،

${\displaystyle A_{s}}$هي مساحة المقطع العرضي للكابل على سطح الأرض (م² ⁾ ،

${\displaystyle \rho }$هي كثافة المادة المستخدمة في الكابل (كجم/م³ ⁾ ،

${\displaystyle R}$نصف قطر الأرض الاستوائي،

${\displaystyle R_{g}}$يمثل نصف قطر المدار المتزامن مع الأرض،

${\displaystyle T}$هو الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله مساحة المقطع العرضي دون أن تخضع للتشوه (نيوتن متر ^مربع )، وهو حد المرونة الخاص بها.

يمكن حساب هامش الأمان عن طريق قسمة T على عامل الأمان المطلوب. ^{[ 53 ]}

باستخدام الصيغة المذكورة أعلاه، يمكن حساب النسبة بين المقطع العرضي في المدار الثابت بالنسبة للأرض والمقطع العرضي على سطح الأرض، والمعروفة باسم نسبة التناقص: ^{[ ملاحظة 1 ]}

${\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho }{T}}\times 4.85\times 10^{7}\right]}$

تصبح نسبة التناقص كبيرة جدًا ما لم تقترب القوة النوعية للمادة المستخدمة من 48 (ميجا باسكال)/(كجم/م³ ⁾ . تتطلب المواد ذات القوة النوعية المنخفضة نسب تناقص كبيرة جدًا، مما يعني كتلة إجمالية كبيرة (أو فلكية) للكابل، وما يترتب على ذلك من تكاليف باهظة أو مستحيلة.

تُعدّ القوة النوعية ذات أهمية بالغة في وصف مواد الكابلات. وقد اقترح الاتحاد الدولي لمصاعد الفضاء وحدةً تُسمى "يوري"، نسبةً إلى يوري أرتسوتانوف ، لوصف إجهاد الخضوع (أو إجهاد الكسر) لكل وحدة كثافة للمادة تحت الشد. يُعادل اليوري الواحد 1 ^{باسكال.م³}  / كجم أو 1 نيوتن.م / كجم ، وهي قوة الكسر/الخضوع لكل وحدة كثافة خطية للكابل تحت الشد. ^{[ 55 ] [ 56 ]} يتطلب مصعد الفضاء الأرضي الفعال حبلًا بطول 30-80 ميجا يوري (ما يُعادل 3100-8200 كم من طول الكسر). ^{[ 57 ]}   

يتمثل أحد مفاهيم المحطة الأساسية/المرساة في محطة متنقلة، مثل السفن الكبيرة العابرة للمحيطات أو المنصات المتنقلة الأخرى. تتميز المحطات الأساسية المتنقلة عن المحطات الثابتة (ذات المراسي البرية) بقدرتها على المناورة لتجنب الرياح العاتية والعواصف والحطام الفضائي . كما تقع نقاط التثبيت المحيطية عادةً في المياه الدولية ، مما يُبسط عملية التفاوض على استخدام الأراضي للمحطة الأساسية ويقلل تكلفتها. ^{[ 2 ]}

ستوفر المنصات الأرضية الثابتة وصولاً لوجستياً أسهل وأقل تكلفة إلى القاعدة. كما ستتمتع بميزة التواجد على ارتفاعات شاهقة، كقمم الجبال. وفي تصميم بديل، يمكن أن تكون المحطة الأساسية برجاً يشكل مصعداً فضائياً يتألف من برج ضغط قريب من السطح، وهيكل ربط على ارتفاعات أعلى. ^{[ 6 ]} إن الجمع بين هيكل الضغط وهيكل الشد من شأنه أن يقلل الأحمال الجوية عند طرف الربط الأرضي، ويقلل المسافة التي يحتاجها الكابل للامتداد داخل مجال جاذبية الأرض، وبالتالي يقلل متطلبات نسبة القوة إلى الكثافة الحرجة لمادة الكابل، مع ثبات جميع عوامل التصميم الأخرى.

يجب أن يتحمل كابل المصعد الفضائي وزنه بالإضافة إلى وزن المتسلقين. وتختلف قوة الكابل المطلوبة على امتداده، إذ يجب أن يتحمل في نقاط مختلفة وزن الكابل الموجود أسفله، أو أن يوفر قوة هابطة لتثبيت الكابل والثقل الموازن في الأعلى. ويبلغ أقصى شد على كابل المصعد الفضائي أقصى ارتفاع له عند مستوى التزامن مع الأرض، لذا يجب أن يكون الكابل أكثر سمكًا هناك، ثم يتناقص قطره تدريجيًا كلما اقترب من الأرض. ويمكن تمييز أي تصميم محتمل للكابل بمعامل التناقص التدريجي، وهو النسبة بين نصف قطر الكابل عند مستوى التزامن مع الأرض ونصف قطره عند سطح الأرض. ^{[ 58 ]}

يجب أن يُصنع الكابل من مادة ذات نسبة عالية بين قوة الشد والكثافة . على سبيل المثال، يفترض تصميم مصعد إدواردز الفضائي استخدام مادة كابل بقوة شد لا تقل عن 100 جيجا باسكال . ^{[ 2 ]} وبما أن إدواردز افترض باستمرار أن كثافة كابل أنابيب الكربون النانوية تبلغ 1300  كجم/م³ ^، [ ^{20 ] فإن} ذلك يعني قوة نوعية تبلغ 77 ميجا باسكال/(كجم/م³ ⁾ . تأخذ هذه القيمة في الاعتبار الوزن الإجمالي للمصعد الفضائي. يحتاج كابل المصعد الفضائي غير المخروطي إلى مادة قادرة على تحمل طول 4960 كيلومترًا (3080 ميلًا) من وزنه عند مستوى سطح البحر للوصول إلى ارتفاع ثابت بالنسبة للأرض يبلغ 35786 كيلومترًا (22236 ميلًا) دون أن ينثني. ^{[ 59 ]} لذلك، يلزم استخدام مادة ذات قوة عالية جدًا وخفة وزن.   

للمقارنة، يبلغ طول مقاومة الكسر للمعادن مثل التيتانيوم والفولاذ وسبائك الألومنيوم 20-30  كيلومترًا فقط (0.2-0.3 ميجا باسكال/كجم/م³ ⁾ . أما المواد الليفية الحديثة مثل الكيفلار والألياف الزجاجية وألياف الكربون/الجرافيت، فيبلغ طول مقاومة الكسر لها 100-400  كيلومتر (1.0-4.0 ميجا باسكال/كجم/م³ ⁾ . ومن المتوقع أن يبلغ طول مقاومة الكسر للمواد المصنعة بتقنية النانو، مثل أنابيب الكربون النانوية ، وشرائط الجرافين المكتشفة حديثًا (وهي عبارة عن صفائح ثنائية الأبعاد مثالية من الكربون)، 5000-6000  كيلومتر (50-60 ميجا باسكال/كجم/ ^م³ )، كما أنها قادرة على توصيل الطاقة الكهربائية.

بالنسبة لمصعد فضائي على الأرض، ذي الجاذبية العالية نسبيًا، يجب أن تكون مادة الكابل أقوى وأخف وزنًا من المواد المتاحة حاليًا. ^{[ 60 ]} لهذا السبب، انصبّ التركيز على تطوير مواد جديدة تلبي متطلبات القوة النوعية العالية. يتميز الكربون بمزايا عديدة لتحقيق قوة نوعية عالية، كونه العنصر السادس فقط في الجدول الدوري . يحتوي الكربون على عدد قليل نسبيًا من البروتونات والنيوترونات التي تُشكّل معظم وزن أي مادة. تُساهم الإلكترونات الخارجية القليلة فقط في معظم قوى الترابط بين الذرات في أي عنصر . بالنسبة للكربون، تكون قوة واستقرار هذه الروابط عالية مقارنةً بكتلة الذرة. يكمن التحدي في استخدام أنابيب الكربون النانوية في توسيع نطاق إنتاج هذه المادة إلى أحجام ماكروسكوبية مع الحفاظ على خصائصها المثالية على المستوى الميكروسكوبي (حيث أن العيوب الميكروسكوبية هي المسؤولة بشكل كبير عن ضعف المادة). ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]} اعتبارًا من عام 2014، سمحت تقنية أنابيب الكربون النانوية بنمو أنابيب يصل طولها إلى بضعة أعشار من المتر. ^{[ 63 ]}

في عام 2014، تم تصنيع خيوط نانوية من الماس لأول مرة. ^{[ 50 ]} ونظرًا لامتلاكها خصائص قوة مشابهة لأنابيب الكربون النانوية، فقد اعتُبرت خيوط الماس النانوية بسرعة مادة مرشحة لصناعة الكابلات أيضًا. ^{[ 51 ]}

لا يمكن اعتبار مصعد الفضاء مصعدًا بالمعنى التقليدي (ذو كابلات متحركة) نظرًا لضرورة أن يكون الكابل أعرض بكثير في المنتصف منه عند الأطراف. ورغم وجود تصاميم مختلفة تستخدم كابلات متحركة، فإن معظم تصاميم الكابلات تتطلب من "المصعد" الصعود على كابل ثابت.

تتنوع تصاميم المصاعد بشكل كبير. في تصاميم المصاعد التي تكون كابلاتها عبارة عن أشرطة مستوية، يقترح معظمها استخدام أزواج من البكرات لتثبيت الكابل بالاحتكاك.

يجب تنظيم سرعة المتسلقين وفقًا لأوقات مثالية لتقليل إجهاد الكابلات والاهتزازات وزيادة الإنتاجية إلى أقصى حد. يمكن إرسال متسلقين أخف وزنًا بوتيرة أسرع، مع صعود عدة متسلقين في الوقت نفسه. سيؤدي ذلك إلى زيادة الإنتاجية إلى حد ما، ولكنه سيقلل من كتلة كل حمولة على حدة. ^{[ 64 ]}

تزداد السرعة الأفقية، أي الناتجة عن الدوران المداري، لكل جزء من الكابل مع الارتفاع، بما يتناسب مع المسافة من مركز الأرض، لتصل إلى سرعة مدارية منخفضة عند نقطة تُقارب 66% من الارتفاع بين سطح الأرض والمدار الثابت بالنسبة للأرض، أو ارتفاعًا يبلغ حوالي 23,400  كيلومتر. ستدخل الحمولة المُطلقة عند هذه النقطة في مدار بيضاوي شديد الانحراف، مُتجنبةً دخول الغلاف الجوي بالكاد، حيث يكون الحضيض عند نفس ارتفاع المدار الأرضي المنخفض (LEO) والأوج عند ارتفاع الإطلاق. مع ازدياد ارتفاع الإطلاق، يصبح المدار أقل انحرافًا مع ازدياد كل من الحضيض والأوج، ليصبح دائريًا عند مستوى المدار الثابت بالنسبة للأرض. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

عندما تصل الحمولة إلى المدار الجغرافي الثابت، تكون سرعتها الأفقية مساوية تمامًا لسرعة مدار دائري عند ذلك المستوى، بحيث إذا أُطلقت، ستبقى قريبة من تلك النقطة على الكابل. كما يمكن للحمولة مواصلة الصعود على الكابل إلى ما بعد المدار الجغرافي الثابت، مما يسمح لها باكتساب سرعة أعلى عند الإطلاق. إذا أُطلقت من ارتفاع 100,000  كيلومتر، ستكون للحمولة سرعة كافية للوصول إلى حزام الكويكبات. ^{[ 12 ] [ 22 ]}

عند رفع حمولة في مصعد فضائي، فإنها لا تكتسب ارتفاعًا فحسب، بل سرعة أفقية (زخمًا زاويًا) أيضًا. يُستمد الزخم الزاوي من دوران الأرض. أثناء صعود المركبة، تتحرك في البداية بسرعة أبطأ من كل جزء لاحق من الكابل الذي تنتقل إليه. هذه هي قوة كوريوليس : تسحب المركبة الكابل (غربًا) أثناء صعودها، مما يقلل سرعة دوران الأرض قليلًا. يحدث العكس بالنسبة للحمولات الهابطة: يميل الكابل شرقًا، مما يزيد سرعة دوران الأرض قليلًا.

سيؤدي التأثير الكلي لقوة الطرد المركزي المؤثرة على الكابل إلى محاولته المستمرة للعودة إلى الوضع الرأسي الأمثل من الناحية الطاقية، لذا بعد رفع جسم ما بواسطة الكابل، سيتأرجح الثقل الموازن عائدًا نحو الوضع الرأسي، كما لو كان بندولًا. ^{[ 64 ]} ستُصمَّم مصاعد الفضاء وأحمالها بحيث يكون مركز الكتلة دائمًا أعلى من مستوى المدار الثابت بالنسبة للأرض ^{[ 67 ]} بما يكفي لحمل النظام بأكمله. يجب التخطيط لعمليات الرفع والهبوط بعناية للحفاظ على حركة الثقل الموازن الشبيهة بالبندول حول نقطة التثبيت تحت السيطرة. ^{[ 68 ]}

ستكون سرعة المتسلق محدودة بقوة كوريوليس، والطاقة المتاحة، وبضرورة ضمان عدم تسبب قوة تسارع المتسلق في قطع الكابل. كما سيحتاج المتسلقون إلى الحفاظ على حد أدنى من السرعة المتوسطة لنقل المواد صعودًا وهبوطًا بكفاءة وسرعة. ^{[ 69 ]} بسرعة سيارة أو قطار فائق السرعة تبلغ 300 كم/ساعة (190 ميل/ساعة) ، سيستغرق الصعود إلى المدار المتزامن مع الأرض حوالي 5 أيام. ^{[ 70 ]}  

يمثل كل من الطاقة والقدرة مشكلتين هامتين للمتسلقين - سيحتاج المتسلقون إلى اكتساب كمية كبيرة من الطاقة الكامنة بأسرع وقت ممكن لإخلاء الكابل من أجل الحمولة التالية.

تم اقتراح طرق مختلفة لتوفير الطاقة للمتسلق:

• انقل الطاقة إلى المتسلق عبر نقل الطاقة اللاسلكي أثناء تسلقه.
• انقل الطاقة إلى المتسلق من خلال هيكل مادي أثناء تسلقه.
• تخزين الطاقة في المتسلق قبل أن يبدأ - يتطلب ذلك طاقة نوعية عالية للغاية مثل الطاقة النووية.
• الطاقة الشمسية - بعد أول 40  كم، من الممكن استخدام الطاقة الشمسية لتشغيل المتسلق ^{[ 71 ]}

يُعتبر نقل الطاقة لاسلكيًا، مثل نقل طاقة الليزر، الطريقة الأكثر ترجيحًا حاليًا، وذلك باستخدام ليزرات الإلكترون الحر أو ليزرات الحالة الصلبة بقدرة ميغاواط، بالإضافة إلى مرايا تكيفية بعرض 10 أمتار تقريبًا ، ومصفوفة كهروضوئية على المركبة المتسلقة مضبوطة على تردد الليزر لتحقيق الكفاءة. ^{[ 2 ]} بالنسبة لتصاميم المركبات المتسلقة التي تعمل بنقل الطاقة، تُعدّ هذه الكفاءة هدفًا تصميميًا هامًا. إذ يتطلب الأمر إعادة إشعاع الطاقة غير المستخدمة باستخدام أنظمة تبديد الحرارة، مما يزيد من الوزن.  

اقترح يوشيو أوكي، أستاذ هندسة الآلات الدقيقة في جامعة نيهون ومدير جمعية مصاعد الفضاء اليابانية، تضمين كابل ثان واستخدام موصلية أنابيب الكربون النانوية لتوفير الطاقة. ^{[ 34 ]}

تم اقتراح العديد من الحلول لتكون بمثابة ثقل موازن:

• كويكب ثقيل تم أسره ^{[ 5 ] [ 72 ]}
• حوض فضائي أو محطة فضائية أو ميناء فضائي يقع خارج المدار الثابت بالنسبة للأرض
• امتداد إضافي للكابل نفسه للأعلى بحيث تكون قوة السحب الصافية للأعلى مساوية لقوة السحب لثقل موازن مكافئ.
• ^{[ 22 ]} تم وضع متسلقات مستهلكة كانت تستخدم لتثخين الكابل أثناء البناء، بالإضافة إلى خردة أخرى ومواد تم رفعها على الكابل لغرض زيادة الثقل الموازن.

يتميز تمديد الكابل بسهولة العملية، كما أن الحمولة التي تصل إلى نهاية كابل الثقل الموازن تكتسب سرعة كبيرة بالنسبة للأرض، مما يسمح بإطلاقها إلى الفضاء بين الكواكب. أما عيبه فيكمن في الحاجة إلى إنتاج كميات أكبر من مواد الكابل، مقارنةً باستخدام أي مادة متوفرة ذات كتلة.

كما أشار بيرسون ^{[ 12 ]} ، يمكن استخدام مصعد فضائي لدفع مركبة فضائية إلى مسافة أبعد، مستفيدًا من قوة الطرد المركزي الناتجة عن دوران الأرض. فعلى سبيل المثال،  سيصل جسم مُعلق بمصعد فضائي على مسافة نصف قطرها حوالي 53,100 كيلومتر إلى سرعة الإفلات عند إطلاقه. ويمكن الوصول إلى مدارات انتقالية إلى نقطتي لاغرانج L1 وL2 عن طريق الإطلاق على مسافة 50,630 و51,240  كيلومترًا على التوالي، والانتقال إلى مدار قمري من مسافة 50,960  كيلومترًا. ^{[ 73 ]}

في نهاية كابل بيرسون البالغ طوله 144,000 كيلومتر (89,000 ميل) ، تبلغ السرعة المماسية 10.93 كيلومتر في الثانية (6.79 ميل/ثانية). هذه السرعة كافية تمامًا للإفلات من جاذبية الأرض وإرسال المجسات إلى مسافة لا تقل عن كوكب المشتري . وبمجرد الوصول إلى المشتري، يمكن لمناورة مساعدة الجاذبية أن تسمح بالوصول إلى سرعة الإفلات من جاذبية الشمس. ^{[ 12 ] [ 53 ]}   

ويمكن أيضاً بناء مصعد فضائي على كواكب أخرى وكويكبات وأقمار.

قد يكون حبل الربط المريخي أقصر بكثير من نظيره على الأرض. تبلغ جاذبية سطح المريخ 38% من جاذبية الأرض، بينما يدور حول محوره في نفس الوقت تقريبًا الذي تدور فيه الأرض. ولهذا السبب، يكون مدار المريخ الثابت أقرب بكثير إلى سطحه، وبالتالي يمكن أن يكون المصعد أقصر بكثير. المواد الحالية قوية بما يكفي لبناء مثل هذا المصعد. ^{[ 74 ]} سيكون بناء مصعد مريخي أمرًا معقدًا بسبب قمر المريخ فوبوس ، الذي يدور في مدار منخفض ويتقاطع مع خط الاستواء بانتظام (مرتين كل دورة مدارية مدتها 11  ساعة و6  دقائق). قد يعيق فوبوس وديموس بناء مصعد فضائي ثابت في مداره؛ من ناحية أخرى، قد يساهمان بموارد مفيدة للمشروع. من المتوقع أن يحتوي فوبوس على كميات كبيرة من الكربون. إذا أصبح استخدام أنابيب الكربون النانوية ممكنًا كمادة للحبل، فسيكون هناك وفرة من الكربون بالقرب من المريخ. وهذا من شأنه أن يوفر موارد متاحة بسهولة للاستيطان المستقبلي على المريخ.

فوبوس مقيد مدّيًا : أحد جوانبه يواجه دائمًا المريخ. سيمتد مصعد فضائي لمسافة 6000  كيلومتر من هذا الجانب الداخلي، لينتهي على ارتفاع 28 كيلومترًا تقريبًا فوق سطح المريخ ، خارج المناطق الأكثر كثافة في غلافه الجوي . ويعوّض كابل مماثل يمتد لمسافة 6000  كيلومتر في الاتجاه المعاكس الكابل الأول ، بحيث يبقى مركز كتلة هذا النظام في فوبوس. إجمالًا، سيمتد المصعد الفضائي لمسافة تزيد عن 12000  كيلومتر، أي أقل من مدار المريخ الثابت بالنسبة للأرض (17032  كيلومترًا). ولا يزال إطلاق صاروخ ضروريًا لنقل الصاروخ والحمولة إلى بداية المصعد الفضائي على ارتفاع 28  كيلومترًا فوق السطح. يدور سطح المريخ بسرعة 0.25 كيلومتر/ثانية عند خط الاستواء، بينما يدور الجزء السفلي من المصعد الفضائي حول المريخ بسرعة 0.77  كيلومتر/ثانية، لذا لن يلزم سوى 0.52  كيلومتر/ثانية (1872  كيلومتر/ساعة) من دلتا-في للوصول إلى المصعد الفضائي. يدور فوبوس حول المريخ بسرعة 2.15  كم/ث، وسيدور الجزء الخارجي من المصعد الفضائي حول المريخ بسرعة 3.52  كم/ث. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

يُعدّ قمر الأرض موقعًا محتملاً لمصعد فضائي قمري ، لا سيما وأنّ القوة المطلوبة للكابل منخفضة بما يكفي لاستخدام المواد المتوفرة حاليًا. لا يدور القمر بسرعة كافية لدعم المصعد بقوة الطرد المركزي (قرب الأرض يعني عدم وجود مدار قمري ثابت فعليًا)، لكن اختلاف قوى الجاذبية يسمح بإنشاء مصعد عبر نقاط لاغرانج . ^{[ 16 ]} سيمتد المصعد القريب من القمر عبر نقطة لاغرانج L1 من نقطة تثبيت قريبة من مركز الجزء المرئي من القمر: يجب أن يتجاوز طول هذا المصعد أقصى ارتفاع لنقطة لاغرانج L1 البالغ 59,548  كم، وسيكون أطول بكثير لتقليل كتلة ثقل الموازنة المطلوب في قمته. ^{[ 77 ]} أما المصعد البعيد من القمر، فسيمر عبر نقطة لاغرانج L2، وسيكون أطول من المصعد القريب؛ ومرة ​​أخرى، يعتمد طول الكابل على كتلة نقطة التثبيت المختارة، ولكن يمكن أيضًا تصنيعه من مواد هندسية موجودة. ^{[ 77 ]}

يمكن استخدام الكابلات لقذف المواد إلى نقاط مناسبة، مثل مدارات الأرض، في الكويكبات أو الأقمار سريعة الدوران؛ ^{[ 80 ]} أو على العكس، لقذف المواد لإرسال جزء من كتلة الكويكب أو القمر إلى مدار الأرض أو نقطة لاغرانجية . اقترح فريمان دايسون ، الفيزيائي والرياضي، استخدام أنظمة أصغر كمولدات طاقة في نقاط بعيدة عن الشمس حيث تكون الطاقة الشمسية غير اقتصادية.

وفقًا لفرانسيس غراهام من جامعة ولاية كينت، يمكن إنشاء مصعد فضائي باستخدام مواد هندسية متوفرة حاليًا بين عوالم مقيدة مدّيًا، مثل بلوتو وشارون أو مكونات الكويكب الثنائي 90 أنتيوب ، دون انقطاع في نقطة النهاية. ^{[ 81 ]} ومع ذلك، يجب استخدام كابلات ملفوفة بأطوال متغيرة نظرًا لشكل المدارات الإهليلجي.

بالنسبة للأنظمة المبكرة، كانت مدة الانتقال من سطح الأرض إلى مستوى المدار المتزامن مع الأرض حوالي خمسة أيام. في هذه الأنظمة المبكرة، كان الوقت المستغرق في المرور عبر أحزمة فان ألين الإشعاعية كافياً لحماية الركاب من الإشعاع بواسطة دروع واقية، مما كان سيزيد من كتلة المركبة الصاعدة ويقلل من حمولتها. ^{[ 83 ]}

سيشكل مصعد الفضاء خطرًا ملاحيًا على كل من الطائرات والمركبات الفضائية. وقد تُحوّل الطائرات مسارها بسبب قيود مراقبة الحركة الجوية . وستصطدم جميع الأجسام في مدارات مستقرة، والتي يقلّ حضيضها عن أقصى ارتفاع للكابل، وغير المتزامنة معه، بالكابل في نهاية المطاف، ما لم تُتخذ إجراءات لتجنبه. أحد الحلول المحتملة التي اقترحها إدواردز هو استخدام مرساة متحركة (مرساة بحرية) لتمكين الحبل من "تجنب" أي حطام فضائي كبير بما يكفي لتتبعه. ^{[ 2 ]}

تُشكّل اصطدامات الأجسام الفضائية، مثل النيازك والنيازك الدقيقة والحطام الصناعي الذي يدور في المدار، قيدًا تصميميًا آخر على الكابل. إذ يجب تصميم الكابل بحيث يتمكن من المناورة لتجنب الحطام، أو امتصاص اصطدامات الحطام الصغير دون أن ينقطع.

باستخدام مصعد فضائي، يُمكن إرسال المواد إلى المدار بتكلفة أقل بكثير من التكلفة الحالية. ففي عام 2022، بلغت تكلفة تصميمات الصواريخ التقليدية حوالي 12,125 دولارًا أمريكيًا للكيلوغرام الواحد (5,500 دولارًا أمريكيًا للرطل ) لنقلها إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. ^{[ 84 ]} وتتوقع مقترحات المصاعد الفضائية الحالية أسعارًا للحمولة تبدأ من 220 دولارًا أمريكيًا للكيلوغرام الواحد (100 دولار أمريكي للرطل ) ، ^{[ 85 ]} وهي تكلفة مماثلة لتقديرات نظام الإطلاق الحلقي التي تتراوح بين 5 و300 دولار أمريكي للكيلوغرام ، ولكنها أعلى من 310 دولارات أمريكية للطن الواحد للوصول إلى مدار على ارتفاع 500  كيلومتر، والتي ذُكرت للدكتور جيري بورنيل لنظام المنطاد المداري. ^{[ 86 ]}

يذكر فيليب راجان، المؤلف المشارك لكتاب " مغادرة الكوكب بواسطة مصعد فضائي "، أن "الدولة الأولى التي تنشر مصعدًا فضائيًا ستتمتع بميزة تكلفة بنسبة 95 بالمائة ويمكنها أن تسيطر على جميع الأنشطة الفضائية". ^{[ 87 ]}