สายอวกาศเป็นสายเคเบิลยาวที่สามารถใช้สำหรับการขับเคลื่อน การแลกเปลี่ยนโมเมนตัม การรักษาเสถียรภาพและการควบคุมทิศทางหรือเพื่อรักษาตำแหน่งสัมพัทธ์ของส่วนประกอบของระบบเซ็นเซอร์ ดาวเทียม/ ยานอวกาศ ขนาดใหญ่ที่กระจายตัว ^{[ 1 ]}ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของภารกิจและระดับความสูงการบินอวกาศโดยใช้รูปแบบการขับเคลื่อนยานอวกาศ นี้ คาดว่าจะประหยัดค่าใช้จ่ายได้มากกว่าการบินอวกาศโดยใช้เครื่องยนต์ จรวด อย่างมีนัยสำคัญ

ดาวเทียมที่ผูกด้วยสายเคเบิลอาจถูกใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ รวมถึงการวิจัยเกี่ยวกับการขับเคลื่อนด้วยสายเคเบิลการรักษาเสถียรภาพของกระแสน้ำขึ้นลงและพลศาสตร์ของพลาสมาในวงโคจร มีเทคนิคหลัก 5 ประการในการใช้สายเคเบิลอวกาศที่กำลังพัฒนาอยู่: ^{[ 2 ] [ 3 ]}

สายยึดไฟฟ้าไดนามิก

สายส่งไฟฟ้าแบบไดนามิกส่วนใหญ่ใช้สำหรับการขับเคลื่อน สายส่งเหล่านี้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่นำกระแสไฟฟ้าซึ่งสามารถสร้างแรงผลักหรือแรงต้านจากสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ได้ ในลักษณะเดียวกับมอเตอร์ ไฟฟ้า

เชือกผูกการแลกเปลี่ยนโมเมนตัม

สายเคเบิล เหล่านี้อาจเป็นแบบหมุนได้หรือแบบไม่หมุนก็ได้ซึ่งจะจับยานอวกาศที่กำลังเข้ามา แล้วปล่อยยานนั้นในภายหลังไปยังวงโคจรอื่นด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน สายเคเบิลแลกเปลี่ยนโมเมนตัมสามารถใช้สำหรับการปรับวงโคจรหรือเป็นส่วนหนึ่งของระบบขนส่งอวกาศจากพื้นผิวของดาวเคราะห์ไปยังวงโคจร / จากวงโคจรไปยังความเร็วหลุดพ้น

การบินแบบจัดรูปขบวนโดยใช้เชือกผูก

โดยทั่วไปแล้ว นี่คือ สายเคเบิล ที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งใช้ในการรักษาระยะห่างที่กำหนดไว้ระหว่างยานอวกาศหลายลำที่บินเป็นขบวนอย่างแม่นยำ

เรือใบไฟฟ้า

อุปกรณ์คล้าย ใบเรือ พลังงานแสงอาทิตย์ ที่มี สายยึดซึ่งมีประจุไฟฟ้าจะถูกผลักดันด้วยแรงส่งจากไอออนของลม สุริยะ

ระบบรองรับวงโคจรสากล

แนวคิดสำหรับการแขวนวัตถุจากเชือกที่โคจรอยู่ในอวกาศ

มีการเสนอการใช้งานสายเคเบิลอวกาศหลายรูปแบบ รวมถึงการใช้งานเป็นลิฟต์อวกาศตะขอเกี่ยวท้องฟ้าและการถ่ายโอนวงโคจรโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง

คอนสตันติน ซิโอลคอฟสกี (1857–1935) เคยเสนอแนวคิดเกี่ยวกับหอคอยที่สูงมากจนทะลุไปถึงอวกาศ เพื่อให้การหมุนของ โลกช่วยยึดหอคอยนั้นไว้อย่างไรก็ตาม ในขณะนั้น ยังไม่มีวิธีใดที่จะสร้างหอคอยเช่นนั้นได้จริง

ในปี พ.ศ. 2503 ยูริ อาร์ตซูตานอฟ ชาวรัสเซียอีกคนหนึ่ง ได้เขียนรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแนวคิดของสายเคเบิลรับแรงดึงที่จะถูกปล่อยจากดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าลงสู่พื้นดิน และขึ้นไปด้านบน โดยรักษาสมดุลของสายเคเบิล^{[ 4 ]}นี่คือ แนวคิด ลิฟต์อวกาศซึ่งเป็นสายเคเบิลแบบซิงโครนัสชนิดหนึ่งที่จะหมุนไปพร้อมกับโลก อย่างไรก็ตาม ด้วยเทคโนโลยีวัสดุในขณะนั้น สิ่งนี้ก็ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงบนโลกเช่นกัน

ในช่วงทศวรรษ 1970 เจอโรม เพียร์สันได้คิดค้นแนวคิดเกี่ยวกับลิฟต์อวกาศขึ้นมาเอง ซึ่งบางครั้งเรียกว่าสายเคเบิลแบบซิงโครนัส^{[ 5 ]}และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ได้วิเคราะห์ลิฟต์บนดวงจันทร์ที่สามารถผ่านจุด L1 และ L2 ได้และพบว่าสามารถทำได้ด้วยวัสดุที่มีอยู่ ณ ขณะนั้น

ในปี พ.ศ. 2520 Hans Moravec ^{[ 6 ]}และต่อมาRobert L. Forwardได้ศึกษาฟิสิกส์ของskyhook ที่ไม่ซิงโครนัส หรือที่รู้จักกันในชื่อ skyhook แบบหมุน และได้ทำการจำลองอย่างละเอียดของเชือกหมุนเรียวที่สามารถรับวัตถุจากและวางวัตถุลงบนดวงจันทร์ดาวอังคารและดาวเคราะห์ดวง อื่น ๆ ได้ โดยมีการสูญเสียน้อยมาก หรือแม้แต่ได้พลังงานสุทธิเพิ่มขึ้น^{[ 7 ] [ 8 ]}

ในปี พ.ศ. 2522 NASAได้ตรวจสอบความเป็นไปได้ของแนวคิดนี้และให้ทิศทางในการศึกษาระบบที่ผูกติด โดยเฉพาะดาวเทียมที่ผูกติด^{[ 1 ] [ 9 ]}

ในปี พ.ศ. 2533 Eagle Sarmont ได้เสนอแนวคิด Orbiting Skyhook ที่ไม่หมุนสำหรับการขนส่งอวกาศจากโลกสู่วงโคจร/จากวงโคจรสู่ความเร็วหลุดพ้น ในบทความชื่อ "An Orbiting Skyhook: Affordable Access to Space" ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}ในแนวคิดนี้ยานปล่อยตัวแบบซับออร์บิทัลจะบินไปยังปลายด้านล่างของ Skyhook ในขณะที่ยานอวกาศที่มุ่งหน้าไปยังวงโคจรที่สูงกว่า หรือเดินทางกลับจากวงโคจรที่สูงกว่า จะใช้ปลายด้านบน

ในปี พ.ศ. 2543 NASA และBoeingได้พิจารณา แนวคิด HASTOLซึ่งสายเคเบิลหมุนจะนำสัมภาระจากเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง (ที่ความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็ววงโคจร) ขึ้นสู่วงโคจร^{[ 13 ]}

ดาวเทียมผูกติดคือดาวเทียมที่เชื่อมต่อกับดาวเทียมอีกดวงหนึ่งด้วยสายเคเบิลอวกาศ มีการปล่อยดาวเทียมจำนวนมากเพื่อทดสอบเทคโนโลยีสายเคเบิล โดยมีระดับความสำเร็จที่แตกต่างกันไป

มีสายรัดหลายประเภทที่แตกต่างกัน (และบางส่วนก็ซ้ำซ้อนกัน)

สายเคเบิลแลกเปลี่ยน โมเมนตัมเป็นหนึ่งในหลายๆ การใช้งานของสายเคเบิลอวกาศ สายเคเบิลแลกเปลี่ยนโมเมนตัมมีสองประเภท คือ แบบหมุนได้และแบบไม่หมุน สายเคเบิลแบบหมุนจะสร้างแรงควบคุมบนมวลปลายของระบบเนื่องจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ในขณะที่ระบบสายเคเบิลหมุน วัตถุที่ปลายทั้งสองข้างของสายเคเบิลจะได้รับความเร่งอย่างต่อเนื่อง ขนาดของการเร่งขึ้นอยู่กับความยาวของสายเคเบิลและอัตราการหมุน การแลกเปลี่ยนโมเมนตัมเกิดขึ้นเมื่อปล่อยวัตถุปลายด้านใดด้านหนึ่งในระหว่างการหมุน การถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังวัตถุที่ถูกปล่อยจะทำให้สายเคเบิลที่หมุนสูญเสียพลังงาน และทำให้สูญเสียความเร็วและระดับความสูง อย่างไรก็ตาม การใช้ แรงขับ ของสายเคเบิลด้วยไฟฟ้าหรือการขับเคลื่อนด้วยไอออนระบบสามารถเพิ่มระดับความสูงได้เองโดยใช้มวลปฏิกิริยาที่ใช้แล้วทิ้งเพียงเล็กน้อยหรือไม่ใช้เลย

สกายฮุคเป็นระบบขับเคลื่อนด้วยสายเคเบิล ในวงโคจรตามทฤษฎี ซึ่งมีจุด ประสงค์เพื่อยกน้ำหนักบรรทุกขึ้นสู่ระดับความสูงและความเร็วสูง^{[ 14 ] [ 15 ] [ 1 ] [ 16 ] [ 17 ]}ข้อเสนอสำหรับสกายฮุครวมถึงการออกแบบที่ใช้สายเคเบิลหมุนด้วยความเร็วเหนือเสียงเพื่อจับน้ำหนักบรรทุกความเร็วสูงหรือเครื่องบินที่บินในระดับความสูงสูงและวางไว้ในวงโคจร^{[ 18 ]}

สายนำไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรไดนามิกเป็นสายนำไฟฟ้ายาว เช่น สายที่ปล่อยจากดาวเทียมแบบมีสายนำ ไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำงานตามหลักการแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โดยแปลงพลังงานจลน์เป็นพลังงานไฟฟ้าหรือเป็นมอเตอร์โดยแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์^{[ 1 ]}ศักย์ไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นทั่วสายนำไฟฟ้าโดยการเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก การเลือก ใช้ ตัวนำ โลหะ ในสายนำไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรไดนามิกนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ปัจจัยหลักมักได้แก่การนำไฟฟ้า สูงและ ความหนาแน่นต่ำปัจจัยรองขึ้นอยู่กับการใช้งาน ได้แก่ ต้นทุน ความแข็งแรง และจุดหลอมเหลว

สายเคเบิลไฟฟ้าไดนามิกได้รับการนำเสนอในภาพยนตร์สารคดีOrphans of Apolloในฐานะเทคโนโลยีที่จะใช้ในการรักษาสถานีอวกาศMir ของรัสเซีย ให้อยู่ในวงโคจร^{[ 19 ] [ 20 ]}

นี่คือการใช้สายเคเบิลที่ไม่นำไฟฟ้า (โดยทั่วไป) เพื่อเชื่อมต่อยานอวกาศหลายลำเข้าด้วยกันโครงการทดลองการเชื่อมต่อยานอวกาศกับดาวอังคาร (TEMPO³)เป็นโครงการทดลองที่เสนอในปี 2011 เพื่อศึกษาเทคนิคนี้

ระบบดาวเทียมแบบผูกติดที่ไม่หมุนตามทฤษฎี เป็นแนวคิดในการให้การสนับสนุนจากอวกาศแก่วัตถุที่แขวนอยู่เหนือวัตถุทางดาราศาสตร์^{[ 21 ]}ระบบวงโคจรเป็นระบบมวลที่เชื่อมต่อกัน โดยมวลที่รองรับด้านบน (A) จะถูกวางไว้ในวงโคจรรอบวัตถุท้องฟ้าที่กำหนด เพื่อให้สามารถรองรับมวลที่แขวนอยู่ (B) ที่ความสูงเฉพาะเหนือพื้นผิวของวัตถุท้องฟ้า แต่ต่ำกว่า (A)

แทนที่จะหมุนปลายทั้งสองข้าง เชือกยังสามารถรักษาให้ตรงได้ด้วยความแตกต่างเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วงตลอดความยาวของเชือก

ระบบสายเคเบิลที่ไม่หมุนจะมีทิศทางที่เสถียรซึ่งวางตัวตามแนวดิ่งในพื้นที่ (ของโลกหรือวัตถุอื่น) สามารถเข้าใจได้จากการพิจารณาภาพทางด้านขวาซึ่งแสดงยานอวกาศสองลำที่ระดับความสูงต่างกันเชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิล โดยปกติแล้ว ยานอวกาศแต่ละลำจะมีแรงโน้มถ่วง (เช่นFg1 ) และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (เช่น_{Fc1 ) ที่สมดุลกัน แต่เมื่อเชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิล ค่าเหล่านี้จะเริ่มเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเทียบกับกันและกัน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะหากไม่มีสายเคเบิล มวลที่อยู่ระดับความสูงสูงกว่าจะเคลื่อนที่ช้ากว่ามวลที่อยู่} ระดับความสูงต่ำกว่า ระบบจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียว ดังนั้นสายเคเบิลจึงต้องทำให้มวลที่อยู่ระดับความสูงต่ำกว่าช้าลงและทำให้มวลที่อยู่ระดับความสูงสูงกว่าเร็วขึ้น แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางของวัตถุที่อยู่ด้านบนซึ่งถูกผูกไว้ด้วยสายเคเบิลจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางของวัตถุที่อยู่ระดับความสูงต่ำกว่าจะลดลง ส่งผลให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางของวัตถุที่อยู่ด้านบนและแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่อยู่ด้านล่างมีอิทธิพลเหนือกว่า ความแตกต่างของแรงนี้ทำให้ระบบจัดเรียงตัวตามแนวตั้งในท้องถิ่นโดยธรรมชาติ ดังที่เห็นในรูป^{[ 1 ]}

วัตถุในวงโคจรต่ำของโลกจะได้รับผลกระทบจากการกัดเซาะของออกซิเจนอะตอมอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากความเร็ววงโคจร สูง ที่โมเลกุลชนกัน รวมถึงปฏิกิริยาที่สูงของโมเลกุลด้วย ซึ่งอาจกัดเซาะสายยึดได้อย่างรวดเร็ว^{[ 22 ]}

สายเคเบิลแบบเส้นเดี่ยวธรรมดามีความเสี่ยงต่อการถูกไมโครอุกกาบาตและเศษซากอวกาศทำลาย จึงมีการเสนอและทดสอบระบบต่างๆ เพื่อปรับปรุงความต้านทานต่อเศษซากเหล่านี้มาแล้วหลายระบบ:

• ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯประสบความสำเร็จในการปล่อยสายเคเบิลยาว 6 กิโลเมตร (3.7 ไมล์) เส้นผ่านศูนย์กลาง 2–3 มิลลิเมตร (0.079–0.118 นิ้ว) ที่มีชั้นนอกเป็นเส้นใยถัก Spectra 1000 และแกนกลางเป็นเส้นใยอะคริลิก^{[ 23 ]}ดาวเทียมนี้ ซึ่งก็คือ Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS) ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2539 และยังคงใช้งานได้นานกว่า 10 ปี จนกระทั่งขาดในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2549 ^{[ 24 ]}
• โรเบิร์ต พี. ฮอยต์ได้จดสิทธิบัตรตาข่ายวงกลมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งแรงดึงของเส้นใยที่ถูกตัดจะถูกกระจายไปรอบๆ เส้นใยที่ถูกตัดโดยอัตโนมัติ สิ่งนี้เรียกว่าฮอยเทเธอร์ (Hoytether ) ฮอยเทเธอร์มีอายุการใช้งานตามทฤษฎีหลายสิบปี
• นักวิจัยจากJAXAยังได้เสนอให้ใช้สายเคเบิลสำหรับภารกิจในอนาคตอีกด้วย^{[ 25 ]}

เศษซากขนาดใหญ่จะยังคงตัดสายเคเบิลส่วนใหญ่ขาด รวมถึงสายเคเบิลรุ่นปรับปรุงที่ระบุไว้ในที่นี้ด้วย แต่ปัจจุบันเศษซากเหล่านี้สามารถติดตามได้ด้วยเรดาร์และมีวงโคจรที่คาดการณ์ได้ แม้ว่าจะสามารถใช้เครื่องยนต์ขับดันเพื่อเปลี่ยนวงโคจรของระบบได้ แต่ก็สามารถขยับสายเคเบิลในตำแหน่งที่เหมาะสมได้โดยใช้พลังงานน้อยลง เพื่อหลบหลีกเศษซากที่ทราบแล้ว

รังสีต่างๆ รวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลต มีแนวโน้มที่จะทำให้วัสดุของสายเคเบิลเสื่อมสภาพและลดอายุการใช้งาน สายเคเบิลที่เคลื่อนที่ผ่านแถบแวนอัลเลน ซ้ำๆ จะมีอายุการใช้งานสั้นกว่าสายเคเบิลที่อยู่ในวงโคจรต่ำของโลกหรืออยู่นอกสนามแม่เหล็กโลกอย่างเห็นได้ชัด

คุณสมบัติและวัสดุของสายเคเบิลเชื่อมต่อขึ้นอยู่กับการใช้งาน อย่างไรก็ตาม มีคุณสมบัติทั่วไปบางประการ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดและต้นทุนต่ำ สายเคเบิลเชื่อมต่อจะต้องทำจากวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงหรือการนำไฟฟ้าสูงและมีความหนาแน่นต่ำ สายเคเบิลเชื่อมต่อในอวกาศทั้งหมดมีความเสี่ยงต่อเศษซากอวกาศหรืออุกกาบาตขนาดเล็ก ดังนั้น ผู้ออกแบบระบบจะต้องตัดสินใจว่าจำเป็นต้องมีสารเคลือบป้องกันหรือไม่ รวมถึงการป้องกันรังสียูวีและออกซิเจนอะตอมด้วย

สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงดึงสูงบนสายยึด วัสดุที่ใช้ต้องแข็งแรงและเบา ปัจจุบันการออกแบบสายยึดบางแบบใช้พลาสติกผลึก เช่นโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากอะรามิดหรือเส้นใยคาร์บอนวัสดุที่เป็นไปได้ในอนาคตคือท่อนาโนคาร์บอนซึ่งมีความแข็งแรงดึง โดยประมาณ ระหว่าง 140 ถึง 177  GPa (20.3 ถึง 25.7 ล้าน psi; 1.38 ถึง 1.75 ล้าน atm) และมีความแข็งแรงดึงที่พิสูจน์แล้วอยู่ในช่วง 50–60 GPa (7.3–8.7 ล้าน psi; 490,000–590,000 atm) สำหรับท่อนาโนแต่ละท่อบางส่วน ( วัสดุอื่นๆ อีกหลายชนิดมีความแข็งแรง 10 ถึง 20 GPa (1.5 ถึง 2.9 ล้าน psi; 99,000 ถึง 197,000 atm) ในบางตัวอย่างในระดับนาโน แต่การถ่ายทอดความแข็งแรงดังกล่าวไปยังระดับมหภาคยังคงเป็นเรื่องท้าทาย โดยในปี 2011 เชือกที่ทำจาก CNT มีความแข็งแรงน้อยกว่าเส้นใยคาร์บอนทั่วไปในระดับนั้นถึงหนึ่งอันดับ) ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

สำหรับการใช้งานบางอย่าง แรงดึงบนสายเคเบิลคาดว่าจะน้อยกว่า 65 นิวตัน (15 ปอนด์) ^{[ 29 ]}การเลือกวัสดุในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของภารกิจและข้อจำกัดด้านการออกแบบ สายเคเบิลแบบอิเล็กโทรไดนามิก เช่นที่ใช้ใน TSS-1R อาจใช้ลวดทองแดงบางๆ เพื่อให้มีการนำไฟฟ้าสูง (ดูEDT )

มีสมการการออกแบบสำหรับงานบางประเภทที่สามารถนำมาใช้ช่วยให้นักออกแบบระบุปริมาณทั่วไปที่มีผลต่อการเลือกวัสดุได้

_{โดยทั่วไป สมการของลิฟต์อวกาศ จะ}ใช้ "ความยาวลักษณะเฉพาะ" Lcซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "ความยาวที่รองรับตัวเองได้" และเป็นความยาวของสายเคเบิลที่ไม่เรียวที่ลิฟต์สามารถรองรับได้ในสนามแรงโน้ม ถ่วงคงที่ 1 g

${\displaystyle L_{c}={\frac {\sigma }{\rho g}}}$,

โดยที่ σ คือขีดจำกัดความเค้น (ในหน่วยความดัน) และ ρ คือความหนาแน่นของวัสดุ

สมการของตะขอไฮเปอร์โซนิกใช้ "ความเร็วจำเพาะ" ของวัสดุ ซึ่งเท่ากับความเร็วสัมผัสสูงสุดที่ห่วงหมุนสามารถทำได้โดยไม่แตกหัก:

${\displaystyle V={\sqrt {\frac {\sigma }{\rho }}}}$

สำหรับสายเคเบิลหมุน (rotovators) ค่าที่ใช้คือ 'ความเร็วลักษณะเฉพาะ' ของวัสดุ ซึ่งเป็นความเร็วปลายสูงสุดที่สายเคเบิลที่ไม่เรียวสามารถทำได้โดยไม่ขาด

${\displaystyle V_{c}={\sqrt {\frac {2\sigma }{\rho }}}}$

ความเร็วลักษณะเฉพาะเท่ากับความเร็วจำเพาะคูณด้วยรากที่สองของสอง

ค่าเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในสมการที่คล้ายกับสมการจรวดและเทียบได้กับแรงขับจำเพาะหรือความเร็วไอเสีย ยิ่งค่าเหล่านี้สูงเท่าไร ระบบขับเคลื่อนด้วยสายเคเบิลก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพและน้ำหนักเบาขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำหนักบรรทุกที่สามารถบรรทุกได้ อย่างไรก็ตาม ในที่สุดแล้ว มวลของระบบขับเคลื่อนด้วยสายเคเบิลจะถูกจำกัดที่ระดับต่ำสุดโดยปัจจัยอื่นๆ เช่น การสะสมโมเมนตัม

วัสดุที่เสนอ ได้แก่เคฟลาร์โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากท่อนาโนคาร์บอนและเส้นใย M5 M5 เป็นเส้นใยสังเคราะห์ที่เบากว่าเคฟลาร์หรือสเปคตร้า^{[ 30 ]}ตามที่เพียร์สัน เลวิน โอลด์สัน และไวค์ส กล่าวไว้ในบทความเรื่อง "ลิฟต์อวกาศดวงจันทร์" ว่า ริบบิ้น M5 กว้าง 30 มม. (1.2 นิ้ว) และหนา 0.023 มม. (0.91 มิล) จะสามารถรองรับน้ำหนักได้ 2,000 กก. (4,400 ปอนด์) บน พื้นผิว ดวงจันทร์นอกจากนี้ยังสามารถบรรทุกยานขนส่งสินค้าได้ 100 คัน แต่ละคันมีมวล 580 กก. (1,280 ปอนด์) โดยเว้นระยะห่างเท่าๆ กันตามความยาวของลิฟต์^{[ 5 ]}วัสดุอื่นๆ ที่สามารถใช้ได้ ได้แก่ เส้นใยคาร์บอน T1000G สเปคตร้า 2000 หรือไซลอน^{[ 31 ]}

สำหรับสายยึดที่รักษาเสถียรภาพด้วยแรงโน้มถ่วง เพื่อให้เกินความยาวที่รองรับตัวเองได้ วัสดุของสายยึดสามารถทำให้เรียวลงได้ เพื่อให้พื้นที่หน้าตัดแปรผันตามภาระรวม ณ แต่ละจุดตามความยาวของสายเคเบิล ในทางปฏิบัติ หมายความว่าโครงสร้างสายยึดตรงกลางจะต้องหนากว่าปลายทั้งสองข้าง การทำให้เรียวลงอย่างถูกต้องจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าความเค้นดึง ณ ทุกจุดในสายเคเบิลจะเท่ากันทุกประการ สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น ลิฟต์อวกาศของโลก การทำให้เรียวลงสามารถลดอัตราส่วนน้ำหนักของสายเคเบิลต่อน้ำหนักบรรทุกที่มากเกินไปได้ แทนที่จะทำให้เรียวลง อาจใช้ระบบสายยึดแบบโมดูลาร์เป็นขั้นๆ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเดียวกัน โดยจะใช้สายยึดหลายเส้นระหว่างแต่ละขั้น จำนวนสายยึดจะเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของหน้าตัดใดๆ^{[ 32 ]}

สำหรับสายยึดหมุนที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงอย่างมีนัยสำคัญ ความหนาก็จะแปรผันเช่นกัน และสามารถแสดงได้ว่าพื้นที่ A นั้นเป็นฟังก์ชันของ r (ระยะห่างจากศูนย์กลาง) ดังต่อไปนี้: ^{[ 33 ]}

${\displaystyle A(r)={\frac {Mv^{2}}{TR}}\mathrm {e} ^{{\frac {\delta }{T}}{\frac {v^{2}}{2}}\left(1-{\frac {r^{2}}{R^{2}}}\right)}}$

โดยที่ R คือรัศมีของสายยึด, v คือความเร็วเทียบกับจุดศูนย์กลาง, M คือมวลที่ปลาย, ρ คือความหนาแน่นของวัสดุ และ T คือความแข็งแรงดึงที่ออกแบบไว้ ${\displaystyle \delta }$

การรวมพื้นที่เพื่อให้ได้ปริมาตรและคูณด้วยความหนาแน่นและหารด้วยมวลบรรทุกจะได้อัตราส่วนมวลบรรทุก / มวลสายสะพายดังนี้: ^{[ 33 ]}

${\displaystyle {\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi {\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\mathrm {e} ^{\left({\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}\right)}\mathrm {erf} \left({\sqrt {{\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\right)}$

โดยที่ erf คือ ฟังก์ชันความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาด ปกติ

อนุญาต, ${\displaystyle V_{r}=V/V_{c}\,}$

${\displaystyle V_{c}={\sqrt {\frac {2T}{\delta }}}}$

จากนั้น: ^{[ 34 ]}

${\displaystyle {\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi }}V_{r}\mathrm {e} ^{{V_{r}}^{2}}\mathrm {erf} ({V_{r}})}$

สมการนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับสมการจรวดซึ่งเป็นสัดส่วนกับเลขชี้กำลังอย่างง่ายของความเร็ว ไม่ใช่ความเร็วยกกำลังสอง ความแตกต่างนี้จำกัดค่าเดลต้า-วี ที่สามารถได้จากเชือกเส้นเดียวอย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ รูปทรงของสายเคเบิลต้องได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อไมโครอุกกาบาตและเศษซากอวกาศซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้สายเคเบิลสำรอง เช่น สายฮอยเทเธอร์ (Hoytether ) การใช้สายเคเบิลสำรองจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าโอกาสที่สายเคเบิลสำรองหลายเส้นจะเสียหายใกล้จุดเดียวกันบนสายเคเบิลนั้นมีน้อยมาก ดังนั้น ความเสียหายโดยรวมจำนวนมากจึงสามารถเกิดขึ้นได้ในส่วนต่างๆ ของสายเคเบิลก่อนที่จะเกิดการชำรุดเสียหาย

ปัจจุบัน Beanstalks และ rotovators ถูกจำกัดด้วยความแข็งแรงของวัสดุที่มีอยู่ แม้ว่าเส้นใยพลาสติกที่มีความแข็งแรงสูงมาก ( KevlarและSpectra ) จะช่วยให้ rotovator สามารถดึงมวลจากพื้นผิวของดวงจันทร์และดาวอังคารได้ แต่ rotovator ที่ทำจากวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถยกขึ้นจากพื้นผิวโลกได้ ในทางทฤษฎี เครื่องบินที่บินสูงระดับความเร็วเหนือเสียง (หรือความเร็วสูงมาก ) สามารถส่ง payload ไปยัง rotovator ที่จุ่มลงไปในชั้นบรรยากาศตอนบนของโลกชั่วครู่ในตำแหน่งที่คาดการณ์ได้ทั่วทั้งเขตร้อน (และเขตอบอุ่น) ของโลก ณ เดือนพฤษภาคม 2013 สายเคเบิลเชิงกลทั้งหมด (วงโคจรและลิฟต์) ถูกระงับไว้จนกว่าจะมีวัสดุที่แข็งแรงกว่านี้^{[ 35 ]}

การจับยึดสินค้าสำหรับโรโตเวเตอร์ไม่ใช่เรื่องง่าย และหากจับยึดไม่ได้อาจทำให้เกิดปัญหาได้ มีการเสนอระบบต่างๆ มากมาย เช่น การยิงตาข่ายใส่สินค้า แต่ระบบเหล่านี้ล้วนเพิ่มน้ำหนัก ความซับซ้อน และโหมดความล้มเหลวอีกแบบหนึ่ง อย่างไรก็ตาม มีการสาธิตระบบจับยึดที่ใช้งานได้จริงในระดับห้องปฏิบัติการอย่างน้อยหนึ่งครั้งแล้ว^{[ 36 ]}

ปัจจุบัน วัสดุที่แข็งแรงที่สุดในการรับแรงดึงคือพลาสติก ซึ่งต้องมีการเคลือบเพื่อป้องกันรังสี UV และ (ขึ้นอยู่กับวงโคจร) การกัดกร่อนจากออกซิเจนอะตอม การระบายความร้อนส่วนเกิน ใน สุญญากาศทำได้ยากดังนั้นความร้อนสูงเกินไปอาจทำให้สายเคเบิลขาดหรือเสียหายได้

สายเคเบิลไฟฟ้าที่ติดตั้งตามแนวดิ่งในพื้นที่ ("สายเคเบิลแขวน") อาจประสบปัญหาความไม่เสถียรทางพลศาสตร์ การเคลื่อนที่แบบลูกตุ้มทำให้แอมพลิจูดของการสั่นของสายเคเบิลเพิ่มขึ้นภายใต้การกระทำของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อระยะเวลาปฏิบัติภารกิจเพิ่มขึ้น พฤติกรรมนี้อาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบ ในช่วงเวลาไม่กี่สัปดาห์ สายเคเบิลไฟฟ้าในวงโคจรของโลกอาจเกิดการสั่นสะเทือนในหลายโหมด เนื่องจากวงโคจรของพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กและสนามโน้มถ่วง

แผนหนึ่งในการควบคุมการสั่นสะเทือนคือการปรับกระแสไฟฟ้าในสายเคเบิลอย่างต่อเนื่องเพื่อต้านการเพิ่มขึ้นของการสั่นสะเทือน สายเคเบิลแบบอิเล็กโทรไดนามิกสามารถทำให้เสถียรได้โดยการลดกระแสไฟฟ้าเมื่อกระแสไฟฟ้านั้นส่งเสริมการสั่น และเพิ่มกระแสไฟฟ้าเมื่อกระแสไฟฟ้านั้นต้านการสั่น การจำลองแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้สามารถควบคุมการสั่นสะเทือนของสายเคเบิลได้ แนวทางนี้ต้องใช้เซ็นเซอร์ในการวัดการสั่นสะเทือนของสายเคเบิล ซึ่งอาจเป็นระบบนำทางเฉื่อยที่ปลายด้านหนึ่งของสายเคเบิล หรือ ระบบ นำทางด้วยดาวเทียมที่ติดตั้งบนสายเคเบิลและส่งตำแหน่งไปยังตัวรับสัญญาณที่ปลายอีกด้าน

อีกวิธีหนึ่งที่เสนอคือการใช้สายเคเบิลไฟฟ้าสถิตแบบหมุนแทนสายเคเบิลแบบแขวน ผลของแรงไจโรสโคปจะช่วยสร้างเสถียรภาพแบบพาสซีฟ หลีกเลี่ยงความไม่เสถียร

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สายเคเบิลนำไฟฟ้าเกิดความเสียหายจากกระแสไฟกระชากที่ไม่คาดคิดการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต ที่ไม่คาดคิดได้ ตัดสายเคเบิล (เช่น กรณี Tethered Satellite System Reflight (TSS‑1R) ในภารกิจSTS‑75 ) ทำให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เสียหาย และทำให้เครื่องจักรที่ใช้จัดการสายเคเบิลเชื่อมติดกัน อาจเป็นไปได้ว่าสนามแม่เหล็กโลกไม่ได้มีความสม่ำเสมออย่างที่วิศวกรบางคนเชื่อ

แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นบ่อยครั้งว่าสายรัดอาจขาดได้เนื่องจากการสั่นสะเทือน

อุปกรณ์ควบคุมสายเคเบิลเชิงกลมักมีน้ำหนักมากเกินคาด และมีระบบควบคุมที่ซับซ้อนเพื่อลดแรงสั่นสะเทือน เครื่องปีนป่ายน้ำหนักหนึ่งตันที่แบรด เอ็ดเวิร์ดส์เสนอสำหรับลิฟต์อวกาศของเขา อาจตรวจจับและลดแรงสั่นสะเทือนส่วนใหญ่ได้โดยการเปลี่ยนความเร็วและทิศทาง นอกจากนี้ เครื่องปีนป่ายยังสามารถซ่อมแซมหรือเสริมสายเคเบิลได้โดยการเพิ่มเส้นใยเข้าไปอีก

โหมดการสั่นสะเทือนที่อาจเป็นปัญหา ได้แก่ การกระโดดเชือก แนวขวาง แนวยาว และลูกตุ้ม^{[ 37 ]}

เชือกผูกส่วนใหญ่จะมีลักษณะเรียว และลักษณะนี้สามารถเพิ่มการเคลื่อนไหวที่ปลายสุดได้อย่างมากในลักษณะคล้ายแส้

สายยึดไม่ใช่วัตถุทรงกลม และมีขนาดใหญ่พอสมควร ซึ่งหมายความว่าในฐานะวัตถุที่มีขนาดใหญ่ มันไม่สามารถจำลองโดยตรงเป็นแหล่งกำเนิดจุดได้ และนั่นหมายความว่าศูนย์กลางมวลและศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงมักจะไม่อยู่ร่วมกัน ดังนั้นกฎกำลังสองผกผันจึงใช้ไม่ได้ยกเว้นในระยะทางไกลๆ กับพฤติกรรมโดยรวมของสายยึด ดังนั้นวงโคจรจึงไม่เป็นไปตามแบบเคปเลอร์โดยสมบูรณ์ และในบางกรณีวงโคจรก็อาจวุ่นวายได้^{[ 38 ]}

ใน การออกแบบแบบ โบลัสการหมุนของสายเคเบิลที่ทำปฏิกิริยากับสนามแรงโน้มถ่วงที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งพบในวงโคจรวงรี อาจทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรและโมเมนตัมเชิงมุมของการหมุน ซึ่งอาจทำให้การทำนายและการสร้างแบบจำลองมีความซับซ้อนอย่างมาก

• สตาร์ส-2
• ระบบขับเคลื่อนยานอวกาศ
• การปล่อยจรวดขึ้นสู่อวกาศ
• วงแหวนโคจร – วงแหวนเทียมตามทฤษฎีที่วางอยู่ในวงโคจรของโลก

• ProSEDS คือการทดลองระบบขับเคลื่อนแบบใช้สายเคเบิลยึด
• กลุ่มโครงการพิเศษ
• ภาพรวมสายเคเบิลของ NASA
• บริษัท เทเธอร์ส อันลิมิเต็ด อินคอร์ปอเรท
• "คู่มือสายยึดในอวกาศ" โดย ML Cosmo และ EC Lorenzini ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 ธันวาคม 1997 เก็บถาวรเมื่อ 2007-10-06 ที่Wayback Machine
• รายงานของ NASA IAC เกี่ยวกับระบบวงโคจร
• SpaceTethers.com แอปพลิเคชันจำลองการเชื่อมต่ออวกาศ
• สถานีวิทยุแห่งชาติสหรัฐอเมริกา – สายเคเบิลอวกาศ: การเหวี่ยงวัตถุในวงโคจร?
• อีเอสเอ – โครงการ YES2
• ESA – นักศึกษาทำการทดสอบ 'บริการไปรษณีย์อวกาศ' ระหว่างภารกิจโฟตอน
• รายการ The Space Show ตอนที่ 531 โรเบิร์ต พี. ฮอยต์พูดคุยเกี่ยวกับสายเคเบิลเชื่อมต่ออวกาศในรายการ The Space Show
• สถานที่ตั้งของ NASA บน TSS-1R
• โอริกามิเชือกของ NASA
• บทความจากนิวไซเอนทิสต์
• การทดลองฟิสิกส์และการอยู่รอดของเชือกผูก (Tether Physics and Survivability Experiment) ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 18 กรกฎาคม 2011 ที่Wayback Machine
• Tethers Unlimited • เอกสารเผยแพร่ที่เก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 10 พฤศจิกายน 2006 ที่Wayback Machine
• คู่มือการใช้งานสายรัดในอวกาศ (PDF)
• Tethers in Space: การสาธิตระบบขับเคลื่อนในวงโคจรโดยไม่ใช้เชื้อเพลิงISBN 978-90-8891-282-5

• วิดีโอแอนิเมชั่นอธิบายวิธีการทำงานของสายรัด