Ingenieure bauen einen echten Weltraumaufzug. Können sie erfolgreich sein?

Stellen Sie sich ein Halteseil aus superfestem Material vor, das von der Erdoberfläche bis zu einer Station in einer geostationären Umlaufbahn reicht – auch bekannt als geosynchrone äquatoriale Umlaufbahn GEO. Der Transport in und aus der Umlaufbahn würde durch Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge statt durchRaketen, die einen regelmäßigen Zugang zu Platz für Pfennige auf dem Dollar sicherstellen!

Diese fabelhafte Idee ist bekannt als Weltraumaufzug, ein vorgeschlagenes Transportsystem von der Erde in die Umlaufbahn, das die Raumfahrt und die Erforschung, wie wir sie kennen, revolutionieren könnte. Während die Erstellung dieser Struktur eine Herkulesleistung der Ingenieurskunst und sehr teuer und zeitaufwändig wäre, würde sie auchbeispiellose langfristige Vorteile.

Der bemerkenswerteste Vorteil einer solchen Struktur besteht darin, dass sie die Kosten für den Transport von Nutzlasten und Besatzungen in den Weltraum erheblich senken würde. Selbst mit den Vorteilen wiederverwendbarer Raketen ist es immer noch sehr teuer, etwas in den Orbit zu schicken. Der Grund muss damit zusammenhängenmit der Schwerkraft der Erde, die ein robustes Gewicht hat9.8m/s² 32,174 Fuß/s².

Aus diesem Grund muss eine Rakete eine Geschwindigkeit von 11.186 m/s 40.270 km/h; 25.020 mph erreichen, um der Erdanziehungskraft zu entkommen dies wird als "Fluchtgeschwindigkeit" bezeichnet. Die benötigte Treibstoffmenge, um dies zu erzeugenGeschwindigkeit ist beträchtlich, was bedeutet, dass riesige Raketen und massive Treibstofftanks benötigt werden, was mehr Masse bedeutet, was bedeutet, dass mehr Treibstoff benötigt wird usw.

Kurz gesagt, es gibt einen Grund, warum die Leute sagen: „Weltraum ist schwer.“ Wie viele ehrgeizige Ideen, die das Potenzial haben, die Weltraumforschung und das Leben hier auf der Erde zu revolutionieren, ist die Idee einer Art Weltraumlift nicht neu. Tatsächlich ist einekann seine Wurzeln bis ins späte 19 zurückverfolgen^d Jahrhundert und Konstantin Tsiolkovsky – von vielen als "Vater der Raketentechnik" bekannt.

Ähnlich wurden erst seit Beginn des Weltraumzeitalters Versuche unternommen, die Idee weiterzuentwickeln und zu verfeinern. Obwohl in vielerlei Hinsicht Fortschritte erzielt wurden, schwebt das Konzept noch immer am Rande des Möglichen. Für einige Wissenschaftler und Ingenieuredie anhaltenden Herausforderungen reichen aus, um zu dem Schluss zu kommen, dass niemals ein Weltraumaufzug gebaut wird zumindest hier auf der Erde.

Für andere sind die Möglichkeiten, die es bietet, Grund genug, das Konzept am Leben zu erhalten. Darüber hinaus arbeiten die Leute hart und gehen Risiken ein, um es in die Realität umzusetzen. Was genau ist also mit dem Space Elevator zu tun?? Was macht es als Konzept so attraktiv, herausfordernd und umstritten? Und wenn es technisch machbar ist, wann können wir damit rechnen?

Weltraumaufzüge 101

NASA definierte das Konzept wie folgt in einem Bericht aus dem Jahr 2000 mit dem Titel "Weltraumaufzüge: Eine fortschrittliche Erde-Weltraum-Infrastruktur für das neue Jahrtausend::

"Ein Weltraumaufzug ist eine physische Verbindung von der Oberflächevon der Erde zu einer geostationären Erdumlaufbahn GEO über der Erde ≈35.786 km in der Höhe. Sein Schwerpunkt liegt bei geostationärer Punkt, so dass er eine 24-Stunden-Umlaufbahn hat und bleibtüber dem gleichen Punkt über dem Äquator, auf dem sich die Erde drehtseine Achse."

Arthur C. Clarke bot während seiner Ansprache an die eine weitere hilfreiche Definition an.30. Internationaler Astronautischer Kongress 1979, mit dem Titel "Der Weltraumaufzug: 'Gedankenexperiment' oder Schlüssel zum Universum?::

"Der Weltraumaufzug alias Sky Hook, Heavenly Ladder, Orbital Tower oder Cosmic Funicular ist eine Struktur, die einen Punkt auf dem Äquator mit einem Satelliten in der geostationären Umlaufbahn direkt darüber verbindet. Durch die Bereitstellung einer 'vertikalen Eisenbahn' würde dieserlauben eine Reduzierung der Kosten für Weltraumoperationen um Größenordnungen.

"Der Nettoenergiebedarf wäre nahezu Null, da im Prinzip die gesamte Energie der zurückkehrenden Nutzlasten zurückgewonnen werden könnte; ja, durch die Fortführung des Bauwerks über den geostationären Punkt hinaus aus Stabilitätsgründen auf jeden Fall notwendig könnten Nutzlasten entweichenGeschwindigkeit allein durch Ausnutzung des „Schlingen“-Effekts der Erdrotation."

Obwohl es viele vorgeschlagene Versionen des Space Elevator gibt, sind die grundlegenden Strukturelemente fast immer gleich. Dazu gehören a Basis oder Anker, aKabeloder Halteseil, Kletterer, Energiesysteme, und aGegengewichtim Weltraum. In Bezug auf die Basis wechseln die Vorschläge zwischen mobilen Seeplattformen oder stationären landgestützten Plattformen.

DerKabeloder Halteseil ist eine Zugstruktur, die die Kletterer von der Erde in den Weltraum tragen würde, und die Stärke und Dicke müsste entlang ihrer Länge variieren. Da die Spannung nahe dem Ende des Kabels in GEO-Höhe am größten ist,es muss an dieser Stelle am dicksten sein und sich näher an der Oberfläche nach unten verjüngen.

Aufgrund der Belastungen müsste das Kabel ein sehr hohes Zugfestigkeits-Dichte-Verhältnis aufweisen. Nach verschiedenen Einschätzungen müsste das betreffende Material eine Festigkeit von mindestens 100 Gigapascal GPa aufweisen. Vor der Entwicklung vonnanotechnologische Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, kein bekanntes Material könnte diese Anforderungen erfüllen.

DerKletterersind die Seilbahnen, die für den Transport von Besatzungen und Nutzlasten in den Orbit verantwortlich wären. Die Konstruktion der Kletterer hängt von der Anzahl der Kabinen am Kabel zu einem bestimmten Zeitpunkt, der Kabelkonstruktion und anderen Anforderungen ab. VorgeschlagenEnergiesystemefür diese Autos gehören Solarenergie, Kernreaktoren und drahtlose oder direkte Energieübertragung.

DerGegengewicht könnte die Form eines eingefangenen Asteroiden oder eines Raumhafens annehmen, der außerhalb einer geostationären Umlaufbahn positioniert ist, oder eine Kombination davon. Tatsächlich sehen viele Vorschläge eine Weltraumplattform vor, die bei GEO platziert wird und der Haltegurt darüber hinausreicht, wo er mit dem Gegengewicht verbunden ist.

Ursprung

Wie bei so vielen anderen hochgesinnten Weltraumkonzepten wurde die erste aufgezeichnete Erwähnung eines Weltraumaufzugs von einem russischen/sowjetischen Raketenwissenschaftler gemachtKonstantin Tsiolkovsky. 1895, nach dem Zeugen der Eiffelturm in Paris, er beschrieb einen ähnlichen Turm das eine Höhe von 22.370 mi 36.000 km erreichte – die Höhe von GEO:

"Wenn man auf dem Turm höher und höher stieg, würde die Gravitation allmählich abnehmen; und wenn er auf dem Äquator der Erde gebaut würde und sich daher schnell mit der Erde drehte, würde die Gravitation nicht nur wegen derAbstand vom Zentrum des Planeten, sondern auch von der Fliehkraft, die proportional zu diesem Abstand ansteigt.

"Die Gravitationskraft sinkt ... aber die in umgekehrter Richtung wirkende Zentrifugalkraft nimmt zu. Auf der Erde wird die Schwerkraft schließlich an der Spitze des Turms auf einer Höhe von 5,5 Erdradien 36.000 km beseitigt."

Tsiolkovskys Konzept verlangte jedoch eine Kompressionsstruktur, während moderne Konzepte eine Zugstruktur oder "Tether" erfordern. Das früheste aufgezeichnete Beispiel einer solchen Struktur wurde 1959 vom sowjetisch-russischen Ingenieur Yuri N. Artsutanov gemacht, derschlug vor, ein Halteseil von einem geostationären Satelliten in die Erdatmosphäre zu entsenden und an der Oberfläche zu verankern.

Artsutanov beschrieb seine Idee während eines Interviews im Jahr 1960, das in der Sonntagsbeilage von erschienKomsomolskaja Prawda, betitelt "Mit dem Elektrozug zum Kosmos." Im Vergleich der Idee mit einem Seil, das um einen Stein gebunden ist, behauptete Artsutanov, dass ein ähnlicher Effekt durch die Befestigung eines "Seils" am Äquator der Erde erreicht werden könnte.

Vorausgesetzt, das Seil war lang genug und mit einem Gegengewicht von ausreichender Masse verbunden, würden die Fliehkräfte es gelehrt halten. Er lieferte sogar einige grobe Zahlen für seine Leser:

„Damit lässt sich zeigen, wie lang unser „Seil“ zum Kosmos sein muss – fünfzig oder vielleicht sechzigtausend Kilometer!des langen Kabels bei fast 40.000 Kilometern! Aber wenn dies getan ist, Es wird ein direktes Kabel weg von der Erde in den Kosmos entstehen."

1966, ein Team amerikanischer Ingenieure unter der Leitung von John D. Isaacs von der Scripps Institut für Ozeanographie führte eine Studie mit dem Titel " durchSatelliten-Elongation zu einem echten 'Sky-Hook.'" Obwohl sie behaupteten, dass das Konzept theoretisch machbar sei, zeigten ihre Berechnungen, dass das Halteseil eine doppelt so hohe Zugfestigkeit wie jedes bekannte Material einschließlich Diamant haben müsste.

1975 ging Jerome Pearson ein amerikanischer Ingenieur und Weltraumwissenschaftler in einer Studie weiter, in der er ein " beschrieb.Orbitalturm" Das könnte ein Raumfahrzeug mit der Rotationsenergie der Erde starten. Pearsons neu erfundene Version des Weltraumaufzugs erforderte ein Gegengewicht, das sich auf eine Entfernung von 144.000 km ausdehnte, und ein sich nach oben verjüngendes Halteseil, das bei GEO am dicksten ist.

Seine Analyse berücksichtigte auch den Einfluss der Schwerkraft des Mondes, des Erdwinds und der Belastungen, die durch die Auf- und Abbewegung von Nutzlasten im Kabel verursacht werden. Diese und andere Konzepte gerieten jedoch weiterhin ins Wanken, wenn das Material des Halteseils involviert war. Einfach ausgedrückt, nicht bekanntMaterial war stark genug, um den Belastungen und dem Gewicht standzuhalten.

1999 hielten die NASA-Ingenieure Geoffery A. Landis und Craig Cafarelli während des 46. Kongresses der International Astronautics Federation IAFC eine Präsentation mit dem Titel "Der Tsiolkovski-Turm erneut untersucht." Sie schlugen einen Kompressionsturm in Kombination mit einem Halteseil vor, um die erforderliche Gesamtspannung und Zugfestigkeit zu reduzieren.

in der Fiktion

1979 stellte der berühmte Wissenschaftler und Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke mit der Veröffentlichung von die Idee der Weltraumaufzüge einem breiteren Publikum vor.Die Brunnen des Paradieses. In dieser Geschichte konstruieren Ingenieure einen Weltraumaufzug auf einem Berggipfel im fiktiven Inselstaat "Taprobane", südlich des Äquators.

Im selben Jahr veröffentlichte der Science-Fiction-Autor Charles Sheffield seinen ersten Roman.Das Netz zwischen den Welten, das auch einen Weltraumaufzug hatte. 1982 veröffentlichte Robert A. Heinlein Freitag, ein Roman mit zwei Weltraumaufzügen, die sich in den Nationen Äquator der „Quito Sky Hook“ und Kenia der „Nairobi Beanstalk“ befinden.

Kim Stanley Robinson enthält in seinen beiden WeltraumaufzügeMars-Trilogie, wo Marskolonisten einen bauen, um die Ankunft von Menschen und Nutzlasten von der Erde zu erleichtern, und 2312, wo der Planet Erde mehrere Aufzüge hat, die in die Umlaufbahn reichen. John Scalzis Roman von 2005, Krieg des alten Mannes, auch darstellens eine "Bohnenranke."

In einer biologischen Version, Joan SlonczewskiRoman von 2011Die höchste Grenzezeigt einen College-Studenten, der einen Weltraumaufzug bestieg, der aus selbstheilenden Kabeln besteht, die aus Milzbrandbazillen bestehen. Die manipulierten Bakterien können die Kabel nachwachsen lassen, wenn sie von Weltraummüll durchtrennt werden. Die Analemma-Turm ist eine Studie für eine bewohnbare Variante eines Weltraumaufzugs, vorgeschlagen als "höchstes Gebäude der Welt."

Forschung und Entwicklung

Mit der Entwicklung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den 1990er Jahren begannen Ingenieure, den Weltraumaufzug als tragfähiges Konzept zu überdenken. Im Jahr 2000, David Smitherman von der NASABüro für erweiterte Projekte APO veranstaltete einen Workshop im Marshall Space Flight Centermit anderen Wissenschaftlern und Ingenieuren, um zu diskutieren, wie Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden könnten, um einen Weltraumaufzug zu realisieren.

Ihre Ergebnisse wurden in einem Bericht mit dem Titel " veröffentlicht.Weltraumaufzüge: Eine fortschrittliche Erde-Weltraum-Infrastruktur für das neue Jahrtausend." Der Bericht befasst sich mit allen mit dem Bau und der Aufrechterhaltung einer solchen Struktur verbundenen Fragen und einer Berücksichtigung sowohl der Vorteile als auch der Herausforderungen, mit der endgültigen Entschlossenheit, dass dies machbar ist.

Mit Unterstützung der NASA Institute for Advanced Concepts NIAC, Bradley erweiterte den Umfang dieser Studie und berücksichtigte andere Faktoren. In seinem Abschlussbericht "Der Weltraumaufzug“, er bot eine Einschätzung zu möglichen Einsatzszenarien, Klettererdesign, Energiebedarf und Lieferung, Ankersystemen und wie Orbitalschutt und Naturgefahren gemildert werden könnten.

Seit dieser Zeit wurden zahlreiche Versuche von Weltraumbehörden und dem kommerziellen Raumfahrtsektor unternommen, um die notwendigen Technologien zu entwickeln. Im März 2005, NASA's Jahrhundertherausforderungen Programm mit dem zusammengeführtSpaceward FoundationAuslobung von Preisen von bis zu 400.000 US-Dollar für innovative Ideen, die diese Entwicklung beschleunigen würden.

Von 2005 bis 2009 ein jährlicher Wettbewerb, bekannt als Aufzug:2010 wurde abgehalten, die sich auf Kletterer, Bänder und Power-Beaming-Systeme konzentrierte. Im Jahr 2008 wurde die erste Space Elevator Conference in Redmond, Washington, veranstaltet, die zur Gründung der führte.Internationales Konsortium für Weltraumaufzüge ISEC, eine Tochtergesellschaft der Nationale Weltraumgesellschaft NSS.

2012, die Obayashi Corporation in Japan kündigte ihre Absicht an, bis 2050 einen Weltraumaufzug mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Technologie zu bauen. Ihr Gesamtplan sah ein 96.000 km langes Halteseil vor, das einen Kletterer mit 30 Passagieren aufnehmen könnte, der mit einer Geschwindigkeit von ~ 125 mph 200 . reisen würdekm/h und erreichen GSO nach einer 7,5-tägigen Fahrt.

Seit 2013, die Internationale Akademie für Raumfahrt IAA hat Berichte herausgegeben, in denen die Notwendigkeit eines Weltraumaufzugs hervorgehoben wird, der 2018 mit der Veröffentlichung des " gipfelte.Weg in die Weltraumaufzug-Ära." Der Bericht kam zu dem Schluss, dass die Möglichkeit zur Massenproduktion von einkristallinem Graphen stärker als Kohlenstoffnanoröhren bedeutet, dass ein Weltraumaufzug bald machbar sein wird.

Vorteile

Zusätzlich zu einer kühnen Ingenieursleistung bietet ein Weltraumaufzug eine Vielzahl von Vorteilen. Für den Anfang würden die Einsparungen, die er gegenüber herkömmlichen Raketen bieten würde, Pläne zur kommerziellen Besiedlung und sogar zur Besiedlung des Low Earth Orbit LEO beschleunigenSiedlungen zum Mars und kürzen Milliarden von Missionen, die für Ziele im Weltraum bestimmt sind.

Zwischen 1970 und 2000 blieben die Startkosten bei durchschnittlich etwa 8.400 $ pro lb 18.500 $ pro kg ziemlich konstant. Heute ist dieser Preis dank wiederverwendbarer Raketen auf zwischen 640 und 1.235 $ pro lb 1.410 $ und 2.719 $ pro kg gesunken. Basierend auf verschiedenen Schätzungen könnten die Kosten für das Senden von Nutzlasten in den Weltraum mit einem Weltraumaufzug so gering sein wie 113 USD pro Pfund 250 USD pro kg.

In ihrer "Sky-Hook"-Studie haben Isaacs und seine Kollegen zusammengefasst, was diese zusätzlichen Vorteile waren:

"Zusätzlich zu ihrer Verwendung für den Start von Materialien in den Weltraum könnten solche Anlagen Labors zur Beobachtung der Bedingungen im Weltraum in großen Höhen unterstützen; sie könnten Satelliten oder Raumfahrzeuge mit Energie oder Materialien versorgen, Energie oder Materialien aus dem Weltraum und der hohen Atmosphäre sammeln.", tragen sehr hohe Strukturen auf der Erdoberfläche und andere. Es gibt keine unmittelbare Grenze für die Gesamtmasse, die durch ein solches Kabel in der Nähe der 1-Tage-Umlaufbahn gehalten werden könnte."

Ein weiterer großer Vorteil ist die Art und Weise, wie sie den kostengünstigen Einsatz von Dingen wie weltraumgestützten Solaranlagen ermöglichen. Die Sammlung von Solarenergie unterliegt im Weltraum keinen Unterbrechungen, da sie im Weltraum nicht vom Wetter und dem Tageszyklus beeinflusst wird, wie aufErde: Im Weltraum gesammelte Sonnenenergie könnte dann mit Mikrowellenlasern oder -strahlen zu Stationen auf der Erde gestrahlt werden.

Es würde auch das beschleunigenKommerzialisierung und Industrialisierung von der niedrigen Erdumlaufbahn, was die Platzierung von Lebensräumen, Tankstellen und Produktion im Orbit bedeuten würde. Raumfahrzeuge könnten im Orbit billig hergestellt werden und könnten zu Zielen im Weltraum starten, wobei Materialien oder Komponenten in den Weltraum befördert werden müssen.

Herausforderungen

Leider können wir keinen dieser Vorteile ernten, bis wir eine Reihe von Herausforderungen gelöst haben, und nicht alle davon haben mit Ingenieurskunst zu tun obwohl sie Legionen sind! Historisch gesehen war die größte Herausforderung, wie man die Leine hält, während man es tutauch dafür sorgen, dass die Masse unter einem bestimmten Schwellenwert gehalten wird.

Obwohl in diesem Bereich Fortschritte gemacht wurden dank der Entdeckung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gibt es noch einige Stolpersteine. Zunächst einmal können Forscher noch keine besonders langen und zugfesten Nanoröhren herstellen. Der aktuelle Rekordfür Einzelrohre steht noch knapp unter 20 Zoll 50 cm und 5,5 Zoll 14 cm für "Wälder" von ihnen.

Zweitens, genau das, was Kohlenstoff-Nanoröhrchen so stark macht ihr hexagonalkovalente Bindungen stellt auch ein großes Problem beim Konstruieren eines Tethers dar. Wenn es in eine geladen wirdextrem stark werden diese Bindungen instabil und lösen sich auf, was dazu führen würde, dass das Halteseil wie ein Strumpf ausfranst.

Graphen- und Diamant-Nanofäden sind eine mögliche Lösung, da ihre Struktur nicht anfällig für Ausfransen, und sie stellen weniger ein Problem dar, wenn es um geht.Massenproduktion. Es wäre jedoch ein sehr kostspieliges Unterfangen, genug zu produzieren, um einen Tether zu bauen, der eine Höhe von etwa 22.236 Meilen 35.786 km oder mehr erreicht.

Zweitens gibt es auch die Frage der Titanenkräfte, mit denen die Struktur fertig werden muss, wie Windscherung, Stürme und Hurrikane in niedrigeren Höhen und Mikrometeoroiden und der Gravitationseinfluss von Sonne und Mond in höheren LagenStress, Pod-Autos regelmäßig auf und ab zu schicken, und das Ergebnis können Schwingungen sein, die schließlich heftig werden.

Drittens, es geht um Orbitaltrümmer, was bereits ein erhebliches Problem darstellt. Die ESA schätzt, dass es derzeit 34.000 Objekte mit einem Durchmesser von mehr als ~4 Zoll 10 cm gibt, 900.000 mit einer Größe zwischen 0,4 bis 4 Zoll 1 cm bis 10 cm und 128 MillionenObjekte 0,4 bis 0,04 Zoll 1 mm bis 1 cm. Da sich Objekte in der Erdumlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von ~4,8 mi/s bewegen 7,8 km/s - 17.000 mph;28.000 km/h – selbst kleinste Trümmer können ein hohes Risiko darstellen.

Und natürlich gibt es die Kostenfrage, die die Kapazitäten einer einzelnen Nation übersteigen. Die einzige Möglichkeit, in absehbarer Zeit einen Weltraumaufzug zu bauen, besteht darin, wenn die reichsten Nationen der Welt zusammenkommen undsich zu einem generationenübergreifenden Bemühen verpflichtet, ein solches aufzubauen, und könnten sich auf einen gemeinsamen Rahmen für dessen Verwaltung und Nutzung einigen.

Dies wirft die ebenso heikle Frage der nationalen Souveränität auf. Die Der Aufzug müsste in neutralem Gebiet gebaut und jederzeit von einer internationalen Einrichtung geschützt werden, um ihn vor Terroristen zu schützen, die versuchen, ihn zu sabotieren, und gleichzeitig zu verhindern, dass jemand die Kontrolle übernimmt oder exklusiven Zugang dazu hat.

Wie die Struktur selbst sind die Herausforderungen beim Bau und Betrieb eines Weltraumaufzugs enorm! Aber angesichts der Vorteile, einen zu haben, ist es verständlich, warum er weiterhin Befürworter und Anhänger anzieht. Und da sich die erforderlichen Technologien weiter verbessern, werden wirkönnen uns seiner Verwirklichung immer näher kommen.

Und wenn der Bau eines für die Erde nicht möglich ist, besteht die Möglichkeit, sie auf anderen Himmelskörpern zu bauen, wo die Schwerkraft geringer ist Mond, Mars usw.. Aber das ist eine Geschichte für einen anderen Tag!