Космический лифт
Космический лифт , а также космический лифт ( англ. Space лифт ) гипотетический переносчик в космическом пространстве без ракетного двигателя вдоль растянутой направляющего троса между базовой станцией на экваторе, и космическая станция за геостационарной орбите в километровой высоте 35786 . Конкурирующие силы тяжести, которая сильнее на земле, и центробежная сила , которая сильнее на верхнем конце, предназначены для натяжения каната, и самоходный лифт или лифт с внешним приводом поднимает полезный груз или транспортирует его в обоих направлениях.
история
В 1895 году русский пионер космоса Константин Циолковский, вдохновленный Эйфелевой башней, изобрел башню длиной 35 786 километров в космос.
В 1959 году советский ученый Юрий Арзутанов предложил спустить веревку с геостационарного спутника . Канат должен быть наиболее толстым на геостационарной орбите и тоньше к концам. Он должен быть натянут между землей и большим противовесом за геостационарной орбитой. Интервью на русском языке появилось в 1960 году, и его работа над ним долгое время была неизвестна за рубежом.
В 1966 году американские инженеры рассчитали предел прочности на разрыв, необходимый для каната постоянной толщины, и обнаружили, что известные в то время материалы непригодны.
В 1975 году американец Джером Пирсон, как и Арзутанов, предложил подъемник с неровным поперечным сечением кабеля. Канат должен быть наиболее толстым на месте строительства на геостационарной орбите и сужаться к концам. Для транспортировки материалов потребовались тысячи космических полетов с космическим челноком .
В 2000 году Дэвид Смитерман из американского космического агентства НАСА опубликовал отчет, основанный на результатах конференции, проведенной в 1999 году в Центре космических полетов им . Маршалла . Он предложил использовать углеродные нанотрубки .
В 2004 году группа ученых под руководством Алана Виндла из Кембриджского университета сделала 100-метровую нить из углеродных нанотрубок. Отношение прочности на разрыв к весу было до 100 раз лучше, чем у стали. Поскольку углерод окисляется в атмосфере, на материал необходимо нанести покрытие.
В конце июня 2004 года руководитель проекта космического лифта Брэдли Эдвардс в Фэрмонте , Западная Вирджиния, объявил, что прототип может быть готов через 15 лет. НАСА поддерживает исследовательский проект через свой Институт перспективных концепций (NIAC) в размере 500 000 долларов США . По словам Эдвардса, веревка будет вести себя как молоток на расстоянии до 100000 километров, и он предложил сделать ее из композитного материала, состоящего из углеродных нанотрубок.
С 2005 по 2009 год НАСА и Фонд Spaceward проводили соревнования «Денежный лифт: 2010».
Транспортные расходы
Предполагается, что традиционные транспортные расходы могут быть снижены с 12 000 долларов США до 80 000 долларов США до 200 долларов США за килограмм.
Чтобы поднять один килограмм массы с земного экватора на высоту 35 786 км над земным экватором, требуется 48 422 кДж (примерно 13 кВт · ч). Если веревку протянуть на высоту 143 780 км над земным экватором, эта энергия может быть восстановлена.
Отсоединившись от космического лифта на разной высоте, космический корабль может быть выведен на множество различных траекторий полета и орбит без какого-либо дальнейшего движения.
технология
Огромные технические требования предъявляются к лифту, канату и базовой станции. NASA объявило конкурсы с высоким призовым фондом на этом. Различают следующие пять проблемных областей, для которых существует несколько возможных решений.
Материал для веревки
Каждый сегмент каната должен выдерживать, по крайней мере, вес нижележащих сегментов каната плюс грузоподъемность. Чем выше рассматриваемый сегмент веревки, тем больше сегментов веревки он должен удерживать. Таким образом, оптимизированный канат имеет большее поперечное сечение с увеличением высоты, пока эта тенденция не изменится на противоположную на геостационарной орбите, поскольку оттуда результирующая сила сегментов каната действует от земли.
Для заданной прочности материала на разрыв минимальное поперечное сечение базовой станции определяется исключительно грузоподъемностью. Затем также определяется оптимальное дальнейшее развитие поперечного сечения. Отношение наибольшего поперечного сечения кабеля к наименьшему называется коэффициентом конусности . Вы и грузоподъемность в конечном итоге определяете общую массу каната.
В принципе, с оптимизированным поперечным сечением каната космический лифт можно построить из любого материала, выбрав соответствующее быстрое увеличение поперечного сечения или используя большой коэффициент конусности . Экономика в конечном итоге диктует предел все еще значимых ценностей в этом размере.
Нормальный стальной трос постоянного поперечного сечения разорвет под действием собственного веса от длины от четырех до пяти километров (материало- определенной длиной на разрыв ), высокопроизводительные стальные тросы для канатной дороги, у которых прочность на разрыве является сопоставимо с кевларом , придут примерно до 30 км. Таким образом, новые материалы, чья прочность на разрыв намного превосходит кевлар, являются решающим фактором для будущего развития этой компании. Согласно исследованиям, есть три возможных варианта:
- Углеродные нанотрубки, кажется, в пять раз превышают разрывную длину кевлара, но расчеты Никола Пуньо из Туринского политехнического института показали, что когда углеродные нанотрубки сплетаются в более длинные веревки, прочность на разрыв уменьшается примерно на 70% по сравнению с к пределу прочности индивидуальных нанотрубок. Причина этого - неизбежные дефекты кристаллов, которые, согласно модели Пунноса, снижают несущую способность каната примерно до 30 гигапаскалей . Однако, согласно расчетам НАСА, для выдерживания возникающих сил потребуется материал с нагрузочной способностью около 62 гигапаскалей. Кроме того, ни одной лаборатории еще не удалось создать связную веревку длиной более 100 метров. Покрытие каната представляет собой дополнительный фактор стоимости и веса, потому что углеродные нанотрубки окисляются и разрушаются в атмосфере.
- Сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое волокно Dyneema также является очень многообещающим: длина разрыва достигает 400 км при вертикальном подвешивании и, таким образом, во много раз превосходит все обычные материалы и даже паучий шелк в два раза. Однако против использования Dyneema говорит, что температура плавления Dyneema составляет от 144 ° C до 152 ° C, что прочность Dyneema значительно уменьшается между 80 ° C и 100 ° C, и что Dyneema становится хрупкой ниже -150 ° C. C, потому что все эти температуры являются обычными в космосе.
- Графен - новый, пока малоисследованный материал . Примерно при 1020 ГПа модуль упругости соответствует модулю упругости нормального графита вдоль базисных плоскостей и почти такой же, как у алмаза. Ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке опубликовали дополнительные результаты измерений в 2008 году, в которых они подчеркнули, что графен обладает самой высокой прочностью на разрыв, которую когда-либо определяли. Его предел прочности на разрыв 1,25 × 10 5 Н / мм² или 125 гигапаскалей является самым высоким из когда-либо определяемых и примерно в 125 раз выше, чем у стали . Плотность стали 7874 кг / м³ примерно в 3,5 раза выше, чем плотность графена с 2260 кг / м³, так что длина разрыва графена примерно в 436 раз больше, чем у стали. В гравитационном поле 9,81 м / с², которое считается однородным, графен будет иметь длину разрыва около 5655 км. На самом деле, однако, ускорение свободного падения значительно ниже с увеличением высоты, что увеличивает длину разрыва. Полоса графена с постоянной площадью поперечного сечения ( коэффициент конусности = 1) будет загружена только до 87% от ее прочности на разрыв на высоте геостационарной орбиты 35 786 км над земным экватором (см. Рисунок). На еще большей высоте растягивающая нагрузка снова уменьшится. Если бы графеновая веревка имела длину 143 780 км с постоянной площадью поперечного сечения, то она была бы в полном равновесии с ускорением свободного падения Земли и центробежным ускорением, обусловленным вращением Земли. На высоте 143 780 км над экватором Земли чистое ускорение 0,78 м / с² будет действовать вверх, а тангенциальная скорость будет 10 950 м / с, что будет способствовать запуску космических зондов. Графен и графит имеют температуру плавления около 3700 ° C. Бесконечные графеновые ленты шириной 76 см получают путем нанесения одноатомного слоя углерода на фольгу из инертного материала-носителя, такого как медь, методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) с последующим растворением материала-носителя. Для графена, вероятно, также необходимо защитное покрытие.
Возведение веревки
Пока возможно только спустить веревку с геостационарного спутника . Поведение длинных веревок в космосе - предмет современных исследований. Вполне возможно, что сначала запускается только канат с минимальной нагрузкой, который затем постепенно усиливается до достижения конечной толщины полезной нагрузки.
Строительство башни как базовой станции
Базовая станция также должна выдерживать большие нагрузки, потому что, по данным НАСА, на соединение между кабелем и базовой станцией может быть загружено до 62 гигапаскалей. Это означает, что базовая станция должна быть закреплена в земле на достаточно глубоком, сложном и дорогостоящем основании. Это связано с тем, что в космическом лифте должно быть превышение центробежной силы в вертикальном направлении по сравнению с силой тяжести , чтобы натянуть канат, и потому что в космическом лифте в горизонтальном направлении сила Кориолиса поднимающиеся или опускающиеся нагрузки передаются на землю. Космический лифт, который находился бы в полном равновесии между центробежной силой и гравитационной силой, был бы нарушен в своей устойчивости даже минимальными нагрузками и, следовательно, не мог бы передавать какой-либо крутящий момент через силу Кориолиса между землей и грузом. Когда космический лифт натянут, требуется только энергия, чтобы преодолеть вес груза по разнице высот , потому что сила Кориолиса всегда перпендикулярна движению груза. Та часть энергии, которая необходима для преодоления силы Кориолиса, исходит из замедления вращения Земли.
Движение спутника
Ракетный привод для спутника не требуется, потому что, как только сила Кориолиса транспортируемого вверх груза тянет спутник назад, канат образует небольшой угол к вертикали, тем самым ускоряя спутник и замедляя вращение Земли. Для этой цели целесообразно, если спутник будет вращаться немного выше поверхности земли, чем 40 000 км, чтобы он был геосинхронным, но натягивал веревку за счет своей центробежной силы. Этот принцип работы можно проиллюстрировать метанием молота . Пока метатель молота вращается с постоянной скоростью, канат молота направлен радиально от оси вращения. По мере того, как метатель молота увеличивает скорость вращения, молот отстает от радиального выравнивания, и кинетическая энергия передается от метателя молота к молоту. Транспортировка груза практически не затруднена силой Кориолиса, поскольку она практически перпендикулярна движению груза.
Расширение общей космической инфраструктуры и космической отрасли
Считается, что космический лифт может резко сократить расходы на транспортировку в космос. При типичной полезной нагрузке для отдельных перевозок порядка тонн и времени перевозки порядка отдельных недель космический лифт достигнет значительной транспортной мощности в течение года. Поскольку окончательные параметры подъемника, такие как скорость, прочность на разрыв и стоимость, еще не определены, в настоящее время трудно оценить эффекты. Однако есть согласие, что из-за более низких сил ускорения, которые возникают по сравнению с запуском ракеты, открывается возможность транспортировки в космос механически чувствительных деталей, таких как зеркала телескопа.
Космический лифт на Луне
Технически предложение Джерома Пирсона уже находится в диапазоне возможностей: он хотел бы установить космический лифт на Луне. Из-за меньшей силы тяжести по сравнению с землей необходимая веревка будет подвергаться меньшим нагрузкам. Из-за медленного вращения Луны канат на стационарную лунную орбиту будет намного длиннее, чем земно-космический лифт, протяженность которого составляет почти 100 000 км. Однако космический лифт Пирсона будет связан с точкой Лагранжа L1 или L2 в системе Земля-Луна. L1 находится на расстоянии около 58 000 км от центра Луны в направлении Земли, точка L2, обращенная от Земли, находится на расстоянии около 64 500 км от центра Луны. При доступных сегодня канатных материалах достаточно сужения в 2,66 раза.
Необходимый трос расчетной массой семь тонн можно было вывести в космос с помощью одной ракеты. Джером Пирсон - управляющий директор компании Star Technology and Research , которая также предоставляет информацию о лунном подъеме на своем веб-сайте. Исследования Пирсона по проекту в настоящее время поддерживаются НАСА в размере 75 000 долларов.
Космический лифт как мотив в литературе, кино и на телевидении
В своей детской книге « Чарли и большой стеклянный лифт» (1972 г.), преемнике классической « Чарли и шоколадная фабрика» (1964 г.), Роальд Даль описывает лифт, который свободно перемещается по всему миру и (непреднамеренно) в космос , в котором лифт тоже уже упоминалось.
Идея космического лифта для публики стала известна как Артур Кларк и Чарльз Шеффилд, она 1978/79 независимо центральная тема ее романов Фонтаны Рая (dt .: Фонтаны Рая ) и Паутина между мирами ( дт .: Сеть из тысячи звезд) обработано.
Также в классической манге « Боевой ангел Алита» (1991 г.) Юкито Кисиро основная сюжетная линия вращается вокруг космического лифта с выходом на орбиту и остановкой в стиле города в облаках.
В своей трилогии о Марсе ( Красный Марс (1992), Зеленый Марс (1993), Синий Марс (1995)) Ким Стэнли Робинсон изображает космический лифт как ключевую технологию для колонизации Марса. В романах у Земли и Марса есть космические лифты, лифт на Марсе, однако, разрушается сепаратистами планеты, взрывая якорную точку, чтобы предотвратить дальнейшую иммиграцию жителей Земли.
В эпизоде Die Asteroiden ( English Rise , Season 3, Episode 19, 1997) сериала « Звездный путь: космический корабль Вояджер» экипаж «Вояджера» встречает планету, на которой существует космический лифт.
Авторы Терри Пратчетт , Ян Стюарт и Джек Коэн рассматривают концепцию космического лифта как метафору и как физически осуществимое устройство в своей книге «Ученые Плохого мира» (2000) .
В своем романе 2001 года « Город пропасти» Аластер Рейнольдс описывает, что происходит, когда рвется трос космического лифта.
В романе Лю Цисинь « Три солнца» 2006 года нанотехнологии, которые исследует главный герой Ван Мяо, признаны ключом к созданию космического лифта.
В третьем томе серии Airborn, Sternenjäger (2008) Кеннета Оппеля , главные герои используют космический лифт, чтобы первыми попасть в космос.
Франк Шетцинг затронул тему космического лифта в своем романе « Предел» , опубликованном в 2009 году .
Юлия Реда предложила построить космический лифт для Пиратской партии в 2014 году во время европейской избирательной кампании.
В строительной игре Anno 2205 от Ubisoft 2015 года космический лифт будет рассматриваться как центральный элемент игры.
критика
В дополнение к высоким требованиям, предъявляемым к материалу для веревок, которые еще не доступны сегодня, у этой идеи есть два основных недостатка. С одной стороны, канат космического лифта будет представлять собой фиксированное препятствие на всех орбитальных орбитах спутников, потому что каждая орбита должна иметь две точки прохождения через экваториальную плоскость Земли. Таким образом, веревке будут постоянно угрожать удары спутников и космического мусора, которые будут лететь как снаряды со скоростью несколько километров в секунду. С другой стороны, на веревку, длина которой составляет десятки тысяч километров, будет действовать так много различных сил, что управляемость возникающей сложной системы колебаний сомнительна.
литература
- Глава: Космический лифт. В: Eugen Reichl: Typenkompass: Zukunftsprojekte der Raumfahrt , Motorbuch Verlag, Stuttgart 2012, ISBN 978-3-613-03462-4 , стр. 105–111
веб ссылки
- Научная рабочая группа по ракетной технике и космическим путешествиям ( WARR Space Elevator )
- Сайт Space Elevator от SpaceRef с актуальными новостями проекта, презентациями, лекциями и ссылками
- German Space Elevator (Max Born Team 2006) Строительство космического лифта (Проект для школьников / молодых студентов)
- Портал ЕКА
- Лифт в космос. Восьмимиллионный этаж . Статья о космических лифтах в интернет-издании FAZ ( Frankfurter Allgemeine ). Ульф фон Раухгаупт, 2 октября 2014 г.
- Космический лифт - самый простой выход в космос? Terra X, 10 июля 2019 г.
Индивидуальные доказательства
- ↑ Национальное космическое общество: Космические лифты: передовая инфраструктура Земля-космос для нового тысячелетия (pdf)
- ↑ История успеха космического транспорта: Как Феникс из пепла.
- ↑ Питер Одрич: Японцы хотят построить космический лифт к 2050 году. В: Ingenieur.de. 1 октября 2014, доступ к 7 октября 2014 .
- ↑ Чангу Ли, Сяодин Вэй, Джеффри В. Кисар, Джеймс Хоун: Измерение упругих свойств и внутренней прочности однослойного графена . В кн . : Наука . Лента 321 , нет. 5887 , 2008, с. 385-388 , DOI : 10.1126 / science.1157996 .
- ↑ Суканг Бэ, Хёнкеун Ким, Ёнбин Ли, Сянфан Сюй, Пак Джэ Сон, И Чжэн, Джаякумар Балакришнан, Тиан Лей, Хе Ри Ким, Ён Ир Сон, Ён-Джин Ким, Кван С. Ким, Барбарос Озилмаз, Чон- Хён Ан, Бён Хи Хонг, Сумио Иидзима: Производство 30-дюймовых графеновых пленок для прозрачных электродов на рулонах . В: Nat Nano . Лента 5 , вып. 8 , 2010, с. 574-578 , DOI : 10.1038 / nnano.2010.132 ( PDF [доступ к 5 октября 2010]). PDF ( Memento из в оригинале с 10 июля 2012 года в Internet Archive ) Info: архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Пожалуйста, проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление.
- ↑ Джером Пирсон, Юджин Левин, Джон Олдсон и Гарри Уайкс: Лунный космический лифт (PDF; 365 кБ), STAR Inc., Маунт-Плезант, Южная Каролина, США, 55-й Международный астронавтический конгресс, Ванкувер, Канада, 4-8 октября 2004 г. .
- ↑ http://www.star-tech-inc.com/id4.html
- ↑ Оригинальное издание The Science of Discworld , 1999.
- ↑ Йолинде Хюхткер, Сирилл Каллениус, Дэвид Фрезен, Макс Дейберт, Саймон Грот, Ксения Хойс, Антония Бретчкоу: Космический лифт и кривые огурцы. В: tagesspiegel.de. 24 мая 2014, доступ к 30 сентября 2015 .
- ↑ Карл Урбан: Что на самом деле делает космический лифт? В: Spektrum.de. 21 сентября 2018, доступ к 3 июня 2021 .
