En rumelevator er et koncept af en hypotetisk ingeniørstruktur til ikke -raketopsendelse af last i rummet . Dette design er baseret på brugen af en tøjring strakt fra planetens overflade til en orbital station placeret på GEO . For første gang en sådan idé blev udtrykt af Konstantin Tsiolkovsky i 1895 [1] [2] , blev ideen uddybet i Yuri Artsutanovs værker .
Kablet holdes i den ene ende på overfladen af planeten (Jorden), og den anden - i et fast punkt i forhold til planeten over den geostationære bane (GSO). En lift med nyttelast stiger langs kablet .
Rebet kræver ekstrem høj trækstyrke kombineret med lav densitet. Carbon nanorør synes ifølge teoretiske beregninger at være et passende materiale. Hvis vi indrømmer deres egnethed til fremstilling af et kabel, så er skabelsen af en rumelevator et løseligt ingeniørproblem, selvom det kræver brug af avancerede udviklinger og høje omkostninger af en anden art . NASA finansierer allerede relaterede udviklinger af American Institute for Scientific Research, herunder udviklingen af en elevator, der er i stand til at bevæge sig uafhængigt langs et kabel [3] . Formentlig kan en sådan metode i fremtiden være størrelsesordener billigere end at bruge løfteraketter .
Der er flere designmuligheder. Næsten alle af dem inkluderer en base (base), et kabel (kabel), hejser og en modvægt.
Basen af en rumelevator er et sted på planetens overflade, hvor kablet er fastgjort, og løftningen af lasten begynder. Den kan være mobil, placeret på et havgående fartøj. Fordelen ved en bevægelig base er evnen til at manøvrere for at undgå orkaner og storme. Fordelene ved en stationær base er billigere og mere overkommelige energikilder og evnen til at reducere kablets længde. Forskellen på flere kilometer tøjring er relativt lille, men kan være med til at reducere den nødvendige tykkelse af den midterste del og længden af den del, der går ud over den geostationære bane. Udover basen kan en platform på stratosfæriske balloner placeres for at reducere vægten af den nederste del af kablet med mulighed for at ændre højden for at undgå de mest turbulente luftstrømme, samt dæmpe for store vibrationer i hele længden af kablet.
Rebet skal være lavet af et materiale med et ekstremt højt forhold mellem trækstyrke og vægtfylde. En rumelevator ville være økonomisk rentabel, hvis den kunne fremstilles kommercielt til en rimelig pris med et kabel med tæthed, der kan sammenlignes med grafit , og en styrke på omkring 65-120 gigapascal . Til sammenligning er styrken af de fleste ståltyper omkring 1 GPa, og selv for de stærkeste typer er den ikke mere end 5 GPa, og stålet er tungt. Den meget lettere Kevlar har en styrke i området 2,6-4,1 GPa, mens kvartsfiber har styrke op til 20 GPa og højere. Den teoretiske styrke af diamantfibre kan være lidt højere.
Kulstof nanorør skulle ifølge teorien have en trækstyrke meget højere end det kræves til en rumelevator. Teknologien til at producere dem i industrielle mængder og flette dem til et kabel er dog lige begyndt at blive udviklet. Teoretisk set burde deres styrke være mere end 120 GPa, men i praksis var den højeste trækstyrke for et enkeltvægget nanorør 52 GPa, og i gennemsnit knækkede de i området 30-50 GPa. Det stærkeste filament vævet af nanorør vil være mindre stærkt end dets komponenter. Forskning for at forbedre renheden af materialet i rørene og skabe forskellige typer rør er i gang.
I et eksperiment udført af forskere fra University of Southern California (USA) viste enkeltvæggede kulstofnanorør en specifik styrke 117 gange højere end stål og 30 gange stærkere end Kevlar. Det var muligt at nå en indikator på 98,9 GPa, den maksimale værdi af nanorørslængden var 195 μm [4] . Eksperimenter udført af forskere fra University of Technology Sydney gjorde det muligt at skabe grafenpapir [5] . Prøveprøver er opmuntrende: Materialets tæthed er fem til seks gange lavere end stål, mens trækstyrken er ti gange højere end kulstofstål. Samtidig er grafen en god leder af elektrisk strøm, som gør, at den kan bruges til at overføre strøm til liften som en kontaktbus. I juni 2013 annoncerede ingeniører fra Columbia University i USA et nyt gennembrud: takket være en ny teknologi til fremstilling af grafen er det muligt at opnå ark med en diagonal størrelse på flere titusinder og en styrke, der kun er 10 % mindre end teoretisk [ 6] .
Teknologien til at væve sådanne fibre er stadig i sin vorden. Ifølge nogle videnskabsmænd [7] vil selv kulstofnanorør aldrig være stærke nok til at lave et rumelevatorkabel.
Reb fortykkelseEn rumelevator skal i det mindste bære sin egen vægt, en del på grund af længden af tøjret. Fortykkelsen på den ene side øger kablets styrke, på den anden side tilføjer den sin vægt og følgelig den nødvendige styrke. Belastningen på det vil variere forskellige steder: i nogle tilfælde skal kablets sektion modstå vægten af segmenterne nedenfor, i andre skal det modstå centrifugalkraften, der holder de øverste dele af kablet i kredsløb. For at opfylde denne betingelse og for at opnå kablets optimalitet på hvert af dets punkter, vil dets tykkelse være variabel.
Det kan vises, at under hensyntagen til Jordens tyngdekraft og centrifugalkraften (men ikke under hensyntagen til Månens og Solens mindre indflydelse), vil tøjringssektionen afhængigt af højden blive beskrevet med følgende formel:
Her er tøjrets tværsnitsareal som funktion af afstanden fra jordens centrum .
Følgende konstanter bruges i formlen:
Denne ligning beskriver et kabel, hvis tykkelse først øges eksponentielt, derefter dets vækst aftager i en højde af adskillige jordradier, og så bliver det konstant og når til sidst geostationær bane. Herefter begynder tykkelsen igen at falde.
Forholdet mellem arealerne af tøjringssektionerne ved basen og ved GSO'en ( r = 42 164 km) er således:
Ved at erstatte densiteten og styrken her for forskellige materialer og forskellige tøjringsdiametre på jordniveau, får vi en tabel over tøjringsdiametre på GSO-niveau. Det skal bemærkes, at beregningen blev udført på grundlag af, at elevatoren ville stå "af sig selv" uden belastning - da kablets materiale allerede oplever spænding fra sin egen vægt (og disse belastninger er tæt på maksimum tilladt for dette materiale).
Materiale | Densitet , kg/m³ | Trækstyrke , ×10 9 Pa | Rebdiameter ved jordoverfladen | |||
---|---|---|---|---|---|---|
1 mm | 1 cm | 10 cm | 1m | |||
Stål St3 varmvalset | 7760 | 0,37 | 1,31 10 440 | 1,31 10 439 | 1,31 10 438 | 1,31 10 437 |
Højlegeret stål 30HGSA | 7780 | 1.4 | 4,14 10 116 | 4,14 10 115 | 4,14 10 114 | 4,14 10 113 |
Web | 1000 | 2.5 | 248 10 6 | 24,8 10 6 | 2,48 10 6 | 0,248 10 6 |
moderne kulfiber | 1900 | fire | 9269 10 6 | 926,9 10 6 | 92,69 10 6 | 9.269 10 6 |
kulstof nanorør | 1900 | 90 | 2,773 | 2,773 10 −1 | 2,773 10 −2 | 2,773 10 −3 |
Fra tabellen er det tydeligt, at det er urealistisk at bygge en elevator af moderne konstruktionsstål. Den eneste udvej er at kigge efter materialer med lavere densitet og/eller meget høj styrke.
For eksempel er et spind (edderkoppesilke) inkluderet i tabellen. Der er forskellige eksotiske projekter til udvinding af spind på "edderkoppefarme" [8] . For nylig har der været rapporter om, at det ved hjælp af genteknologi var muligt at indføre et edderkopgen, der koder for et webprotein, i en geds krop. GM gedemælk indeholder nu edderkoppeprotein [9] . Hvorvidt det er muligt at opnå et materiale, der ligner et væv i dets egenskaber fra dette protein, vides endnu ikke, selvom en sådan udvikling er undervejs [10]
Et andet lovende område er kulfiber og kulstofnanorør . Kulfiber er allerede blevet brugt med succes i industrien i dag. Nanorør er omkring 20 gange stærkere, men teknologien til at opnå dette materiale har endnu ikke forladt laboratorierne [11] . Tabellen blev bygget ud fra den antagelse, at tætheden af nanorørkablet er den samme som for kulfiber.
Nedenfor er nogle mere eksotiske måder at bygge en rumelevator på:
Modvægten kan skabes på to måder - ved at binde en tung genstand (for eksempel en asteroide , rumbosættelse eller rumdok ) ud over geostationær bane, eller ved at forlænge selve tøjringen en betydelig afstand ud over geostationær bane. Den anden mulighed er interessant, fordi det er lettere at sende belastninger til andre planeter fra enden af et langstrakt kabel, da det har en betydelig hastighed i forhold til Jorden.
Den vandrette hastighed af hver sektion af tøjringen stiger med højden i forhold til afstanden til Jordens centrum, og når den første kosmiske hastighed i geostationær kredsløb . Derfor, når han løfter byrden, skal han få yderligere vinkelmomentum (vandret hastighed).
Vinkelmomentum opnås på grund af jordens rotation. Til at begynde med bevæger hejsen sig lidt langsommere end kablet ( Coriolis effekt ), hvorved kablet "sænkes" og afbøjes lidt mod vest. Ved en opstigningshastighed på 200 km/t vil rebet hælde 1°. Den vandrette komponent af spændingen i det ikke-lodrette kabel trækker lasten sidelæns og accelererer den i østlig retning - på grund af dette får elevatoren yderligere hastighed. Ifølge Newtons tredje lov sænker kablet Jorden en lille smule, og modvægten - væsentligt større, vil kablet som følge af at nedsætte modvægtens rotation begynde at sno sig rundt om Jorden.
Samtidig bevirker virkningen af centrifugalkraften, at kablet vender tilbage til en energimæssigt gunstig vertikal position. , så den vil være i en tilstand af stabil ligevægt. Hvis tyngdepunktet for en elevator altid er over geostationær bane, uanset elevatorernes hastighed, vil den ikke falde.
På det tidspunkt, hvor lasten når den geostationære bane (GSO), er dens vinkelmomentum tilstrækkelig til at sende lasten i kredsløb. Hvis belastningen ikke frigøres fra kablet, vil den, efter at være stoppet lodret på niveauet af GSO'en, være i en tilstand af ustabil ligevægt, og med et uendeligt lille skub nedad vil den forlade GSO'en og begynde at falde ned til Jorden med lodret acceleration, mens den decelererer i vandret retning. Tabet af kinetisk energi fra den vandrette komponent under nedstigningen vil blive overført gennem kablet til vinkelmomentet af Jordens rotation, hvilket accelererer dens rotation. Når man skubber opad, vil belastningen også forlade GSO'en, men i modsat retning, det vil sige, vil den begynde at stige langs kablet med acceleration fra Jorden og nå den endelige hastighed for enden af kablet. Da sluthastigheden afhænger af kablets længde, kan dens værdi således indstilles vilkårligt. Det skal bemærkes, at accelerationen og stigningen i lastens kinetiske energi under løft, det vil sige dens afvikling i en spiral, vil ske på grund af jordens rotation, hvilket vil bremse i dette tilfælde. Denne proces er fuldstændig reversibel, det vil sige, hvis du lægger en belastning på enden af kablet og begynder at sænke det, komprimere det i en spiral, så vil vinkelmomentet af jordens rotation stige tilsvarende.
Ved sænkning af lasten vil den omvendte proces ske, idet kablet vippes mod øst.
For enden af tøjringen, der er 144.000 km høj, vil den tangentielle hastighedskomponent være 10,93 km/s, hvilket er mere end nok til at forlade Jordens gravitationsfelt (nå den anden rumhastighed ). Hvis objektet får lov til at glide frit langs toppen af tøjret, vil det have hastighed nok til at forlade solsystemet ( Tredje flugthastighed ). Dette vil ske på grund af overgangen af kablets (og Jordens) samlede vinkelmomentum til hastigheden af det opsendte objekt.
For at opnå endnu højere hastigheder kan du forlænge kablet eller accelerere belastningen på grund af elektromagnetisme.
Rumelevatoren kan bygges på andre planeter. Desuden, jo lavere tyngdekraften er på planeten og jo hurtigere den roterer, jo lettere er den at bygge.
Det er muligt at bygge en rumelevator på Mars selv ved hjælp af eksisterende materialer. Imidlertid kan Phobos og Deimos (Phobos er under, og Deimos er lidt over den stationære bane) blive en hindring for Mars rumelevator . Teoretisk set kunne en af disse satellitter bruges som en modvægt, men at ændre kredsløbet for så tunge objekter ville kræve en enorm mængde energi.
Der er ingen stationær bane om Månen som sådan, men for at bygge en elevator kan du bruge Lagrange-punkterne L1 og L2 (som næsten er stationære på Månens himmel), mens elevatorens bund skal være i midten af henholdsvis den synlige eller fjerneste side af Månen.
På Venus og Merkur er konstruktionen af en elevator umulig på grund af deres ekstremt langsomme rotation (den teoretiske radius af en stationær bane er meget større end deres tyngdekraftsfære ).
Den nemmeste måde at bygge en rumelevator på er på en asteroide .
Det er også muligt at strække en rumelevator mellem to himmellegemer, der roterer rundt om hinanden og konstant drejes til hinanden på samme side (for eksempel mellem Pluto og Charon eller mellem komponenterne i den dobbelte asteroide (90) Antiope . Men da deres baner ikke er en nøjagtig cirkel, vil det være nødvendigt med en anordning til konstant at ændre længden af en sådan elevator.I dette tilfælde kan elevatoren bruges ikke kun til at lancere last ud i rummet, men også til "interplanetariske ture ."
Byggeriet udføres fra en geostationær station. Den ene ende går ned til jordens overflade og trækkes af tyngdekraften. Den anden, til balancering, er i den modsatte retning, strækker sig ved centrifugalkraft. Det betyder, at alle materialer til byggeri skal leveres til den geostationære bane på traditionel vis. Det vil sige, at omkostningerne ved at levere hele rumelevatoren til geostationær bane er minimumsprisen for projektet.
Formentlig vil rumelevatoren i høj grad reducere omkostningerne ved at sende last ud i rummet. Rumelevatorer er dyre at bygge, men deres driftsomkostninger er lave, så de er bedst brugt i lange perioder til meget store mængder last. På nuværende tidspunkt er fragtlanceringsmarkedet ikke stort nok til at retfærdiggøre opførelsen af en elevator, men en kraftig prisnedsættelse burde føre til en udvidelse af markedet. Der er stadig intet svar på spørgsmålet om, hvorvidt rumelevatoren vil returnere de intellektuelle og materielle omkostninger, der er investeret i den, eller om det ville være bedre at lede dem til den videre udvikling af raketteknologi. Elevatoren kan dog være et hybridprojekt og, udover funktionen at levere last til kredsløb, forblive base for andre forsknings- og kommercielle programmer, der ikke er relateret til transport (f.eks. ved brug af en forskningsstation som modvægt) .
Siden 2005 har USA været vært for de årlige Space Elevator Games , arrangeret af Spaceward Foundation med støtte fra NASA . I disse konkurrencer er der 2 nomineringer: "det bedste kabel" og "den bedste robot (hejs)".
I hejsekonkurrencen skal robotten overvinde den indstillede afstand ved at klatre et lodret kabel med en hastighed, der ikke er lavere end den, der er fastsat af reglerne (i 2007-konkurrencen var standarderne som følger: kabellængde - 100 m, minimumshastighed - 2 m/s, hastighed, der skal opnås - 10 m/Med). Det bedste resultat i 2007 er den tilbagelagte distance på 100 m med en gennemsnitshastighed på 1,8 m/s.
Den samlede præmiefond for Space Elevator Games i 2009 var $4 millioner.
I konkurrencen om kablets styrke skal deltagerne levere en to meter ring lavet af kraftigt materiale, der vejer højst 2 g, som kontrolleres af en speciel installation for brud. For at vinde konkurrencen skal kablets styrke være mindst 50 % højere end prøven, der allerede er tilgængelig for NASA i denne indikator. Det bedste resultat tilhører indtil videre kablet, som har tålt en belastning på op til 0,72 tons.
Konkurrencen inkluderer ikke Liftport Group , som blev berømt for sine krav om at lancere en rumelevator i 2018 (senere blev denne dato udskudt til 2031). Liftport udfører sine egne eksperimenter, så i 2006 klatrede en robotlift op i et stærkt reb strakt med balloner. Fra 1,5 km nåede liften at tilbagelægge en strækning på 460 m. I august-september 2012 lancerede virksomheden et projekt for at skaffe midler til nye eksperimenter med liften på Kickstarters hjemmeside . Afhængig af den indsamlede mængde er det planlagt at løfte robotten i 2 eller flere km [13] .
LiftPort-gruppen annoncerede også, at de er parat til at bygge en eksperimentel rumelevator på Månen, baseret på eksisterende teknologier. Virksomhedens præsident, Michael Lane , hævder, at det kan tage 8 år at skabe sådan en elevator. Opmærksomheden på projektet tvang virksomheden til at sætte et nyt mål - forberedelsen af projektet og indsamlingen af yderligere midler til at begynde forundersøgelsen af den såkaldte "måneelevator". Ifølge Lane vil opførelsen af en sådan elevator tage et år og koste 3 millioner dollars. NASA-specialister har allerede været opmærksomme på LiftGroup-projektet. Michael Lane arbejdede sammen med US Space Agency på Space Elevator-projektet.
Ved Space Elevator Games- konkurrencen fra 4. til 6. november 2009 blev en konkurrence arrangeret af Spaceward Foundation og NASA afholdt i det sydlige Californien, på territoriet af Dryden Flight Research Center, inden for grænserne af den berømte Edwards Air Force Base . Kablets kvalificerende længde var 900 m, kablet blev hævet med helikopter. Føreren blev taget af LaserMotive , som præsenterede liften med en hastighed på 3,95 m/s, hvilket er meget tæt på den påkrævede hastighed. Elevatoren dækkede hele kablets længde på 3 minutter. 49 s bar elevatoren en nyttelast på 0,4 kg [14] .
I august 2010 afholdt LaserMotive en demonstration af deres seneste opfindelse på AUVSI Unmanned Systems Conference i Denver , Colorado. En ny type laser vil hjælpe til mere økonomisk at overføre energi over lange afstande, laseren forbruger kun få watt [15] [16] .
I februar 2012 annoncerede Obayashi Construction Corporation ( Japan ) planer om at bygge en rumelevator inden 2050 ved hjælp af kulstof nanorør [17] .
I september 2018 annoncerede Japan planer om at lancere en prototype-tether ud i rummet for at teste rumelevatorteknologi. Kabinen, der måler 6x3x3 cm, vil bevæge sig langs et 10 meter langt kabel, der er spændt i rummet mellem to mini-satellitter. JAXA planlægger at opsende mini-satellitter i september 2018 fra Tanegashima Island på en H-2B raket [18] . 22. september 2018 kl. 20:52 Moskva -tid blev opsendelsen af en raket med mini-satellitter om bord gennemført [19] .
Rumelevatoren er ikke det eneste projekt, der bruger tethers til at løfte satellitter i kredsløb. Et sådant projekt er " Orbital Skyhook " ("orbital hook"). Skyhook bruger en ikke særlig lang, i sammenligning med rumelevatoren, kabel, som er i lav kredsløb om jorden og hurtigt roterer rundt om sin midterste del. På grund af dette bevæger den ene ende af kablet sig i forhold til Jorden med en relativt lav hastighed, og det er muligt at hænge laster fra hypersoniske fly på den. Samtidig fungerer Skyhook-designet som et kæmpe svinghjul – akkumulatoren af drejningsmoment og kinetisk energi. Fordelen ved Skyhook-projektet er dets gennemførlighed med eksisterende teknologier. Ulempen er, at Skyhook bruger energien fra sin bevægelse for at opsende satellitter, og denne energi skal på en eller anden måde genopfyldes.
Stratosphere Network of Skyscrapers-projektet er et netværk af sekskantede orbitale elevatorer, der dækker hele planeten. Når man går videre til de næste byggefaser, fjernes understøtningerne, og elevatornetværkets ramme bruges til at bygge en stratosfærisk bosættelse på den. Projektet sørger for flere levesteder [20] .
Ideen om en rumelevator findes i gamle myter i form af et billede af et kæmpe træ, der når den øvre verden. Så for eksempel er der i tysk-skandinavisk mytologi et verdenstræ Yggdrasil , et gigantisk asketræ, der hviler på tre rødder og vokser gennem seks verdener.
Hvis dette træ skal findes i den primitive æras mytologi, så dyrkes det i landbrugstidens mytologi af mennesker .
Ideen om en rumelevator ses også i historien om Babelstårnet , afbildet i sumerisk-akkadisk mytologi ( Enmerkar og Arattas herre ) og Toraen (Pentateuken i Det Gamle Testamente ) [21] .
I Europa er der et populært eventyr om tre magiske bønner, der kan vokse til et slot i himlen, som er præcis som en rumelevator og en station på toppen.
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Raketfri rumopsendelse | |
---|---|
|