Ascensor spațial

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Fără note de subsol
Acest articol sau secțiune despre subiectele știință și inginerie este lipsită sau deficitară în note și referințe bibliografice precise .
Deși există o bibliografie și / sau link - uri externe , nu există nici o contextualizare a surselor cu note de subsol sau alte referințe precise care indică prompt originea informațiilor. Puteți îmbunătăți această intrare citând mai precis sursele . Urmați sfaturile din desenele de referință 1 , 2 .
Impresia artistului despre un lift spațial

Un lift spațial este o structură tehnologică, a cărei implementare face încă obiectul unor studii complexe de fezabilitate . Dacă ar fi implementat, ar avea capacitatea de a transporta oameni și / sau vehicule de pe suprafața Pământului direct în spațiu fără a utiliza propulsia rachetelor. Deși conceptul de ascensor spațial poate fi aplicat în general pe orice planetă sau satelit cu o forță gravitațională suficientă, pe Pământ realizarea sa permite utilizarea sa cea mai profitabilă, precum și o rentabilitate economică semnificativă: de fapt, pe lângă cu cât transportul de materiale sau spațiul personal este mai intuitiv, se poate utiliza un lift, profitând de forța centrifugă datorată vitezei unghiulare a vârfului său, pentru a lansa obiecte în scopuri de recunoaștere sau explorare spațială fără a fi nevoie să pună în lucru rachete vectoriale; ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a elibera sateliți artificiali la diferite niveluri de orbită.

Există mai multe variante de ascensor spațial, toate unite de faptul că, spre deosebire de un lift tradițional, nu cablul trage cabina, ci acesta din urmă se deplasează de-a lungul cablului care acționează ca ghid și suport; Mai mult, în cazul în care într-un lift clasic contragreutatea îndeplinește funcția de a echilibra sarcina cabinei care se deplasează în direcția opusă celei din urmă, spațiul din lift are funcția de a menține ghidajul întins al cablului; Din acest motiv, contragreutatea ar trebui să fie localizată la capătul superior al cablului mult dincolo de altitudinea orbitei geostaționare (35 876 km ), în așa fel încât forța sa centrifugă să o depășească pe cea a gravitației . În plus, cablul care pleacă de pe Pământ ar trebui să fie ancorat în vecinătatea „ Ecuatorului ”, pentru a asigura contragreutatea maximă la forța centrifugă posibilă pentru a menține tensiunea în firul de ghidare.

Teoriile despre modul în care ar trebui să fie realizat cablul sunt variate și nici una nu este decisivă până în prezent: alegerea materialului și tehnologia de producție a acestuia necesită modele pentru a prezice comportamentul cablului sub propria greutate și calcule complexe despre rezistența la sarcină. și presiune. Mai mult decât atât, este încă nerezolvată problema cabinei (respectivul cățărător, „cățărător”), deoarece, deoarece este puțin probabil utilizarea unui cablu material conductiv de electricitate, ar trebui să găsească energia necesară în timpul traseului de urcare.

Autoria conceptului este atribuită rusului Konstantin Tsiolkovsky [1] că, la sfârșitul secolului al XIX-lea , a teoretizat un turn autoportant cu baza pe pământ și vârful limitei orbitei geostaționare; Această clădire se numește Turnul lui Ciolkovski. Astăzi, orice ascensor ar vedea o mare parte din masa sa concentrată mai sus decât la bază.

Desenarea unui lift spațial pentru orbita geostaționară.

fundal

Prodromele a ceea ce poate fi considerat un lift spațial datează din 1894 când fizicianul și omul de știință rus Konstantin Ciolkovskij , profesor la Sankt Petersburg , în eseul său de science fiction Dreams on Earth and in the Sky [2] a fost inspirat de Eiffel Turnul pentru a face ipoteza unei structuri similare cu o bază foarte mare capabilă să atingă limita orbitei geostaționare; [2] odată ajuns în vârful turnului, orice obiect aflat în mișcare sincronă cu acesta ar fi avut o viteză unghiulară suficientă pentru a scăpa de atracția Pământului și a fi lansat în spațiu.

Totuși, același Tsiolkovsky, care a calculat mai multe variabile, cum ar fi echilibrul dintre forța centrifugă și originea gravitațională a conceptului de altitudine geostaționară, [1] a recunoscut ca imposibil din punct de vedere fizic un turn precum cel pe care îl teorizase în cartea sa: [3 ] de fapt, orice artefact capabil să atingă înălțimea de aproximativ 36 000 km ar trebui să ofere, de asemenea, un diametru de bază de ordinul zecilor, dacă nu chiar a sutelor, de km; chiar dacă nu se dorește să se ia în considerare neverosimilitatea și dificultatea de a face o lucrare de această dimensiune, este foarte probabil, deoarece în prezent nu există nici un material cu rezistență la compresiune capabil să susțină o astfel de structură, care s-ar prăbuși sub propria greutate .

În 1957, omul de știință sovietic Yuri Artsutanov a conceput un mod mai realist de a construi un turn spațial. Artsutanov a sugerat să se utilizeze un satelit geosincron ca bază din care să construiască turnul. Folosind o contragreutate, un cablu ar fi coborât de pe orbita geostaționară la suprafața Pământului, în timp ce contragreutatea ar fi extinsă de satelit departe de Pământ, menținând centrul de masă al cablului imobil față de Pământ. Artsutanov și-a publicat ideea în suplimentul duminical al Komsomolskaya Pravda din 1960 .

Cu toate acestea, producerea unui cablu care are peste 35.000 km lungime este o activitate foarte dificilă. În 1966, patru ingineri americani au jucat un studiu asupra tipului de material adecvat pentru a construi un cablu de suspensie, presupunând că secțiunea sa era uniformă pe întregul traseu. Au descoperit că rezistența la întindere necesară ar trebui să fie dublă față de orice material existent, inclusiv grafit , cuarț și diamant .

În 1975, omul de știință american, Jerome Pearson a proiectat o secțiune asemănătoare unei panglici care ar fi mai potrivită pentru construirea turnului. Cablul complet ar fi fost mai gros la centrul de masă, unde tensiunea era mai mare și ar fi fost mai strâns la capete pentru a reduce cantitatea de greutate pe care centrul ar trebui să o suporte. El a sugerat utilizarea unei contragreutăți care ar fi trebuit să fie extinsă încet spre exterior până la 144.000 de kilometri (puțin peste o treime din distanța dintre Pământ și Lună ) și a fost construită secțiunea inferioară a turnului. Fără o contragreutate mare, porțiunea superioară a turnului ar trebui să fie mai mult decât partea inferioară, datorită modului în care forțele gravitaționale și centrifuge se schimbă odată cu distanța față de Pământ. Analiza sa a inclus perturbări precum gravitația Lunii, vântul și mișcarea încărcăturilor transportate de-a lungul cablului portant. Greutatea materialului necesar construirii turnului ar necesita mii de deplasări ale navetei spațiale , deși ar fi posibilă transportarea materialului folosind același turn de îndată ce un cablu cu o capacitate minimă a ajuns la sol sau ar fi putut au fost produse în spațiu folosind minerale lunare sau asteroid .

Arthur C. Clarke a introdus conceptul de ascensor spațial unui public mai larg în romanul său din 1979 Fântânile Paradisului, în care inginerii construiesc un ascensor spațial pe vârful unui munte de pe insula ecuatorială fictivă Taprobane, inspirat de vârful Adam din Sri Lanka. .

David Smitherman de la NASA / Marshall’s Advanced Projects Office a publicat Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium, pe baza constatărilor publicate în timpul unei prelegeri despre infrastructura spațială susținută la Centrul de zbor spațial Marshall în 1999.

Omul de știință american Bradley Edwards a sugerat crearea unei benzi subțiri precum hârtia și lungime de 100.000 de kilometri, care ar avea o capacitate mai mare de a rezista la impactul meteoriților. Munca lui Edwards s-a extins pentru a include scenariul construcției, proiectarea alpinistului, sistemul de transmitere a energiei, metoda de evitare a resturilor orbitale, sistemul de ancorare a podelei, rezistența la oxigenul atomic, modul de evitare a fulgerelor și uraganelor prin poziționarea platformei de ancorare în ecuatorialul Pacific occidental, costurile de construcție, masa de construcție și pericolele pentru mediu. S-au făcut planuri pentru a finaliza proiectarea inginerească, pentru a dezvolta materiale și pentru a începe construcția primului lift. Fondurile de până acum au fost obținute printr-un grant de la NIAC (NASA Institute for Advanced Concepts). Se așteaptă ca fondurile viitoare să provină de la NASA, Departamentul Apărării al Statelor Unite ale Americii și de la entități publice și private.

Cel mai mare impediment tehnologic pentru proiectarea propusă de Edwards este limita impusă de materialul din care ar fi făcut cablul. Din calculele sale necesare este o fibră compusă din nanotuburi de carbon legate de o rășină epoxidică, cu o sarcină minimă de rupere egală cu 130 GPa ; cu toate acestea, în testele efectuate în 2000 pe nanotuburi de carbon cu pereți unici (SWCNT), care ar trebui să fie considerabil mai rezistente decât cablul legat cu rășină epoxidică, rezistența maximă măsurată efectiv în laborator este egală cu 63 GPa , [4] aproximativ echivalent cu o tracțiune de 6300 kg (în greutate) pe milimetru pătrat de secțiune.

Posibilitatea de a transfera rezistența microstructurilor de laborator la artefacte mai mari, aducând dimensiunile structurii la metri, kilometri sau chiar mii de kilometri, este, de asemenea, extrem de problematică, având în vedere, de asemenea, că posibilitatea unor defecte micro sau macro structurale dezastruoase este foarte mare, cel puțin în situația actuală.

Ascensoare extraterestre

O grafică de redare care descrie un concept de lift spațial care se ridică de pe platforma sa

Un ascensor spațial ar putea fi construit pe unele planete, asteroizi și luni.

Un cablu marțian ar putea fi mult mai scurt în comparație cu cel terestru. Gravitația lui Marte este de 40% din gravitația pământului, iar ziua marțiană durează aproximativ ca cea terestră, iar apoi orbita geo-staționară Marte este mult mai aproape de suprafața Pământului.

Un lift lunar nu ar fi atât de norocos. Deoarece Luna păstrează întotdeauna aceeași față spre Pământ, centrul de greutate al cablului ar trebui să fie într-unul din punctele Lagrange L1 sau L2, care sunt puncte speciale de stabilitate, care există între fiecare pereche de corpuri pe o orbită, unde echilibrul forțelor gravitaționale și de rotație. Cablul ar indica fie în direcția Pământului (pentru punctul L1), fie în direcția opusă Pământului (pentru punctul L2). Cu toate acestea, datorită gravitației lunare reduse, masa totală a cablului ar fi considerabil mai mică decât cea a ridicării pământului, deoarece ar fi nevoie de mai puțin material pentru a asigura rezistența necesară pentru a susține cablul împotriva gravitației lunare. Fără o contrapondere, cablul „L1” ar trebui să aibă o lungime de 291.901 km, iar cablul „L2” ar trebui să aibă o lungime de 525.724 km. Având în vedere că distanța dintre Pământ și Lună este de 351.000 km, acesta este un cablu foarte lung. Cabluri mult mai scurte, poate nu mai mult de două ori lungimea distanței de aproximativ 60.000 km pentru punctele L1 sau L2 ale sistemului Lunii Pământului ar fi suficiente dacă la sfârșitul cablu.

Asteroizii sau lunile care se rotesc rapid ar putea folosi cabluri pentru a lansa materiale, astfel încât să poată muta materialele în locații convenabile, cum ar fi orbita Pământului; sau dimpotrivă, să scoată material pentru a trimite cea mai mare parte a masei asteroidului sau a lunii pe orbita terestră sau într-un punct Lagrange. Acest lucru a fost sugerat de Russell Johnston în 1980. Freeman Dyson a sugerat utilizarea unor sisteme similare, dar mult mai mici, cum ar fi generatoarele de energie în puncte depărtate de soare, unde energia solară nu este economică.

Lansați în spațiul cosmic

Schema structurală a unui lift spațial

În timp ce o sarcină este ridicată de-a lungul unui lift spațial, aceasta mărește nu numai altitudinea, ci și impulsul său unghiular . Acest moment unghiular este scăzut la aceeași rotație a Pământului . Pe măsură ce încărcătura crește, „trage” de cablu, determinând înclinarea ușoară spre vest (opusă direcției de rotație a pământului). Componenta orizontală a tensiunii cablului aplică o tangentă de întindere asupra sarcinii, accelerând-o spre est. Dimpotrivă, cablul trage de suprafața Pământului , încetinindu-l foarte ușor. Procesul opus are loc pentru sarcinile care coboară în lift, crescând foarte ușor rotația Pământului.

Este posibil să se determine viteza orbitală care poate fi obținută la capătul turnului (sau cablului Pearson) la o distanță de 144.000 km distanță. La capătul turnului se află viteza tangențială de 10,93 km / s, care este mai mult decât suficientă pentru a scăpa de câmpul gravitațional al Pământului și a trimite sonde către Saturn . Dacă un obiect ar trebui să alunece liber de-a lungul vârfului turnului, s-ar putea obține o viteză destul de mare pentru a ieși complet din sistemul solar . Acest lucru se realizează schimbând mișcarea unghiulară totală a turnului și a Pământului cu viteza obiectului care urmează să fie lansat, în același mod în care aruncă o piatră cu o curea .

Pentru a atinge viteze mai mari, sarcina poate fi accelerată electromagnetic sau cablul poate fi extins, deși acest lucru poate necesita o contragreutate sub orbita geostaționară pentru a menține centrul de greutate al structurii pe o orbită geosincronă și ar necesita o armare suplimentară a cablului.

Tehnologii cheie

NASA a identificat „Cinci tehnologii cheie pentru dezvoltarea viitoare a ascensoarelor spațiale”

  1. Material pentru cablu (de exemplu nanotuburi de carbon și nanotehnologie ) și turn
  2. Cablu de construcție și control.
  3. Construcția de structuri ridicate .
  4. Propulsie electromagnetică (de exemplu levitație magnetică )
  5. Infrastructura spațială și dezvoltarea unei industrii spațiale și a unei economii spațiale

Componente

Ancorarea unui lift spațial (imaginea artistului)

În general, toate lifturile spațiale presupuse necesită: o stație de la sol, un cablu, un alpinist (alpinist) și o contrapondere.

Stația de la sol

Proiectarea stației terestre se încadrează de obicei în două categorii: mobil și fix. Stațiile mobile sunt de obicei nave oceanice mari. Stațiile fixe sunt plasate în mod normal în locuri la înălțimi mari.

Platformele în mișcare au avantajul de a putea manevra pentru a evita vânturile puternice și furtunile. Deși platformele staționare nu au această capacitate, ele au de obicei acces la surse de alimentare mai fiabile și mai ieftine și necesită un cablu mai scurt. Reducerea lungimii cablului, oricât de mică, poate reduce în mod semnificativ grosimea cablului la miez, în special pentru materialele cu rezistență la tracțiune redusă.

Cablu

O diagramă a tensiunilor pe care ar trebui să le suporte cablul

Cablul trebuie să fie dintr-un material cu rezistență la tracțiune, limita peste care un material supus la tracțiune se deformează într-un mod ireversibil, extrem de ridicat. Un ascensor spațial poate fi construit într-un mod relativ economic poate fi produs dacă un cablu cu o rezistență la tracțiune mai mare de 100 GPa ; sub 60 GPa costul devine astronomic și nesustenabil. Majoritatea tipurilor de oțel au o rezistență la tracțiune mai mică de 1 GPa, iar cel mai puternic oțel nu mai mult de 5 GPa. Kevlar are rezistență la tensiune de 2,6 până la 4,1 GPa și fibrele de cuarț pot depăși 20 GPa; în teorie, rezistența la tracțiune a diamantului cu filament ar trebui să fie doar puțin mai mare. Nanotuburile de carbon au depășit toate celelalte materiale și par să aibă o rezistență teoretică la întindere care se apropie de gama de valori cerută de structura liftului spațial, dar tehnologia pentru a le produce în masă și pentru a produce cablul nu a fost încă dezvoltată. În timp ce teoretic nanotuburile de carbon pot avea o rezistență la tracțiune mai mare de 100 GPa, în practică cea mai mare rezistență observată vreodată într-un nanotub cu perete unic este de 63 GPa și aceste tuburi se rup în medie între 30 și 50 GPa. Chiar și cea mai puternică fibră fabricată din nanotuburi va avea probabil doar o parte din rezistența componentelor sale. Progresele tehnologice ar trebui să îmbunătățească aceste valori.

Diagrama unui nanotub de carbon

Majoritatea proiectelor necesită nanotuburi de carbon cu pereți unici. Deși nanotuburile cu pereți multipli pot atinge rezistențe de tensiune mai mari, acestea au o masă semnificativ mai mare și, prin urmare, sunt alegeri slabe pentru construcția cablurilor. O proprietate avantajoasă ar putea fi proprietatea de interconectare de înaltă presiune a nanotuburilor de tip unic. Deși acest lucru poate provoca pierderea unei părți a rezistenței la tracțiune din partea tuburilor, schimbând legături sp2 (grafit, nanotuburi) cu legături sp3 (diamante), ar fi posibil să le colectăm într-o singură fibră, care nu este ținută împreună de forțele slabe ale lui van der Waals , dar legăturile covalente, mult mai puternice; acest lucru ar permite producerea de fibre de orice lungime. Tehnologia pentru filarea unui cablu pornind de la nanotuburi normale ținute împreună de forța van der Waals este la început: primele succese în filarea unui cablu lung în loc de bucăți mici de câțiva centimetri lungime au fost anunțate abia în martie 2004.

Alpiniști

Un ascensor spațial nu poate fi un ascensor în sensul tipic al termenului (cu cabluri în mișcare) din cauza necesității ca cablul să fie semnificativ mai gros în centrul său decât la capetele sale în orice moment. Deși au fost propuse modele care utilizează cabluri în mișcare segmentate și scurte, cele mai multe modele implică un lift care urcă de-a lungul cablului.

Alpiniștii (alpiniștii) acoperă un spectru larg de proiecte. Într-un proiect de ascensor în care se folosește un cablu plat în formă de panglică, unii au propus utilizarea unei perechi de role pentru a trage în sus cablul folosind frecare. Alte proiecte de alpinism necesită brațe mobile cu cârlige, role cu cârlige retractabile, levitație magnetică, puțin probabil din cauza cerințelor de cablu și multe alte posibilități.

Energia este un obstacol semnificativ pentru alpiniști. Densitatea stocării energiei, cu excepția unor progrese semnificative în generatoarele nucleare compacte, este puțin probabil să facă posibilă stocarea energiei necesare pentru o deplasare completă într-un singur alpinist, fără a-l face să cântărească prea mult. Unele soluții necesită transmiterea energiei prin lasere sau microunde . Alte soluții obțin o parte din energia lor prin regenerarea energiei folosind frânele alpinistilor care coboară și o transferă către alpiniștii de pe urcare, de la frâne magnetosferice care reduc oscilațiile cablului, prin diferențiala de temperatură a troposferei din cablu, prin descărcarea ionosferei prin cablu și alte concepte. Principalele metode de furnizare a energiei alpinistilor, cum ar fi transmiterea energiei prin lasere sau microunde, au probleme semnificative de eficiență a disipării căldurii în ambele cazuri, deși cu estimări optimiste în ceea ce privește tehnologiile viitoare, acestea sunt fezabile.

Alpiniștii trebuie să înceapă cu o frecvență optimă, pentru a minimiza uzura și oscilațiile la care este supus cablul și pentru a maximiza sarcina care poate fi transportată. Cel mai slab punct al cablului este aproape de punctul de atașare la planetă; de regulă, un nou alpinist ar putea fi lansat imediat ce această zonă este liberă de alți alpiniști. Un lift care se ocupă doar de sarcini ascendente poate suporta mai mult trafic, dar are dezavantajul de a nu permite recuperarea energiei cinetice produse de alpiniștii descendenți. De asemenea, din moment ce nu se poate „sări din orbită”, o ridicare într-un singur sens ar necesita o altă metodă, cum ar fi o rachetă convențională, pentru a returna încărcăturile și oamenii prin eliberarea lor din energia lor orbitală. În cele din urmă, alpiniștii care urcă pe o direcție unidirecțională și care nu se întorc pe Pământ trebuie să fie de unică folosință; dacă sunt utilizate, acestea ar trebui să fie modulare, astfel încât componentele lor să poată fi utilizate în alte scopuri pe orbită geosincronă. În orice caz, alpiniștii mai mici au avantajul că pot avea starturi mai frecvente decât cele mai mari, dar ar putea impune limitări tehnologice.

Contragreutate

Au existat două metode dominante propuse pentru a rezolva problema nevoii de contrapondere : un obiect greu, cum ar fi un asteroid capturat, poziționat chiar dincolo de orbita geosincronă și posibilitatea extinderii cablului în sine dincolo de orbita geosincronă. Această din urmă idee a câștigat mai mult sprijin în ultimii ani datorită simplității operațiunii și capacității, pentru o sarcină, de a călători până la capătul cablului folosit ca contrapondere și de a fi aruncat la distanța lui Saturn și chiar mai departe. efect sling al gravitației de la alte planete.

Economie

Cu lifturi spațiale ca acesta, materialele ar putea fi trimise pe orbită la o fracțiune din costul actual. [ Citație necesară ] Costul pentru realizarea orbitei geostaționare actuale este între 10.000 USD / kg și 40.000 USD / kg. [5] Acest lucru nu permite rambursarea costului capitalului, cum ar fi cercetarea și dezvoltarea sistemelor de livrare: costuri de exploatare și înlocuire a sistemelor reutilizabile și costuri de construcție a sistemelor disponibile. Pentru un lift spațial, utilizând o contabilitate echivalentă, costul variază în funcție de proiect. Folosind specificațiile de proiectare dezvoltate de Dr. Bradley Edwards, „primul lift spațial ar reduce imediat costurile de lansare la 100 USD / lb” (220 USD / kg). [6] Costurile de dezvoltare pot fi mai mult sau mai puțin echivalente, în dolari curenți, costul necesar dezvoltării sistemului Shuttle. Costurile marginale ale unei călătorii ar consta exclusiv în energia electrică necesară pentru ridicarea sarcinii ascensorului, întreținerea și, într-un proiect pentru sarcini numai ascensoare (cum ar fi Edwards), costul ascensorului. Costul energiei electrice, având în vedere costurile actuale ale rețelei electrice și eficiența actuală a laserelor și a panourilor solare (1%) este de 32 $ / kg. Mai mult, ar putea fi posibil să se recupereze o parte din costul energiei folosind ascensoare care să permită alpinistilor să coboare, ceea ce ar genera energie prin frânarea coborârii, așa cum sugerează unele propuneri, sau folosind energia generată de masele care frânează în timp ce călătoresc. în afară de orbita geosincronă, așa cum a sugerat Freeman Dyson într-o comunicare privată cu Russell Johnston în anii 1980.

Deși este dificil să se definească cu precizie limita inferioară a costurilor cu tehnologia rachetelor, puține propuneri de reducere a costurilor la câteva mii de dolari pe kilogram au fost luate în serios în considerare, iar costurile de lansare a încărcăturilor au rămas aproape neschimbate din 1960. [5 ], de asemenea, nu au fost propuse alte tehnologii antirachetă care să ofere rezultate mai încurajatoare pentru lansarea unei greutăți reduse (a se vedea propulsia spațială ), deși câteva au un cost limită teoretic redus ca cel al unui lift spațial.

Pentru liftul spațial, eficiența transferului de energie este adesea un factor limitativ. În cele mai multe modele, conceptul unui cablu supraconductor pentru a transporta energie, deși este incredibil de ușor, adaugă sute de tone de greutate cablului, rupându-l cu ușurință. În consecință, transferul de energie prin radiație este adesea văzut ca singurul mod eficient de transport al energiei. Cel mai eficient transfer wireless de energie de astăzi este un sistem de transmisie care utilizează un fascicul laser cu panouri fotovoltaice optimizate pentru a exploata lungimea de undă emisă de laser. Cu cea mai bună și cea mai scumpă tehnologie actuală care poate fi utilizată, inclusiv pierderi datorate atmosferei, pierderi în timpul producției fasciculului laser și pierderi datorate absorbției panourilor, eficiența este de aproximativ 0,5%, ceea ce produce un cost mult mai mare decât cea de bază. Și dacă alpiniștii nu sunt refolosibili, este posibil ca panourile fotovoltaice mai scumpe să nu fie utilizabile.

Pierderile datorate difracției atmosferei pot fi reduse prin utilizarea unei optice adaptive și pierderile datorate absorbției ar putea fi reduse prin alegerea unei lungimi de undă adecvate. Deși tehnologiile cu laser și panouri fotovoltaice avansează rapid, nu se știe cât de multă îmbunătățire se va realiza în ceea ce privește eficiența curentă a transmisiei. Mai mult, optimizarea panourilor fotovoltaice se bazează de obicei pe îmbunătățirea eficienței absorbției unei anumite lungimi de undă care poate să nu fie cea mai eficientă pentru laser. Cele mai eficiente lasere, cu diode laser care pot depăși eficiența de 50%, au în prezent o coerență slabă și nu pot fi utilizate, lăsând lasere chimice standard cu eficiență de câteva puncte procentuale sau mai puține ca opțiuni posibile. Doar odată cu apariția diodelor laser cu coerență ridicată sau a unei tehnologii similare, un lift spațial poate obține o eficiență energetică mai mare.

Costul energiei care trebuie furnizată laserului este, de asemenea, un factor limitativ. În timp ce un punct de ancorare terestru în multe locuri este capabil să utilizeze energia din rețeaua electrică, aceasta nu este o posibilitate pentru o platformă oceanică.

În cele din urmă, proiectele de alpiniști care urcă doar trebuie fie să înlocuiască complet fiecare alpinist, fie să transporte suficient combustibil pentru a ieși din orbită, cu creșteri suplimentare ale costurilor.

Elevatoarele spațiale au un cost de capital ridicat și costuri de operare scăzute, astfel încât au cel mai mare avantaj economic în situațiile în care sunt utilizate pentru o perioadă lungă de timp pentru a transporta cantități mari de încărcături. Este posibil ca actuala piață de lansare să nu fie suficient de mare pentru a construi un lift spațial, dar o scădere dramatică a costului lansării materialului pe orbită ar produce probabil noi tipuri de activități spațiale care ar deveni viabile din punct de vedere economic. Acest lucru împărtășește multe asemănări cu alte proiecte de infrastructură de transport, cum ar fi autostrăzile și căile ferate .

Posibile accidente

Un ascensor spațial ar prezenta un pericol considerabil pentru navigația aeriană și a vehiculelor spațiale. Avioanele ar putea fi gestionate prin restricții simple de trafic aerian, dar navele spațiale reprezintă o problemă mult mai mare. În lunga perioadă de timp, toți sateliții de sub orbita cu un perige se vor ciocni în cele din urmă cu liftul spațial, deoarece orbitele lor sunt supuse precesiei în jurul Pământului. La maggior parte dei satelliti attivi è in qualche modo in grado di manovrare in orbita e potrebbero evitare queste collisioni, ma i satelliti inattivi e gli altri frammenti orbitali dovrebbero essere rimossi preventivamente dall'orbita da "spazzini" o dovrebbero essere controllati attentamente e spostati quando la loro orbita si avvicina all'ascensore. Gli impulsi richiesti sarebbero piccoli e dovrebbero essere applicati in modo molto infrequente; un sistema che usi una scopa laser potrebbe essere sufficiente per questo compito.

I meteoroidi rappresentano un problema molto più difficile, dato che non sono prevedibili e ci sarebbe poco tempo per individuarli e tracciarne la traiettoria verso la Terra. È probabile che un ascensore spaziale soffrirebbe comunque di impatti di qualche genere, non importa quanto attentamente sia protetto. Comunque la maggior parte dei progetti di un ascensore spaziale richiede l'utilizzo di cavi multipli paralleli che sono separati tra loro da barre, con un margine di sicurezza sufficiente a far sì che se uno o due cavi fossero tagliati, i cavi rimanenti sarebbero in grado di sostenere l'intero peso dell'ascensore mentre le riparazioni vengono eseguite. Se i cavi fossero sistemati in modo adeguato, nessun singolo impatto potrebbe spezzarne abbastanza da impedire ai rimanenti di sostenere la struttura.

Molto peggiori dei meteoroidi sono i micrometeoriti ; minuscole particelle ad alta velocità che si trovano ad alte concentrazioni a certe altezze. Evitare i micrometeoriti è praticamente impossibile e questo assicura che parti dell'ascensore saranno continuamente danneggiate. La maggior parte dei rimedi progettati per affrontare questo problema implica un progetto simile all' hoytether oa una rete di fili con una struttura piana o cilindrica con due o più fili elicoidali. Creare il cavo come una matassa invece che come un nastro aiuta a prevenire i danni collaterali a ogni impatto di micrometeoriti.

La corrosione è un grosso rischio per ogni cavo costruito per essere sottile, come richiesto nella maggior parte dei progetti. Nell'atmosfera superiore, l'ossigeno elementare ossida velocemente la maggior parte degli elementi. Di conseguenza un cavo deve essere costituito da materiale resistente alla corrosione o avere una copertura resistente alla corrosione, aumentandone il peso.

Anche il vento ei fulmini sono problemi con poche soluzioni differenti dall'evitare le tempeste, come per esempio attraverso piattaforme di ancoraggio mobili. Il rischio legato ai fulmini può essere ridotto utilizzando fibre non conduttive con una copertura resistente all'acqua per evitare la formazione di zone di conduzione. Il rischio dovuto al vento può essere diminuito utilizzando fibre con una ridotta area di intersezione e che possano ruotare per ridurre la resistenza.

Infine un rischio di cedimento strutturale viene dalla risonanza e dalle vibrazioni nel cavo. Come le corde degli strumenti musicali, il cavo dell'ascensore spaziale ha una frequenza di risonanza naturale. Se il cavo è eccitato a questa frequenza, per esempio dallo spostarsi dei climber, l'energia di vibrazione può salire a livelli pericolosi e anche superare la forza di coesione del cavo. Le oscillazioni possono essere longitudinali o radiali. Questa eventualità può essere evitata con l'uso di sistemi intelligenti di smorzatura lungo il cavo e organizzando il calendario dei viaggi in ascensore tenendo presente il problema della risonanza. Potrebbe essere possibile smorzare le vibrazioni usando la magnetosfera terrestre con produzione di energia extra da passare ai climber.

In caso di cedimento

Se, nonostante tutte le precauzioni, il cavo si dovesse rompere quello che succederebbe dipende dalla posizione del taglio. Se l'ascensore si rompesse in corrispondenza del punto di ancoraggio a Terra, la forza esercitata dal contrappeso farebbe volar via l'intero ascensore, ponendolo in un'orbita stabile. Questo succede perché l'ascensore spaziale deve essere tenuto in tensione, con una forza rivolta verso l'esterno superiore a quella di gravità che tira verso l'interno. In caso contrario, ogni carico posto sull'ascensore tirerebbe giù l'intera struttura.

L'altitudine finale dell'estremo inferiore del cavo dipende dalla distribuzione di massa dell'ascensore. In teoria l'estremo potrebbe essere recuperato e il cavo nuovamente fissato a terra. L'operazione sarebbe comunque molto complessa, richiedendo un delicato aggiustamento del centro di massa del cavo per riportarlo alla superficie terrestre nella località esatta. Potrebbe essere più semplice costruire un nuovo cavo.

Se il punto di rottura si trova ad un'altitudine di 25.000 km o meno, la porzione inferiore dell'ascensore cadrebbe sulla Terra e si avvolgerebbe attorno all' equatore mentre la porzione superiore, ormai sbilanciata, si solleverebbe verso un'orbita superiore. Alcuni autori hanno suggerito che questo evento sarebbe catastrofico, con migliaia di chilometri di cavo in caduta che crea una linea di distruzione meteorica lungo la Terra. In realtà questo scenario è estremamente improbabile, considerando la bassa densità totale del cavo. Il rischio può essere ulteriormente ridotto installando dispositivi di autodistruzione lungo il cavo, rompendolo in sezioni più piccole. Nella maggior parte dei progetti di cavo, la porzione sopra i 1.000 km non arriverebbe alla superficie terrestre perché brucerebbe completamente nell' atmosfera .

Ogni oggetto attaccato all'ascensore, inclusi i climber, rientrerebbe nell'atmosfera. I climber devono essere progettati per sopravvivere a questo evento, grazie a un dispositivo di emergenza nel caso si distacco dal, anche se integro. Il destino di un oggetto in caduta, indipendentemente dal cavo, dipende dalla sua altezza iniziale: a meno che non si trovi all'altezza dell'orbita geostazionaria, un oggetto su un ascensore spaziale non si troverebbe in un'orbita stabile e perciò, in caso di distacco, se ne allontanerebbe rapidamente ed entrerebbe in un'orbita ellittica le cui caratteristiche dipendono da dove l'oggetto si trovava sull'ascensore al momento del distacco. Più si trovava in basso, più eccentrica sarà l'orbita. [ Falso se non dimostrato altrimenti ]

Se l'altezza iniziale dell'oggetto era minore di 23.000 km la sua orbita avrà un apogeo all'altezza corrispondente al distacco e un perigeo all'interno dell'atmosfera terrestre: si troverà nell'atmosfera in poche ore o minuti e la sua orbita verrà frenata e spostata verso il basso finché non cadrà a terra. Sopra l'altitudine di 23.000 km, il perigeo è al di sopra dell'atmosfera terrestre e l'oggetto inizierà ad orbitare in modo stabile. L'ascensore spaziale sarà ormai da tutt'altra parte, ma una navicella spaziale potrebbe essere spedita per recuperare il carico.

Se l'oggetto si stacca all'altezza dell'orbita geostazionaria rimarrà quasi immobile vicino all'ascensore esattamente come in un volo orbitale convenzionale. Ad altezze maggiori l'oggetto si troverà ancora in un'orbita ellittica, questa volta con un perigeo all'altezza del rilascio ed un apogeo più in alto. L'eccentricità dell'orbita aumenta con l'aumentare dell'altezza di rilascio.

Sopra i 47.000 km, un oggetto che si stacca dall'ascensore spaziale possiede una velocità superiore alla velocità di fuga dalla Terra. L'oggetto si dirigerebbe quindi verso lo spazio interplanetario, e se delle persone si trovassero a bordo potrebbe risultare impossibile recuperarle. [ Affermazione priva di fondamento ]

Tutte queste altitudini sono calcolate per un ascensore spaziale terrestre. Un ascensore spaziale in servizio su un altro pianeta o su un'altra luna avrebbe delle altitudini critiche differenti alle quali ognuno di questi scenari si realizzerebbe.

Volontà politica

Uno dei problemi potenziali dell'ascensore spaziale potrebbe essere "chi lo possiede o lo controlla?". L'ascensore richiederebbe un investimento significativo (le stime "partono" da circa 5 miliardi di dollari statunitensi per un cavo molto primitivo) e potrebbe essere necessario almeno un decennio per ripagare le spese. Attualmente solo dei governi sono in grado di spendere questa quantità di denaro nell'industria spaziale.

Presumendo che ci sia un impegno multinazionale per creare questa opera, ci sarebbe il problema di chi lo userebbe e di quanto spesso lo userebbe, così come di chi sarebbe responsabile della sua difesa dal terrorismo o da stati nemici. Un ascensore spaziale permetterebbe di mettere facilmente in orbita satelliti artificiali ed è ovvio che lo spazio è un'importante risorsa militare, così che l'ascensore spaziale potrebbe facilmente causare numerosi attriti tra gli stati. Inoltre la costruzione di un ascensore spaziale richiederebbe la conoscenza della posizione e della traiettoria di tutti i satelliti terrestri esistenti e la rimozione di quelli a rischio di collisione.

Un primo ascensore potrebbe essere utilizzato per sollevare in breve tempo il materiale necessario per costruire altri ascensori simili, ma come questo possa avvenire e in che modo i successivi ascensori verranno utilizzati dipende da quanto saranno disponibili i possessori del primo ascensore di lasciare qualsiasi monopolio possano aver guadagnato sull'accesso allo spazio.

Gli ascensori spaziali sono di per sé strutture estremamente fragili con un valore militare considerevole e sarebbero immediatamente un obiettivo in ogni conflitto di grandi dimensioni. Di conseguenza missili convenzionali, o altre tecnologie di lancio simili, probabilmente continuerebbero a essere utilizzate per fornire un modo alternativo per raggiungere lo spazio.

Altri sistemi e tipi di ascensore e cavi spaziali

Un altro tipo di ascensore che non necessita di materiali con una elevata resistenza alla tensione per mantenersi è la fontana spaziale , una torre supportata dall'interazione di un flusso ad alta velocità di particelle accelerate verso l'alto e il basso attraverso la torre da acceleratori magnetici . Dato che una fontana spaziale non si trova in orbita, diversamente da un ascensore spaziale, essa può avere qualsiasi altezza ed essere piazzata a qualsiasi latitudine . Inoltre, diversamente dagli ascensori spaziali, la fontana spaziale richiede una fonte di energia costante per rimanere sollevata.

Ancora la propulsione a cavi è un possibile metodo per lanciare navi spaziali in una orbita planetaria.

Ricerca e progetti

Recentemente l'Ames Research Center della NASA ha indetto una gara per la costruzione di robot arrampicatori, gara che ha visto scontrarsi dieci squadre di ingegneri canadesi e statunitensi nel tentativo di aggiudicarsi il premio di 50 000 dollari destinato al team scientifico capace di costruire arrampicatori in grado di spostarsi alla velocità di un metro al secondo, arrampicandosi su un sottile cavo di nanotubi al carbonio lungo sessanta metri.

Analogie storiche

Arthur C. Clarke paragonò il progetto di ascensore spaziale allo sforzo di Cyrus Field di costruire il primo cavo telegrafico transatlantico , "il progetto Apollo della sua era". [7]

Narrativa

Nota : Alcune descrizioni sono state fatte prima che il concetto di ascensore spaziale fosse conosciuto.

Film e televisione

Videogiochi

L'ascensore spaziale compare per la prima volta nel 1996 nel gioco Syndicate Wars , quindi nel 1999 nel gioco Sid Meier's Alpha Centauri e successivamente come meraviglia nel gioco strategico a turni Civilization: Call to Power e ritorna nel recente ( 2005 ) Civilization IV come grande meraviglia. Nel primo caso è utilizzato per raggiungere una stazione orbitale , uno degli ultimi livelli del gioco, nel secondo caso crea una colonia orbitale , verso la quale è possibile inviare uomini e materiali evitando l' inquinamento atmosferico dei vettori tradizionali; nel terzo velocizza la produzione di un' astronave (facilitando anche qui il trasporto in orbita , si suppone). Appare anche nei videogiochi Halo 2 , Halo 3: ODST , Mass Effect 3 , Sonic Colours , Megaman X8 , Killzone 3 e Satisfactory .

Infine è presente nel videogioco Ace Combat 7: Skies Unknown .

Lo si può costruire anche su TerraGenesis, aumenta la popolazione e produce 50000 c/min.

Note

  1. ^ a b ( EN ) Bob Hirschfeld, Space Elevator Gets Lift , in Tech Live , 31 gennaio 2002. URL consultato il 6 marzo 2012 (archiviato dall' url originale l'8 giugno 2005) .
  2. ^ a b Svetlana Kalmykova, L'ascensore verso il cielo , in la Voce della Russia , 24 febbraio 2012. URL consultato il 6 marzo 2012 .
  3. ^ ( EN ) Jerome Pearson, Space Elevators and other Advanced Concepts , in Star Technology and Research, Inc . URL consultato il 7 marzo 2012 ( archiviato il 4 febbraio 2012) .
  4. ^ Copia archiviata ( PDF ), su bucky-central.mech.nwu.edu . URL consultato il 3 giugno 2004 (archiviato dall' url originale il 20 settembre 2004) . .
  5. ^ a b Sharp Blue: The economics of interface transportation - Richard Baker Archiviato il 20 marzo 2020 in Internet Archive ..
  6. ^ Copia archiviata , su isr.us . URL consultato il 13 ottobre 2007 (archiviato dall' url originale il 13 ottobre 2007) . .
  7. ^ The Space Elevator Books | The Space Elevator Reference Archiviato il 13 giugno 2004 in Internet Archive ..

Bibliografia

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità GND ( DE ) 7845890-0
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ascensore_spaziale&oldid=120934952 "