Abgetrennter Weltraumaufzug

Wenn das Bodenende eines Weltraumaufzugs abgetrennt würde, wie würde das sich entfaltende Ereignis vom Boden aus aussehen? Wie würden die Bewegungen aussehen und über welchen Zeitraum?

Ich gehe davon aus, dass es sich um einen „normalen“ Weltraumaufzug handelt: <= 20 Grad vom Äquator entfernt; Diamant-Nanofaden-Konstruktion; „Oberseite“ des Aufzugs im geostationären Orbit; angebundenes Gewicht in 62.000 Meilen über der Erdoberfläche.

Hätte der Aufzug genug Spannung, um wie ein gerissenes Gummiband zu wirken?
Es ist sowohl steifer als auch stärker als jedes bekannte Material, einschließlich Kohlenstoffnanoröhren. Wenn Sie möchten, hier sind die Zahlen – die, wie ich frei zugebe, etwas über meinem eigenen Verständnis liegen: Steifheit = 850 GPa; Stärke = 26,4 nN; Verlängerung = 14,9 %; Biegesteifigkeit = 5,35 × 10–28 N·m2; Zähigkeit = 4,1 × 10 7 N·m/kg.
Haben Sie schon einmal von Tiphares gehört ?
Müsste ein Weltraumaufzug nicht über die geostationäre Umlaufbahn hinausragen? Mein Verständnis ist, dass es dort seinen Massenmittelpunkt brauchen würde, sonst würde die Masse unterhalb der Geostation es nach unten ziehen. Die Masse über der Geostation würde sich mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit bewegen und dem Aufzug Spannung verleihen.
@Baldrickk Ja, es muss über GEO hinausgehen. Vergleichen Sie zum Beispiel space.stackexchange.com/a/5165/415 .
Mein Verständnis ist, dass sich die Spitze des Aufzugs in einer geosynchronen Umlaufbahn (22.000 Meilen über dem Boden) befinden würde, mit dem "Tether" 40.000 Meilen darüber hinaus.
@DanPiponi - Brillant! Ist es möglich, die Geschwindigkeit, mit der das Ereignis auftritt (wieder von der Basis aus mit Blick auf die Basis), in irgendeiner Weise zu interpolieren? (Außerdem wird mir der Link zur "übergeordneten" Website eine Menge Informationen geben, die ich durchgehen kann.)

Antworten (4)

http://www.spaceward.org/elevator-whatif

Wo es bricht, ist ziemlich wichtig.

In erster Linie, wenn das Halteseil reißt, wird alles über dem Bruchpunkt nach oben "fallen" und in den Weltraum entkommen. Da sich die meisten gefährlichen Umgebungen in der Nähe des unteren Endes der Leine befinden, wird nur ein kurzes Stück auf die Erde zurückfallen.

Ein Weltraumaufzug muss zwangsläufig ziemlich leicht sein.

Das nominelle (20 Tonnen) Space Elevator-Tether wiegt etwa 10 Gramm (ein Drittel einer Unze) pro Meter, und so wird die Materialmenge auf jedem Quadratkilometer winzig sein.

Du willst aber definitiv nicht darauf klettern, wenn es passiert.

Schließlich werden 4-5 Kletterer am Seil sein. Während die obersten in der Lage sein können, im Orbit zu bleiben, werden die übrigen beginnen, auf die Erde zu fallen. Bemannte Kletterer werden natürlich die Möglichkeit haben, weich zu landen, und Frachtkletterer dürfen möglicherweise einfach herunterspritzen.

Oberhalb der Unterbrechung würde das Gegengewicht von der Erde weg in eine höhere Umlaufbahn "fallen".

Mit einer Pause in Bodennähe wäre es wahrscheinlich nicht besonders spektakulär.

Wenn Sie etwas wollen, das wahrscheinlich auf wirklich spektakuläre und verheerende Weise scheitern wird (und gleichzeitig einen Vorteil gegenüber einem Weltraumaufzug hat, dass wir tatsächlich einen mit bekannten Materialien bauen könnten), dann sollten Sie sich vielleicht einen Weltraumbrunnen ansehen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_fountain

Ich beschloss zu versuchen, die Energie zu berechnen, die involviert ist, wenn es sehr weit oben eine Unterbrechung gibt und der größte Teil des Aufzugs auf die Erde fällt:

Theoretisch könnte ein Weltraumaufzug zwischen 20 und 750 Tonnen wiegen.

Ich kann nicht für den realen Fall rechnen, in dem die Masse über ihre gesamte Länge verteilt ist, aber ich werde auf der Seite von "katastrophaler" irren und rechnen, dass die gesamte Masse höher in der Nähe von Geo liegt.

Geschwindigkeit bei Geo = 3,07 km/s.

(kinetische Energie von 750 Tonnen bei 3,07 km/s) = 3,206×10^12 J (Joule)

das sind etwa 95 % der maximalen Treibstoffenergie eines Airbus A330-300 (97.530 Liter Jet A-1) oder 1/20 einer kleinen Jungenbombe.

Die potenzielle Energie von 750 Tonnen, die aus 35000 km fallen, ist größer, aber immer noch nur im Bereich von 0,05 Megatonnen, und das meiste davon würde durch Reibung mit der Atmosphäre verloren gehen.

Stellen Sie sich vor, Sie verteilen 0,05 Megatonnen TNT entlang einer 20.000 km langen Linie (immer noch auf der Seite von "mehr Katastrophe"), das ergibt 2,5 Tonnen TNT pro km oder anders ausgedrückt 2,5 kg TNT pro Meter.

Stellen Sie sich eine etwa 5,6 cm dicke Stange Dynamit vor, die 20.000 km lang ist. Das ist die Gesamtenergie des fallenden Weltraumaufzugs.

Du würdest eigentlich nicht wollen, dass dich das trifft, aber wenn du 50 Meter von der Linie entfernt wärst, würde es dir wahrscheinlich gut gehen. Auch das bedeutet, dass beim Fallen sogar kein Energieverlust an die Atmosphäre vorgetäuscht wird.

Ein fallender Weltraumaufzug wäre nicht großartig, aber eher im Sinne von "es ist schlimm, von Dingen getroffen zu werden, die auf dich fallen", als "jeder in der Nähe ist sehr tot".

Würde die Leine dann nicht großen Schaden an dem anrichten, was sich im Orbit befindet?
Wenn es am Boden abgetrennt wird, würde es dann nicht aus der Sicht der Leute am Boden einfach verschwinden, wenn es in den Weltraum abhebt? Das Weltraumseil würde einfach in eine höhere Umlaufbahn aufbrechen, da die Spannung mit dem Boden es an Ort und Stelle hält, oder? Ich denke, wenn die Leine in einer stabilen geosynchronen Umlaufbahn ausreichend groß ist und der Aufzug selbst nicht unter Spannung steht, würde der Aufzug einfach durch die obere Atmosphäre ziehen.
@PatJ Wenn es auf etwas trifft, würde es es beschädigen, aber versuchen Sie, eine Murmel aus Europa auf ein Seil zu werfen, das im Indischen Ozean schwimmt. Es ist ein langes Seil, aber es hat immer noch einen winzigen Querschnitt. Sie hätten ein bisschen Pech, wenn es zufällig die ISS oder so treffen würde.
Ich bin mir nicht sicher, ob es in eine höhere Umlaufbahn gehen würde. Würde die Luftreibung entlang der Leine die Umlaufgeschwindigkeit nicht so verlangsamen, dass schließlich die Spitze des Aufzugs herunterfallen würde? Außerdem würde die Schnurspitze beschleunigen und die Auslöseenergie in einem Peitscheneffekt erhöhen?
"Eine Bombe für kleine Jungen" lässt mich an eine unsagbar unordentliche Windel denken ...
Würden die an der Leine befestigten Aufzüge nicht mit der Leine wegfallen?
In der Tat ist der POV vom Boden - Würde nicht Drehimpuls ins Spiel kommen, sowie - vielleicht "langsame" - Schwingungen?
Ich kann mich nicht an die Quelle erinnern, aber ich erinnere mich, dass jemand die Theorie aufgestellt hat, dass praktisch jede Art von Halteseil während seines Zusammenbruchs auf genügend andere Faktoren wie Luftwiderstand stoßen würde, so dass der Schaden am Boden vernachlässigbar wäre. Ich bin mir nicht sicher, wie genau das ist, aber es macht intuitiv Sinn. Schließlich hat ein langes Kabel im Verhältnis zu seiner Masse viel Oberfläche, sodass seine Endgeschwindigkeit begrenzt wäre.
@FrankCedeno Die Luftreibung ist auch dann vorhanden, wenn das Halteseil "stationär" ist - es würde sich nicht ändern, nur weil es durchtrennt wurde. Das Gegengewicht bringt genug Kraft auf, um das auszugleichen, sonst würde der Aufzug gar nicht funktionieren. Und obwohl Sie etwas mehr Reibung bekommen würden, wenn das Seil wackelt, wäre es nicht wirklich wichtig – wir sprechen nicht über etwas, das Tage oder Wochen dauert; Es wäre in weniger als einer Stunde vorbei, und nur ein winziger Teil des Seils befindet sich in dichter Atmosphäre (~ 5-100 km im Vergleich zu einer Gesamtlänge von mehr als 30.000 km ).
@Luaan, es gibt anfangs nicht so viel Luftreibung. Die Atmosphäre rotiert meist mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Boden. Sonst hätten wir entlang des Äquators Winde mit Überschallgeschwindigkeit, wenn die Kruste unter der Atmosphäre rotiert. Es ist also nicht mehr als normale Windscherung am Halteseil. Abgesehen davon würde der größte Teil des unteren Teils der Leine, der sich nicht in der inneren Atmosphäre befindet, wahrscheinlich beim Wiedereintritt verbrennen, der obere Teil würde wegdriften, um nicht wieder gesehen zu werden.
@Adwaenyth Ich vermute, dass das Ganze wegdriften würde (in eine stabile Umlaufbahn, wohlgemerkt, es sei denn, das Gegengewicht wäre wirklich weit von der Erde entfernt - entworfen, um extra-solare Sonden oder so etwas zu starten). Ich möchte jedoch nicht der Typ sein, der die Zehntausende von Fesseln im Orbit entwirren müsste ... :D
@Ozymandias, wenn die Pause in Bodennähe ist, dann nicht wirklich. Nur 0,2 % des Kabels befinden sich in der Atmosphäre, und das ist der leichteste und dünnste Teil. Das Gegengewicht muss etwas über GEO hinaus sein, um die Spannung aufrechtzuerhalten, sodass das Kabel aus einem POV am Boden wahrscheinlich einfach nach oben verschwinden würde. Es könnte herumflattern, aber tun Sie dies, während es schnell nach oben geht, damit es nicht viel mit dem Boden macht. Schlecht für jeden, der es klettert.

In Kim Stanley Robinsons Buch Green Mars (glaube ich) hat er dies sehr detailliert behandelt. Das Gegengewicht wurde explosionsartig abgetrennt und flog davon und trat in eine Sonnenumlaufbahn ein. Der Planet dreht sich und zieht das Kabel in eine Spirale. Zuerst setzt das Kabel ziemlich weich auf, aber bald wird es mit immer schnelleren Geschwindigkeiten in den Boden gepeitscht. Die Schockwelle der ersten Runde um die Welt richtete einigen Schaden an, aber die zweite Umhüllung kommt mit Hyperschallgeschwindigkeit herunter und tötet alles ein paar Kilometer nördlich und südlich der Aufpralllinie.

Ob dies repräsentativ für das ist, was passieren würde, oder künstlerische Freiheit, ist mir unbekannt. Aber seine Bücher sind gut recherchiert und enthalten viel harte Wissenschaft, also gehe ich davon aus, dass sie gut durchdacht sind.

Bearbeiten Entschuldigung, ich habe den Teil verpasst, in dem das OP sagte, dass das Bodenende abgetrennt wird.

Fügen Sie diese hohen Geschwindigkeiten hinzu, wird die Luftreibung nicht einfach die Leine zerreißen / verbrennen, bevor sie die Landung erreicht?
Theoretisch könnte ein Weltraumaufzug zwischen 20 und 750 Tonnen wiegen. Ich kann den realen Fall nicht berechnen, also lass uns auf der Seite von "katastrophaler" irren und die Mathematik für Geo machen. (kinetische Energie von 750 Tonnen bei 3,07 km/s) = 3,206×10^12 J (Joule) = etwa 95 % der maximalen Treibstoffenergie eines Airbus A330-300 (97.530 Liter Jet A-1) oder 1/20 einer kleinen Jungenbombe. Die potenzielle Energie von 750 Tonnen, die aus 35000 km fallen, ist größer, aber immer noch nur im Bereich von 0,05 Megatonnen, und das meiste davon würde durch Reibung mit der Atmosphäre verloren gehen.
Das war hauptsächlich ein Beispiel dafür, was passieren würde, wenn es oben durchtrennt würde. Wenn es unten durchtrennt wäre, wäre es eine andere Geschichte.
Ich denke, Kim Stanley Robinsons könnte mit der Kraft der Einschläge nicht richtig liegen. Stellen Sie sich vor, Sie verteilen 0,05 Megatonnen TNT entlang einer 20.000 km langen Linie (immer noch zu Gunsten von km), das ergibt 2,5 Tonnen TNT pro km oder anders ausgedrückt 2,5 kg TNT pro Meter. Du würdest eigentlich nicht wollen, dass dich das trifft, aber wenn du 50 Meter von der Linie entfernt wärst, würde es dir wahrscheinlich gut gehen. Auch das bedeutet, dass beim Fallen sogar kein Energieverlust an die Atmosphäre vorgetäuscht wird.
@Murphy Ich denke, der Aufzug von KSR war sehr dick und schwer. IIRC, wo es weich gelandet war, mussten sie Unterführungen graben, weil es zu groß war, um darüber zu fahren.
Der Großteil der Energie würde durch atmosphärische Reibung dissipiert werden, und das meiste davon sicherlich ein gutes Stück über der Erde. Am Boden hören Sie vielleicht nur einen Überschallknall und etwas später (vorausgesetzt, es ist beim Wiedereintritt nicht vollständig verbrannt) bleibt das Halteseil sanft zu Boden schweben.
@Durandal Zwei Punkte, die es plausibel machen könnten, das Kabel hätte einen relativ engen Querschnitt, sodass die Reibung minimiert würde, und Kohlenstoffnanoröhren hätten eine sehr hohe Zündtemperatur.
@ AndyD273 Der Querschnitt selbst spielt keine Rolle, was zählt, ist der resultierende ballistische Koeffizient (der eine Funktion von Masse und Oberfläche ist ). Es sei denn, Sie gehen von einem unrealistisch dichten Tether aus (was Sie nicht tun, da Sie CNTs sagen). Und die Zündtemperatur ist ein Ablenkungsmanöver - es muss nicht brennen , um Energie durch Reibung und Staudruck abzubauen. Um es plausibel zu machen, müssen Sie davon ausgehen, dass die Leine nirgendwo reißt oder durchbrennt , dann fügt der Zug der Planetenrotation kontinuierlich Energie hinzu. Könnte es erfunden sein? Ja, aber ich bin nicht davon überzeugt :)
Dies scheint die Frage "Wenn das Bodenende eines Weltraumaufzugs abgetrennt wurde" nicht zu beantworten.
@DaaaahWhoosh Huh? Es ist direkt am Thema. Was ist daran ab? Im KSR-Buch ist genau das passiert, als die Masseverbindung unterbrochen wurde.
@SRM In KSRs Buch wurde der Aufzug ganz oben abgetrennt; das genau gegenteilige Szenario.
Mein Fehler, ich habe das OP verpasst und angegeben, dass es das Bodenende war.
@Dan wie ist das relevant!? Das Ding löste sich an der Basis, als es sich von Clarke trennte. Das Schneiden an der Spitze beschleunigte das Durchtrennen an der Unterseite. Für mich ist es ein absurder Punkt der Pedanterie, diese Antwort aus diesen Gründen abzulehnen.
@SRM Das Halteseil steht am Gegengewicht und am Planeten unter Spannung. Wenn Sie am Gegengewicht schneiden, treibt diese Spannung das Seil nach unten zum Planeten. Wenn Sie auf den Planeten schneiden, treibt die Spannung das Halteseil nach oben zum Gegengewicht. Die beiden Szenarien sind buchstäblich polare Gegensätze :) Sie zu vergleichen ist, als würde man sagen, dass Springen wirklich dasselbe ist wie Fallen.
@Luaan Ich denke, ich kann deinen Standpunkt verstehen. Aus meiner Sicht war das Entfernen des Gegengewichts oben der Mechanismus , um den Schnitt unten zu erreichen.
"Der Planet dreht sich und zieht das Kabel in eine Spirale. Zuerst setzt das Kabel ziemlich sanft auf" - wie viele Tage fällt dieses Kabel, bevor es das erste Mal vollständig auf dem Boden auftrifft?

Obligatorischer xkcd-Cartoon .

Beachten Sie, dass der Weltraumaufzug keine großen Spann- und Bodenanker benötigt! Wikipedia weist darauf hin, dass moderne Designs schwimmende Lastkähne erfordern: am Ende kaum ein erhebliches Gewicht. Wenn Sie es in Bodennähe schneiden, würde es herumflattern, aber nicht wegschnappen.

Dies ist das richtige ausfallsichere Design.

Es gibt sogar Sky Hooks, die gar nicht bis zum Boden reichen. Das ist also kein Thema.

Es kann am Bodenende wenig Spannung geben (aber es ist immer noch wichtig, es straff zu machen - Sie wollen nicht, dass es herumwackelt, wenn die Kletterer vorbeikommen), aber es gibt viel Spannung über die Zehntausende von Kilometern Länge des Halteseil. Sogar ein ausfallsicheres Design wie Ihres würde brechen, es würde einfach nicht heftig am Boden brechen. Beachten Sie auch, dass es nicht leicht ist, nur weil es ein "schwimmender Lastkahn" ist - wir sprechen von einem Lastkahn, der auch ein Tiefseehafen ist, eher einer Bohrinsel als einem Boot. Es könnte leicht eine Million Tonnen wiegen.

Nehmen wir an, es gab eine Explosion an der Bodenbasis und die Leine wurde durchtrennt. Theoretisch würde es einfach dort hängen bleiben. Der einfachste Fahrstuhl muss nicht einmal befestigt werden, er könnte einfach ein paar Meter über dem Boden hängen.

Die meisten Konstruktionen beinhalten jedoch das oben erwähnte Gegengewicht, um große Klettermassen auszugleichen. Aufgrund des Gegengewichts würde ein Bodenbruch dazu führen, dass das gesamte System von der Erde weg in die Höhe schießt. Wenn das Gegengewicht nicht riesig und unter enormer Belastung angebunden war (was ich bezweifle), konnte es die Umlaufbahn nicht verlassen. Das Ganze würde sich nur in eine etwas höhere Umlaufbahn bewegen und sich dann stabilisieren. Da diese neue Umlaufbahn nicht geostationär wäre, könnte der Boden möglicherweise in einen Berg stürzen. Aber ansonsten wäre es meist harmlos, die Kletterer auf der Route könnten ihre Reise (nach oben) beenden und nichts spüren. ICH' Ich würde gerne glauben, dass die Ingenieure sich dieser Möglichkeit bewusst wären und die Möglichkeit hätten, einen Teil des Gegengewichts abzuwerfen und hoffentlich etwas Schub zur Verfügung zu haben, damit sie sich neu positionieren und wieder anbringen können. Selbst wenn es nur in Ruhe gelassen wird, sollte der atmosphärische Widerstand das gesamte System auf eine nahezu geostationäre Umlaufbahn zurückziehen (wobei das Risiko dieses schrecklichen Bergschlags erneut besteht). Wenn sich die Unterseite des Halteseils außerhalb der Atmosphäre befindet, ist der Luftwiderstand offensichtlich kein Problem.

Im Gegensatz zu Kim Stanley Robinsons Roman ist eine Pause in Bodennähe ein Best-Case-Szenario.

Es würde definitiv nicht "einfach so herumhängen", schon gar nicht auf einem Planeten mit Atmosphäre. Die Spannung ist ein notwendiger Teil des Konzepts, und das Gegengewicht ist da, um die Spannung aufrechtzuerhalten (obwohl Sie für eine größere Tragfähigkeit natürlich ein größeres oder weiter entferntes Gegengewicht wünschen würden). Wenn Sie ein Halteseil hätten, das nicht für eine Ladung ausgelegt ist, könnte es langsam mit dem Wind davontreiben - aber das setzt bereits voraus, dass die Windrichtung in allen Schichten der Atmosphäre gleich ist, was einfach nicht stimmt. Aber was noch wichtiger ist, die Spannung des Halteseils würde gelöst, was zu Vibrationen führen würde.
Ergänzend zu dem, was Luaan sagte: Wenn es keine Spannung gäbe und Sie versuchen würden, es zu erklimmen, dann würden Sie, anstatt sich selbst hochzuziehen, die Raumstation herunterziehen. Nicht gut.
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