Gibt es theoretische Größenbeschränkungen für künstliche Raumstationen/-strukturen?

Elektromagnetismus

Um so praktisch wie möglich zu sein, experimentierte die Space-Shuttle-Mission STS-75 mit einem Weltraum-Tether. Fürs Protokoll, die Leine ist gerissen. Um ziemlich genau zu sein, es brach aus Gründen, die es nicht gebrochen hätten, wenn die Leitung kürzer gewesen wäre. In gewissem Sinne (aber nur begrenzt) haben wir also bereits gesehen, wie ein Weltraumseil aufgrund seiner Größe brach.

Das lag daran, dass der Drahtstrom mit eingeschlossener Luft aus der Herstellung in der Linie interagierte. Der Strom wurde durch Bewegung im Magnetfeld der Erde verursacht. Das war 20 km lang. Wir können das nicht als Grenze im sinnvollen Sinne bezeichnen, da die NASA jetzt eine bessere Verbindung herstellen konnte und der gesamte Sinn der Mission darin bestand, mit induziertem Strom zu experimentieren. Ein Isolator wäre also besser.

Trotzdem ist der induzierte Strom immer noch größenspezifisch . Es ist auch spezifisch für Geschwindigkeit, Magnetfeld und wahrscheinlich ein paar andere Dinge.

Gezeitenkräfte

Der Grund für die anfängliche Spannung im Draht waren die Gezeitenkräfte. Es gibt zahlreiche Vorschläge für Halteseile für verschiedene cislunare Systeme, die den Gravitationsgradienten ausnutzen. Es wurde sogar erwogen, Strukturen für die ISS zu bauen, die die Gezeitenkräfte nutzen würden, um bei der Aufrechterhaltung der Orientierung zu helfen.

Es gibt einige Qualifikationen. Gezeitenkräfte erstrecken sich nur in eine Richtung, sodass Ihre Struktur je nach Geometrie und Ausrichtung möglicherweise nicht wirklich belastet wird.

Für eine grundlegende mathematische Behandlung wächst das Gezeitenfeld linear mit der Bewegung vom Mittelpunkt. Wenn Sie ein mechanisches Element haben, wird dieses über die Länge integriert, um eine Zugkraft in der Größenordnung von (Länge) zu ergeben.$^2$, Ich glaube.

Im wahrsten Sinne des Wortes muss ein Weltraumaufzug gegen Gezeitenkräfte kämpfen, und es würde futuristische Materialien erfordern. Mein armer$l^2$Eine Annäherung wäre in dieser Größenordnung unzureichend.

Selbstgravitation

Etwas kann unter seinem eigenen Gewicht zusammenbrechen. Natürlich müssen wir davon ausgehen, dass es nicht auf internen Druck beruht. Planeten verlassen sich auf ihren eigenen inneren Druck, um sich gegen die Eigengravitation stabil zu halten. Das ist ziemlich unspektakulär, und da wir nach künstlichen Strukturen suchen, stelle ich mir so etwas wie den Todesstern vor.

Wenn eine kugelförmige Raumstation eine konstante Dichte hat, wächst die Gravitation linear vom Zentrum aus. Aus diesem Grund hätte es die gleiche (Länge)$^2$Umfang der strukturellen Anforderungen, aber dies wäre komprimierend. Bei Zugbelastungen können Sie die Materialgrenzen weiter verschieben als bei Druckbelastungen im Allgemeinen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Eigengravitation von der durchschnittlichen Dichte der Struktur abhängt. Eigentlich ist es eine (Dichte)$^2$Beziehung. Das Argument für das Quadrat ist, dass Ihr Gewicht auf der Erde nur (Masse) ist, weil es die Gravitation zwischen Ihnen und der Erde ist. Die Selbstgravitation ist zwischen euch-dich. Ihr Massenbegriff wird also doppelt eingetragen. Dies bedeutet, dass eine sehr spärliche Struktur theoretisch eine Größe überspannen könnte, die größer ist als die der Erde, ohne unter ihrer eigenen Eigengravitation zusammenzubrechen.

Andere

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, dies noch weiter voranzutreiben - die Verwendung kinetischer Kräfte. Sie könnten eine starre Struktur haben, die sich in einem großen Ring dreht, wodurch eine gewisse Kompression der Eigengravitation vermieden wird. Sie könnten diese Idee sehr weit treiben, mit riesigen, sich selbst anziehenden Dyson-Schwärmen oder etwas in der Art. Aber vielleicht würde das die Anforderung, nicht "starr" zu sein, nicht erfüllen. Möglicherweise gibt es andere Problemumgehungen. Meine Kreativität lässt mich an dieser Stelle im Stich.

An diesem Punkt, der die Absurdität erreicht, gibt es einige seltsame und sogar komische Grenzen, an die Sie denken können. Wenn Sie zum Beispiel davon ausgehen, dass unser Energiewachstum weiterhin um 1 % pro Jahr wächst, werden wir die Erde in etwa 1000 Jahren verkochen . Es ist kein kompliziertes Argument. Nehmen wir einfach an, wir würden weiterhin exponentiell wachsen und die Schlussfolgerung liegt auf der Hand. Dies kann auf jede Grenze angewendet werden, einschließlich des Sonnensystems oder der Galaxie.

Letztendlich, ja, die Grenze wäre ein schwarzes Loch zu werden. Es ist schwer vorstellbar, wie das früher als die thermische Grenze passieren würde, weil es sehr empfindlich auf die Materiedichte reagiert. Theoretisch könnte man ein Schwarzes Loch ohne ein katastrophales Ereignis wie eine Supernova machen, denn große Schwarze Löcher können eine geringere „Dichte“ (definiert mit dem Ereignishorizont) als Wasser haben. Wenn Sie also riesige Bleiblöcke in einer sorgfältig geplanten Formation über viele Lichtjahre im Weltraum herumfliegen lassen, könnten Sie sich auf ganz neuartige Weise in ein Schwarzes Loch verwandeln. Aber wieso?

Einfach ausgedrückt: Die Obergrenze ist der Punkt, an dem das Objekt genügend Schwerkraft ausübt, um sich selbst zu kollabieren, und die verfügbare Grenze an verfügbarem Material.

Ein Objekt mit ausreichender Masse sollte selbst zu einem Sphäroid zusammenbrechen; für Silikate wird dieser Durchmesser auf mehrere hundert Meilen geschätzt; Beachten Sie, dass Ceres über der Selbstrundungsgrenze liegt und etwa 0,00015 Erden (895E18 kg) und einen Durchmesser von etwa 590 Meilen (etwa 1/13 Erddurchmesser) hat.

Man kann keine Struktur bauen, die größer ist als die gesamten verfügbaren Materialien; im Sonnensystem, unter der Annahme einer Kannibalisierung aller Gesteinskörper, liegt diese Grenze irgendwo bei 3-4 Erdmassen.

Diese Seite enthält eine gute Liste von Entwürfen (obwohl dies alles für die größte bewohnbare Struktur gilt) und Erläuterungen zu den Herausforderungen. Kurz gesagt, die Schwerkraft ist die größte Herausforderung, sowohl bei der Einschränkung, wie groß Sie eine Struktur bauen können, als auch wie gut Sie in dieser Struktur leben können. Viele der Designs haben die Form von großen Hohlkugeln oder Muscheln:

• Eine Schale mit nichts im Inneren würde Ihnen viel Oberfläche für die Masse geben. Beispielsweise hätte eine Hülle mit der Masse der Erde und einer Flächendichte von 500 kg/m2 einen Radius von 31 Millionen km. Es hätte jedoch an der Oberfläche eine extrem niedrige Schwerkraft, im Wesentlichen 0 g. Ob die Menschen so lange leben könnten, ist unbekannt.
• Eine Hülle um einen zentralen Körper, wie einen Planeten, einen Stern oder ein schwarzes Loch, könnte Ihnen bei höherer Schwerkraft (z. B. 1 g) viel Oberfläche geben. Aufgrund der Schwerkraft ist diese Konstruktion jedoch durch die Druckfestigkeit des für die Schale verwendeten Materials begrenzt. Eine Diamanthülle hätte einen maximalen Radius von 180.000 km, was jeden Planeten umschließen könnte, aber für Sterne oder Schwarze Löcher nicht ausreicht; Für diese benötigen Sie dynamische Unterstützung .
• Eine mit Gas gefüllte Schale würde durch den Innendruck aufgeblasen bleiben, daher spielt die Festigkeit keine Rolle. Es gibt immer noch eine maximale Größe, da ab einem bestimmten Punkt das Hinzufügen von mehr Gas dazu führt, dass es komprimiert wird, anstatt das Innenvolumen zu erhöhen. Mit Wasserstoff, dem leichtesten Gas, erreicht man eine maximale Reichweite von 240.000 km. Mit einem atembaren Gasgemisch (hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff, die dichter als Wasserstoff sind) könnten Sie in der Hülle leben, aber die maximale Größe ist mit einem Radius von 40.000 km geringer. Beachten Sie, dass dieses Design auch eine geringe Schwerkraft hat (~ 0,002 g für die mit Wasserstoff gefüllte Version).

Ein anderes mögliches Design ist die Topopolis, die im Grunde ein O'Neill-Zylinder ist, der sich in beide Richtungen erstreckt, bis er sich ein- oder mehrmals um einen Stern windet. Dies könnte durch Rotation 1 g Schwerkraft erreichen und durch wiederholtes Umrunden des Sterns fast beliebig groß werden, obwohl die Eigengravitation immer noch eine Obergrenze darstellen würde.