Helfen Sie mit, My Space Elevator zu reparieren - Untapered Steel Cable

Ich glaube, ich habe irgendwo in meinem Entwurf eines unverjüngten Stahlseil-Weltraumaufzugs zur Erde einen Fehler gemacht. Ich habe dies als Designreferenz gebaut, um herauszufinden, wie viel stärkere "stärkere" Materialien sein müssen, um eines herzustellen, und ich habe einen Fehler gemacht, da bin ich mir ziemlich sicher.

Einige Einheiten:

  • Gravitationskonstante (G) : 6.67 × 10 11
  • Masse der Erde (M) : 5,97 × 10 24 kg
  • Rotationsperiode der Erde: 24 Stunden
  • Dichte des Stahlkabels ( ρ ) : 7.560 k G M 3
  • Nutzlast: 22.400 Tonnen = 22,4 Millionen kg

Einige Formeln:

  • Rotationsgeschwindigkeit ( ω ) : 2 π 24 H R D A j × 60 M ich N H R × 60 S e C M ich N = 0,0000727, für die Erde
  • Höhe Space Elevator Mittelstation (d) : G M ω 2 3 = 42.233 km für die Erde
  • Höhe (über Grund) des Space Elevator (h) : D R e A R T H = 35.970 km für die Erde
  • Mein Verständnis ist, dass bei Verwendung eines ausreichend schweren Gegengewichts nicht viel mehr Kabel als (h) für die gesamte Kabelstrecke erforderlich ist.
  • Verhältnis von Kabelstärke (S) zu Kabelquerschnittsfläche (A), Kabeldichte ( ρ ), Nutzlast (P), Kabellänge (h) und Schwerkraft (g ~ 9,8, für Erde) : S A = ( P + A H ρ ) G S = ( P + A H ρ ) G A

Wenn ich alle diese Werte für ein Kabel mit 6 cm Durchmesser einsetze, erhalte ich eine Kabelstärke von 85,8 GPa (Gigapascal).

Dies liegt deutlich innerhalb der Grenzen von modernem Stahl (etwa 200 GPa).

Die benötigte Menge an Stahlkabeln würde 1,85 Millionen Tonnen betragen.

Während die Bauweise immer noch jenseits der Technologie liegt, hatte ich den Eindruck, dass die Materialien es auch waren. Wo habe ich meinen Fehler gemacht?

Scheint eine verbreitete Annahme zu sein. Ich habe einen Artikel gefunden, der die Annahme in Frage stellt, bin aber noch nicht durchgekommen - Scholarsmine.mst.edu/cgi/…
Übersehe ich etwas? Ich sehe das Gewicht des Kabels nicht in der Ladung – und das ist es, was Aufzüge auf der Erde verhindert. (Und beachten Sie, dass Sie nicht nur Masse und Schwerkraft betrachten können, da die Schwerkraft von 1 g an der Oberfläche bis zu 0 g bei Geosync variiert.)

Antworten (2)

Der krasse Fehler ist der phantastische Wert für die Zugfestigkeit von Stahl.

Die Zugfestigkeit von Stahl liegt bei maximal 2500 MPa, OK, gehen wir mal super optimistisch von 5000 MPa aus. Ich habe keine Ahnung, woher man Stahl mit einer Zugfestigkeit von 200.000 MPa bekommen kann.

Wenn Sie die Nutzlast ignorieren, reduziert sich Ihre Formel auf S = H ρ G .

Einstecken H = 39.970.000 Meter, ρ = 7500 kg/m³ und G = 9,81 m/s² bekomme ich S = 2.940.793 MPa oder 2941 GPa, etwa 600-mal höher als die optimistischste Zugfestigkeit aller Arten von Stahl.

Ich muss irgendwo eine Null verloren haben. Vielen Dank für den Gesundheitscheck.
Fand es! Ich habe die Kabellänge im letzten Teil der Berechnung nicht von Kilometern in Meter umgerechnet. Danke nochmal.

Als ich Ihre letzte Gleichung wiederholte, erhielt ich eine Zahl von 2745 GPa ( Wolfram Alpha Link ), was um einiges höher ist als Ihre Zahl. Ich bin mir nicht sicher, woher die erwähnten 85,8 GPa kamen

Allerdings glaube ich, dass Sie auch ein Gegengewicht brauchen. Im Moment ist der Massenmittelpunkt Ihres Systems ziemlich weit von der geostationären Umlaufbahn entfernt, da die Masse des Kabels viel größer ist als die Masse der Orbitalstation. Dadurch hätte es keine stabile Position relativ zum Ankerpunkt auf der Erde.

Wenn Sie die aktuelle Masse des Kabels in die Nutzlastmasse einbeziehen, um das Gegengewicht darzustellen, erhöht sich das Ergebnis Ihrer Gleichung auf 9164 GPA, was noch höher ist. ( Wolfram-Alpha-Link )

Ich hatte in meiner abschließenden Berechnung eine Einheitenumrechnung übersehen. Danke schön! Gute Frage zum Gegengewicht. Ich versuche es nur zu durchdenken: Im Idealfall gibt es auf der Erdseite weder Zug noch Druck. Bei diesem Aufbau wird das gesamte Gewicht des Kabels und der Nutzlast (aber nicht des Gegengewichts) als Spannung auf der Seite des Gegengewichts ausgedrückt. Ist das falsch?