Können Magnete verwendet werden, um Raumfahrzeuge zu starten?

Das Magnetfeld der Erde ist viel zu schwach, um es mit der Kraft abzuwehren, die erforderlich ist, um etwas in die Umlaufbahn zu bringen. Eigentlich ist es wirklich einfach, das zu demonstrieren. Nehmen Sie einen Kühlschrankmagneten, legen Sie ihn auf die Küchenwaage und notieren Sie sein Gewicht. Drehen Sie dann den Magneten um und wiegen Sie ihn ebenfalls mit umgekehrter Polarität. Sie sollten keinen Unterschied sehen und die Waage zeigt in beiden Fällen das gleiche Gewicht an, etwas, von dem Sie erwarten würden, dass es sehr unterschiedlich wäre, wenn das Magnetfeld der Erde so stark wäre, dass es in einem Fall die Gravitationsbeschleunigung im Wesentlichen negieren und die Anziehungskraft erhöhen würde wenn Die Polarität des Magneten würde umgekehrt werden.

In Bezug auf Röhrentunnel mit Elektromagneten beträgt die Fluchtgeschwindigkeit der Erde auf ihrer Oberfläche 11,2 km/s (das sind 40.320 km/h oder 25.053,7 mph!). Ein Teil dieser Geschwindigkeit wird bereits durch die Erdrotation bereitgestellt, je nachdem, wie weit der Startplatz vom Äquator entfernt wäre (1670 km / h am Äquator, 0 an echten Polen), aber der Großteil müsste noch vom Start bereitgestellt werden System. Das ist viel von einem Magnetschwebebahn-/Railgun-System zu verlangen und würde entweder eine enorme Kraft auf einer relativ kurzen Strecke (vielleicht ein paar Kilometer) für Beschleunigungen erfordern, die kein Mensch überleben könnte, oder eine ungefähr 1.472 km lange Strecke, um die Beschleunigung niedrig zu halten bis 4 g, wenn das Startsystem am Äquator wäre.

Um eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) zu erreichen, sollte die erforderliche Zielgeschwindigkeit einmal in LEO etwa 8 km/s (28.800 km/h oder 17.895 mph) erreichen, aber da natürlich immer noch die gesamte Atmosphäre im Weg wäre, wenn sie austreten würde Beim Startsystem müsste die Austrittsgeschwindigkeit viel größer sein, um den atmosphärischen Widerstand zu negieren. Der anfängliche Überschallstoß würde auch unglaublich robuste Materialien erfordern, um den Stoßkräften und der aerodynamischen Erwärmung standzuhalten, und das Projektil würde wahrscheinlich immer noch ein eigenes Antriebsmittel benötigen, wenn auch für nichts anderes, dann für Umlaufbahnmanöver, Flugbahnkorrekturen und Deorbit-Verbrennung . Oh, und im Falle eines von Menschen bewerteten Systems müsste es auch Startflucht- und sichere Abstiegssysteme haben, was alles zu seiner Größe und seinem Gewicht beiträgt.

Wie Sie sehen, haben solche horizontalen Startsysteme mit elektromagnetischem Antrieb einige große Nachteile, und Sie müssten immer noch die meisten Systeme, die bei Raketenstarts verwendet werden, an Bord tragen, selbst wenn Sie die Startrampe mit hohen Geschwindigkeiten verlassen. Ein bisschen mehr über die Hürden bei der Verwendung von Railguns als Weltraumstartsysteme wird auch in zwei ähnlichen Fragen diskutiert:

• Welche technologischen Hürden stehen der Entwicklung einer Weltraumkanone entgegen?
• Ist es möglich, etwas buchstäblich in den Weltraum zu schießen?

Das Erdmagnetfeld kann jedoch als Lagekontrolle im Orbit nützlich sein, hauptsächlich um die Ausrichtung des Satelliten entlang der Längsachse zu stabilisieren und/oder einen bestimmten Teil in Richtung Nadir zu halten, indem wir das verwenden, was wir allgemein als Magnetorquer bezeichnen . Sie funktionieren ähnlich wie eine magnetisierte Nadel, die sich selbst zu Magnetpolen ausrichtet, nur unter Verwendung von angetriebenen elektromagnetischen Spulen. Aber wie Sie wahrscheinlich inzwischen erwarten, wären sie aufgrund von Oszillationen im Magnetfeld nicht wirklich zuverlässig über den Magnetpolen der Erde, sodass sie ihre Spulen über diesen Bereichen ohne Strom lassen würden, wenn sich der Satellit in einer polaren Umlaufbahn befindet. Für weitere Informationen zu ihrer Funktionsweise schlage ich vor, unsere Website mit dem magnetorquer -Tag zu durchsuchen.

Angesichts der Frage, wie geschrieben (anstelle des irreführenden Titels) - ja, ein Magnetbeschleuniger könnte zum Starten eines Raumfahrzeugs verwendet werden.

Die Probleme dabei sind mehrere.

1. Der Inhalt des Fahrzeugs muss die Magnetfelder überstehen, die für Beschleuniger mit angemessener Länge erforderlich sind
2. die Strecke
   1. die lineare Spur ist extrem lang
   2. die kreisförmige Spur verursacht ziemlich hohe G-Kräfte auf die Insassen
   3. die hohen Beschleunigungen, die erforderlich sind, um die Streckenlängen auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren.
3. die Verzögerung der atmosphärischen Reibung
4. das Fehlen von Abbruchmöglichkeiten
   1. über die Hälfte hinaus, nicht genügend Abstand, um anzuhalten
   2. Die Fähigkeit, die Nutzlast in der Röhre zu drehen, ist keine gute Verwendung von Masse, außer bei Fehlermodi, bei denen die Unfähigkeit, dies zu tun, den sicheren Abbruchpunkt unter die Hälfte verschiebt.

Die NASA hat die Verwendung von Magnetbeschleunigern zum Starten untersucht – und als zu unzuverlässig für das, was die NASA startet, abgelehnt. Nicht, dass es die Dinge nicht konsequent in die Umlaufbahn bringen würde, aber dass diese Dinge die Reise möglicherweise nicht in einwandfreiem Zustand überleben. Das IEEE hat auch; machbare Längen führen zu einer zu hohen Beschleunigung „für Menschen und zerbrechliche Ladungen“. ( McNab, 2003 )

Es bleiben also einige Punkte übrig, wo es machbar wäre. Lebensmittel, Wasser, Kraftstoff, lebenserhaltende Materialien (Filter, Wäscher, Gase), Probenrückgabebehälter, Strukturkomponenten, gehärtete Elektronik.

Die Gesamtkosten sind noch nicht wirklich endgültig bezifferbar, aber die Kostenschätzung für 2003 beläuft sich ohne Überschreitungen auf über 1,3 Milliarden US-Dollar für eine Railgun, und die Schienen haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Kosten pro Kilogramm sollten mit einigen aktuellen Vorschlägen für hocheffiziente Trägerraketenmethoden vergleichbar sein.

Verweise

• McNab, Ian (2003), Launch to Space With an Electromagnetic Railgun , http://research.lifeboat.com/ieee.em.pdf

Um diesen Teil der Frage zu beantworten:

Ist die Magnetkraft nicht technisch stärker als die Schwerkraft?

Die Magnetkraft ist stärker als die Schwerkraft, aber nur im Nahbereich.
Magnetfeldstärke ist proportional zu$1/r^3$, wobei r der Abstand zum Magneten ist.
Die Schwerkraft der Erde ist proportional zu$1/r^2$, wobei r der Abstand zum Erdmittelpunkt ist.
Wenn Sie sich also weiter vom Magneten entfernen, wird die Schwerkraft schnell zur dominierenden Kraft. Sie können dies bei Maglev-Zügen in Aktion sehen : Sie verwenden starke Magnete, um einige Millimeter über ihrem Gleis zu schweben. Soll der Zug weiter entfernt schweben, wird die benötigte Energie schnell unpraktisch.
Wenn Sie die Magnete für den Antrieb verwenden, fällt die Antriebskraft in ähnlicher Weise schnell ab, wenn Sie sich vom Magneten entfernen, und Sie haben ein antriebsloses Projektil mit den von @aramis und @tildalwave erklärten Nachteilen.

Die vorhandenen Antworten zeigen ziemlich genau, warum es nicht getan wird, aber ich werde auch noch ein paar Punkte hinzufügen:

1) Denken Sie daran, dass eine Rakete, die heutzutage aufsteigt, mehrere Gs zieht. Beachten Sie, wie weit es geht, bevor die Motoren abschalten – Hunderte von Kilometern. Wenn Sie die gleiche G-Last wollen, brauchen Sie so viel Distanz - damit Menschen die Reise überleben können, muss Ihr Launcher Hunderte von Meilen lang sein. Offensichtlich muss es auf einer sehr flachen Flugbahn schießen.

2) Eine Rakete erreicht den größten Teil ihrer Geschwindigkeit, während sie sich ziemlich weit außerhalb der Atmosphäre befindet. Ein Linearmotorwerfer erhält seine Geschwindigkeit am Boden und hat daher ein großes Problem mit dem Luftwiderstand - umso mehr, weil er fast horizontal verläuft. Sie müssen ein schrecklich großes Fahrzeug haben, um zu vermeiden, dass es seine GESAMTE Geschwindigkeit in der Atmosphäre verliert. (Sie können dies nicht überwinden, indem Sie die Startgeschwindigkeit erhöhen, wenn der Widerstand so schnell ansteigt wie die Geschwindigkeit.)

Ich mag Ihre Idee, aber ich dachte eher an die Verwendung eines Elektromagneten, der durch einen zentralisierten Magnetverstärker verstärkt wird. Erklärung: Ein kleiner Elektromagnet in einem etwas größeren und dieser etwas größere in einem noch größeren und so weiter, bis Sie die richtige Stärke erreicht haben. Jeder Magnet verstärkt das Magnetfeld des kleineren darin. Sie könnten mit dieser Theorie ein Silo bauen, Ihre "Nutzlast" sozusagen in das "Fass" stecken, den Magneten einschalten und die Nutzlast wird starten. Wenn Sie versuchen, zum Beispiel zum Mond zu starten, sollten Sie Ihre Nutzlast so bauen, dass sie langlebig ist, da sie offensichtlich einen ziemlich festen Aufprall hinterlässt.