Können Ringwelten mit aktiver Unterstützung gebaut werden?

Das Hauptproblem bei Lebensräumen im Spin-Schwerkraft-Weltraum ist, dass die Zentrifugalkraft irgendwann die Zugfestigkeit der Baumaterialien überwältigen wird, selbst wenn perfektes Graphen verfügbar wäre. Somit können selbst die größten Spinnhabitate nicht mehr als einen Kontinent an Lebensraum pro Trommel liefern. Natürlich kann man Geländemerkmale und Schwerkraft gegen lebenswertere Flächen eintauschen, aber selbst das hat seine Grenzen.

Da ich wusste, dass die dynamische Unterstützung einer Struktur normalerweise die Antwort ist, um Megastrukturen viel größer zu machen (denken Sie an Atlastürme und dynamisch unterstützte Orbitalringe, die Massenstromtechnologie verwenden ), habe ich mich gefragt, ob eine aktive Unterstützung auf Banks Orbitals und Ringworlds angewendet werden könnte, die sind ohne Unobtainium normalerweise als unmöglich angesehen. Offensichtlich helfen mir "Materialien" mit hohen Druckfestigkeiten hier nicht wirklich weiter.

Die grundlegende Aufgabe des Spinnrings besteht jedoch darin, der Zentrifugalkraft zu widerstehen. Was wäre, wenn wir den Ring irgendwie komprimieren könnten, um eine Gegenkraft zu erzeugen? Das Hauptproblem, das sich daraus ergibt, ist natürlich, dass die Reibung zwischen dem Ring, der sich mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde dreht, und im Grunde allem, spektakuläre Ergebnisse haben wird. Wir bräuchten eine reibungsfreie Oberfläche. Nehmen wir erstmal an, die Ingenieure hätten eine absolut reibungsfreie Unobtainium-Beschichtung bekommen. (Vielleicht könnten supraleitende Magnete eine reibungsfreie Schnittstelle bieten?)

Das Grunddesign einer solchen Struktur wäre ein sich drehender Ring um eine zentrale Schwerkraftquelle und eine umhüllende, langsam gegenläufig rotierende Stützmasse. Die Stützmasse befindet sich weit unter ihrer Umlaufgeschwindigkeit und würde daher in Richtung der Gravitationsquelle fallen. Die Zentrifugalkraft der sich drehenden Ringe würde jedoch die Kräfte ausgleichen.

Ich bin mir bewusst, dass die eigene Schwerkraft der Gegenmassen irgendwann zu einem Problem werden könnte. Irgendwann könnten wir es sehr wohl mit einem zirkumstellaren Donut-Planeten zu tun haben, obwohl ich denke, dass die Ringwelt aus Sicht der Baumaterialien die bessere Wahl wäre. Falls die Frage aufkommt, wo man die Materialien herbekommt, um so etwas zu bauen, ist dies per Definition so ziemlich ein K2+-Projekt. Starlifting steht also auf dem Tisch. Und der größte Teil der Stützmasse wäre höchstwahrscheinlich metallischer Wasserstoff, der in Behältern aus Graphen und Metall (was sonst mit Metallen im Wert von mehreren Planeten zu tun ist) gespeichert ist.

Das zentrale Objekt könnte eines von mehreren Optionen sein: ein Planet, ein Gasriese, ein Stern oder ein Schwarzes Loch. Es könnte sehr gut die Energiequelle der gesamten Struktur sein, entweder ein Treibstoffdepot, eine Dyson-Sphäre oder eine Penrose-Sphäre.

Ich eine solche Struktur grundsätzlich möglich? Habe ich irgendwo die Physik vermasselt? Könnten Magnete den Drücken der Grenzfläche standhalten?

Es ist im Allgemeinen sehr schwierig, eine wissenschaftliche Frage zu beantworten, die Zukunftstechnologien jeglicher Art betrifft. Erwägen Sie, das Tag zu entfernen und die Frage so zu verfeinern, dass nur nach realistischen Antworten gefragt wird.
@GOATNine ersetzte es durch wissenschaftsbasiert
Könnte es nicht ein massiver Ring sein, aber segmentiert und durch Kabel verbunden, wie die Dyson-Schwarm-Idee, aber in der Ringform gehalten und enger zusammengehalten?
@Orochi Wie würde das helfen? Die Zugfestigkeit der Kabel würde die gleichen Grenzen setzen wie die Zugfestigkeit der Ringe, nur bei einer komplizierteren Struktur.
Ich verstehe ehrlich gesagt nicht, welche Methoden Sie vorschlagen, daher kann ich diese nicht kommentieren, aber ein Kabel ist flexibler als ein solides, nicht flexibles Gussstück, sodass sie theoretisch je nach Design die Belastung der gesamten Struktur besser bewältigen könnten.
Sie können dem Autor Larry Niven und seinen Ringworld- Romanen vertrauen. Als er das erste veröffentlichte, rechnete ein Haufen Studenten nach und bewies, dass eine passive Ringwelt instabil war. Er fügte Bussard Ramjets in Ringworld Engineers hinzu , um das Problem zu lösen. Anscheinend hat sich seitdem niemand mehr über Instabilität beschwert.
Die einzige Idee, die mir einfällt, ist ein Pinch-Effekt, aber ich kann mich nicht wirklich in das Problem hineindenken (ein Strom, der entlang eines Leiters fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das die Elektronen nach innen drückt, wobei viele parallele Stränge isoliert sind von würden auf die einzelnen Stränge Kräfte wirken -> ? -> stabile Struktur). Wenn jemand mit Zeit diese Idee aufgreifen und damit weitermachen möchte - nur zu!
Eine Erhöhung der Ringgröße erhöht die Anforderungen an die Zugfestigkeit - wenn der Ring selbsttragend ist. Das Hinzufügen von Speichen kann das Problem lösen. Mit Speichen verhält sich die Struktur eher wie eine Hängebrücke, bei der die Wand nur einzelne Segmente zwischen den Stützen trägt. Hier ist die Grenze die praktische Länge der Speichen, bis sie selbst zu schwer werden.
@JBH NIven brauchte Scrith auch ein fiktives Material, das weitaus stärker ist als jede bekannte Form von Materie, um zu verhindern, dass sein Ring auseinandergerissen wird. Scrith hat eine ähnliche Zugfestigkeit wie die starke Kernkraft. und blockierte so viel Strahlung wie ein Lichtjahr dickes Stück Blei.
@ John Das ist ein wirklich guter Punkt. Er tat dasselbe für die Raumschiffrümpfe – er schuf ein fiktives Material, das alle offensichtlichen physikalischen Einschränkungen löste. Danke für den Hinweis!

Antworten (8)

Verwenden Sie einen äußeren Lagerring, der sich nicht dreht und aus massivem Metall (oder Glasfaser - was auch immer praktisch ist) mit einer supraleitenden Innenfläche (Kaltmachen ist im Weltraum billig - möglicherweise stickstoffgefüllte Wärmerohre von der Innenfläche zur schattierten Außenfläche). des Lagers.)

Heben Sie den sich drehenden Ring mit einem Mag-Lev vom stationären Ring ab.

Der stationäre Ring kann die Belastung des Spinnrings auf zwei Arten reduzieren.

Durch seine eigene Zugkraft, die einen Spin, den er nicht hat, nicht kompensieren muss, und durch sein Gewicht in der stellaren Gravitation.

Der sich drehende Ring ist also im Wesentlichen eine Magnetschwebebahn, die in einem Eisenreifen fährt. Man könnte es sich als umgekehrten Massenstrom vorstellen, wobei der sich drehende Ring der Massenstrom ist, der den stationären Ring unter Spannung hält.

Wie in Ringworld Engineers betont, wird noch eine Methode zur Stationshaltung benötigt, vielleicht würden Sonnensegel ausreichen.

Das war mein erster Gedanke, als ich Ringworld las , aber ein Großteil der Geschichte würde ohne Scrith als Handwavium-Lösung nicht passieren, und Niven schien Supraleiter nicht zu verstehen, also kam ihm vielleicht überhaupt keine Magnetschwebebahn in den Sinn.
@StephenS Nivens Ringworld kann keine Sonnensegelstabilisierung verwenden, da sich der gesamte Ring bewegt. Das Segel wird 1 g erfahren – kein Segel, das groß genug ist, um von Nutzen zu sein, kann diese Kraft aushalten.
@LorenPechtel Welche Sonnensegel? Nivens Ringworld hatte Staudüsen zur Stabilisierung, die auf den hier vorgeschlagenen Rotor- oder Statorringen gleichermaßen gut funktionieren würden.
@StephenS Oh, ich habe es falsch verstanden - ich dachte, Sie sprachen von Segeln anstelle von Ramjets. Beachten Sie, dass es ein großes Problem mit der Magnetschwebebahn-Route gibt – Sie brauchen IIRC mit der 12-fachen Masse von Nivens Ringwelt und Sie können seine steilen Wände nicht haben, sie müssen allmählich sein – keine Überlaufberge.
könnte ein Dach statt nur Wände brauchen.
@StephenS Nivens Known Space-Version eines Ramscoop würde auf einem festen Ring nicht funktionieren; IIRC Die minimale Betriebsgeschwindigkeit beträgt 770 km/s relativ zum lokalen Medium. Vielleicht, wenn sie die von World Out of Time bekommen könnten ...

Ich weiß nicht, ob das funktionieren wird; Ich habe nicht ALLE Berechnungen durchgeführt, aber mein Bauchgefühl, mspaint und der John Hopkins Uni Truss Simulator deuten darauf hin, dass es funktionieren wird. Also präsentiere ich es; Hier geht:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Unter den Gebäuden befindet sich eine große Röhre, die unter Vakuum gehalten wird (in Grau dargestellt), durch die Metallpellets (in Rot dargestellt) laufen, wobei große Coilguns (braun) Kraft von der Struktur auf die Pellets ausüben. Sie können sowohl positive als auch negative Kräfte ausüben, die jeweils zu Kompression und Spannung führen.

Die Zentrifugalkraft (die als reine Kraft auf die "Boden" -Elemente wirkt) geht durch das Fachwerk, das in abwechselnde Kompression (C) oder Spannung (T) auf die Wand mit dem darin befindlichen Rohr umgeleitet wird, von dem die Kompression und Spannung ist in den Pelletstrom absorbiert, indem es ihn entweder beschleunigt oder verlangsamt.

Dies müsste sorgfältig überwacht werden, und eine dynamische, sich ändernde Massenverteilung innerhalb des Rings könnte die Kraftverteilung ändern, der entgegengewirkt werden müsste. Ihre morgendliche Fahrt zur Arbeit könnte andere Kräfte zur Korrektur erfordern als Ihre abendliche Fahrt. Feuchtigkeit auf einer Seite kann eine Seite schwerer machen, was korrekt sein muss usw. usw.

Dies würde auch verwendet werden, um Wackeln und Vibrationen entgegenzuwirken und dabei zu helfen, die Schleudergeschwindigkeit auf eine genaue Tageslänge zu stabilisieren.

Dreht sich die Röhre selbst nicht mit der Struktur? Wie verhindert man, dass es durch die Zentrifugalkraft auseinanderfliegt?
Das Ganze ist im Wesentlichen statisch, mit Ausnahme der Pellets. Spulen sind mit dem Rohr verbunden. Das Gewicht der Röhre würde etwas Spannung zu der Gleichung beitragen, die in die Mathematik einfließt, wie viel Kraft auf jede Spule anzuwenden ist. Auch muss das Rohr nicht lasttragend sein – es muss nur den Pelletstrom im Vakuum halten. Solange die Elemente irgendwie mit den Spulen verbunden sind, sollte das Design funktionieren.
Die Spulen können die Pellets nur entlang des Rohrs beschleunigen, dies würde ein Drehmoment auf den gesamten Ring um die Mittelachse ausüben. Ich sehe nicht, wie das hilft.
Die Pellets sind siderisch stationär und der Ring dreht sich um sie herum, das Gewicht der Pellets (in Sterngravitation) drückt den Ring zusammen.

Heliumballon.

Dein Schema sollte funktionieren. Die aktive Stützstruktur wird so gedreht, wie Sie es sagen, so dass sich Schwerkraft und Zentrifugalkraft mit Standard-Ringworld-Einstellungsdüsen aufheben. Wir füllen ihn mit flüssigem Helium-4 (dem üblichen Isotop) bei 2K, also einer Superflüssigkeit ohne Viskosität. Darin errichten wir eine ringförmige Umgebung ohne Auftrieb. Egal wie schnell es gedreht wird, sein Gewicht ist das gleiche wie das von Helium (abgesehen von relativistischen Massenüberlegungen, aber wir haben ein Ballastsystem, um die Dinge genau einzustellen).

Dies sollte mit der aktuellen Technologie und ohne exotische Materialien möglich sein, außer denen, die erforderlich sind, um zu verhindern, dass sich der Ringworld-Zylinder unter einer Last von 1 g verbiegt / bricht. (Versuchen Sie das Helium nicht zu überhitzen, denn dann würde es ... einen Massenstrom geben)

Eine Ringwelt braucht kein zentrales Objekt; Tatsächlich ist ein zentrales Objekt ein Problem, da eine Ringwelt nicht stabil gegenüber einem zentralen Objekt ist.

Andererseits könnte eine Ringwelt mit einem 24-Stunden-Zeitraum (und ohne zentrales Objekt) aus vorhandenen Materialien gebaut und an einem geeigneten L₄- oder L₅-Punkt (oder einer anderen stabilen Umlaufbahn) platziert werden. Je nach Ausrichtung wären die Jahreszeiten ungerade.

Wie @GOATNine sagte, gibt es keine gute Antwort, da wir in Zukunft einige coole Sachen finden könnten.

Aber das gleiche Argument wurde mit FTL vorgebracht, dass "vielleicht in der Zukunft möglich ist". Und wie bei FTL würde ich sagen, dass Strukturen dieser Größenordnung unmöglich sind.

Es ist irgendwie verrückt zu glauben, dass so etwas, selbst wenn man es bauen könnte, auch nur einen Tag Betrieb überstehen würde. Ganz zu schweigen davon, dass man Dinge erfinden muss, nur um es irgendwie möglich zu machen.

Das Hauptproblem, das ich sehe, ist nur die Menge an Kraft, die auf dem Ring ruht. Es ist ganz einfach und wir brauchen nicht einmal ausgefallene Gleichungen, man kann nichts so lange ohne Stützen bauen.

Hier kommt natürlich Ihre tatkräftige Unterstützung ins Spiel, die das Problem aber nicht wirklich löst. Das Beste, was ich vielleicht sehen kann, ist eine metrische Menge anderer Ringe, die sich jeweils etwas langsamer drehen, bis entweder die Schwerkraft oder die Anzahl der Ringe das Problem lösen. In gewissem Sinne würden Sie also ein paar 100 Ringe oder so haben, die aufeinander ruhen. Obwohl die meisten Otterringe wahrscheinlich massiver wären als der Stern selbst.

Aber selbst dieser mehrschichtige Ansatz wird in keinem realistischen Szenario funktionieren. Ich meine, es könnte wahrscheinlich funktionieren, wenn die äußersten Ringe einen Durchmesser von 10.000 km haben und massiver als ein Schwarzes Loch wären.

Am Ende könnte es also, wie bei allem, einen Weg geben, aber es ist einer dieser „das geht wirklich nicht“-Wege.

Wenn Sie auf einem anderen Knoten eine Geschichte schreiben und wirklich eine Ringwelt wollen, erfinden Sie einfach Material, das dies unterstützen kann. Wenn Sie versuchen, es realistisch zu machen, werden die Leute sauer. Niemand wird ein Auge zudrücken, wenn Sie sagen „Di-Calinium ist ein Metamaterial mit der Eigenschaft, dass seine Zugfestigkeit zunimmt, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt“. Macht das Sinn? Nein, aber es ist besser, als zu versuchen, etwas zu erzwingen, das funktionieren kann.

Haben Sie unterstützende Beweise? Dies sieht nach einer weniger wissenschaftlich fundierten Antwort aus. Ich habe verstanden, dass aktive Stützstrukturen mit bekannter Physik und Materialwissenschaft mehr oder weniger erreichbar sind. Stellen Sie sich eine lange Kupfermasse vor, die in einer magnetischen Sicherheitsstruktur mit viel größerer als der Umlaufgeschwindigkeit herumgeschleudert wird. Die Trägheit des Behälters wäre großartig, damit Sie viel Masse darauf ablegen können. Durch geschickte Manipulation der umlaufenden Masse könnten Sie den Magnetbehälter vielleicht auf Geschwindigkeit drehen und so die Schwerkraft simulieren. youtu.be/LMbI6sk-62E
Warum genau löst mein aktiver Support das Problem nicht? Wie ich es sehe, ist der aktive Unterstützungsmechanismus eine ziemlich einfache Anwendung des Orbitalmechanismus und des dritten Newtonschen Gesetzes. Würden Sie erklären, warum das Ihrer Meinung nach nicht funktionieren könnte?
Es ist irgendwie sinnlos zu streiten, da Sie die Idee eindeutig verwenden wollen. Welche Beweise wollen Sie? Es gibt kein Material, das so stark ist, es gibt keine Möglichkeit, so etwas zu bauen, und es hat keinen Sinn, es zu tun. Ich meine, ich habe eine große, lange Antwort mit schickem Mathe geschrieben, aber wirklich, was würde es ändern?
@ErikHall Das gesamte Konzept hängt im Wesentlichen davon ab, wie gut Sie das superumlaufende Filament magnetisch steuern können. Kleinen Änderungen, z. B. ein Andocken/Aussteigen eines Raumfahrzeugs an die Überstruktur, wird durch diese magnetischen Stabilisatoren aktiv entgegengewirkt, daher eine "aktive" Unterstützung. Wir haben mehr oder weniger die Materialwissenschaft für so etwas, nur nicht die Raumfahrtindustrie oder -wirtschaft. Keine neue Wissenschaft erforderlich.
Ich glaube kaum, dass du es warst, aber jemand hat gestern viele meiner Sachen runtergevotet xD Wie ok, das macht mich plötzlich falsch, aber ok. Zurück zu dir. Auch wenn ich sage, dass es nicht möglich ist, bedeutet das nicht, dass es theoretisch unmöglich ist. Nur dass niemand es auch nur versuchen wird, da es viel zu instabil ist.
@ErikHall nee, war ich nicht. Normalerweise stimme ich nicht ab. Wirklich nur bei absichtlich böswilligen Dingen. Ich denke, Sie geben dem Problem der Instabilität mehr Gewicht, als es eigentlich wert ist. Sich drehende Objekte wirken gyroskopisch. Diese ganze sich drehende Masse hat eine ziemliche Trägheit, um auf Kurs zu bleiben. Wenn es sich um Pellets handelt, wie in @ Ashs Antwort, sollte die Kurskorrektur einfacher sein, da Sie es mit lokalen Instabilitäten zu tun haben. Wenn wir stattdessen mit einem langen Metallfilament arbeiten, sollten Sie auch problemlos Korrekturen an Abschnitten des Drahts vornehmen können.
Solange die Korrekturen am Metall schneller als die Schallgeschwindigkeit in diesem Material vorgenommen werden können, können sich Instabilitäten nicht sehr weit ausbreiten. Magnetische Eindämmung könnte genau das tun.
Ich würde zustimmen, dass die Idee, in naher Zukunft einen zu bauen, jedoch viel zu unglaubwürdig ist. Wir müssten ganze Schulen für technische Vorplanung und Methodik erfinden. Ganz zu schweigen von einer Raumfahrtindustrie, die so groß ist, dass ein solches Projekt nur einen kleinen Prozentsatz des „BIP“ ausmachen würde. Ich würde es mindestens 500 Jahre verschieben.
@Eric Hall für den relativ alten Beitrag, aktiv unterstützt ein ziemlich einfaches Konzept. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Schlauch, der in sich selbst verschlungen ist, wobei eine Pumpe von einer Seite zur anderen drückt. Es versteift richtig? Der Akt ist halbstarr, und wenn Sie ihn schneller pumpen und der Schlauch aus verschiedenen Materialien besteht, wäre er vermutlich starr, richtig. Tauschen Sie nun diesen Schlauch gegen magnetisch eingeschlossenen Staub aus, der sich mit einem hohen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Es stimmt, dass c endlich ist, aber der Staub kann jede endliche Menge an Energie enthalten und so kann bei gegebener Leistung jede endliche Massenlast in Bezug auf die strukturelle Unterstützung gehalten werden

Ja, aber es wäre tödlich

Aktive Stützringe, die sich nicht im Orbit befinden, können über schwarzen Löchern aufgehängt werden, wie es von einer Menge exotisch-harter Science-Fiction behauptet wird.

Also ja

Davon abgesehen wäre so etwas nicht besonders sicher. In Anbetracht der Größe des Orbitals einer Bank würden sich solche magnetisch eingeschlossenen Pellets und Staub mit einem nicht zu vernachlässigenden Bruchteil der Kausalität bewegen und daher eine beschissene Energie tragen. Wenn die magnetische Eindämmung brach, haben Sie am Ende eine Railgun in Ihrem Habitat, zusätzlich zu einem Mangel an Unterstützung. Huch. Ganz zu schweigen von der erforderlichen Leistung, was bedeutet, dass Sie wahrscheinlich mit etwas Passivem besser dran wären, wie z. B. Sonnenkollektoren im Orbit um einen Stern.

Oder mit anderen Worten, ja, aber eine solche Struktur wäre tödlich, selbst mit einer gewissen Redundanz.

Hier ist eine Option, die (Spoiler) nicht funktioniert:

  1. Baue einen supraleitenden Ringkern.
  2. Fügen Sie langsam Strom hinzu und beginnen Sie, ihn zu drehen.

Das Beste, was wir tun können, ist ein Magnetfeld von ~10T. Mal sehen, wie weit uns das bringt.

Der Druck entspricht B^2/2μ0 oder ~40 MPa . Wie sieht das im Vergleich zu banalen Lösungen aus?

Antwort: schrecklich. Die Zugfestigkeit von Kohlenstoffnanoröhren liegt im Bereich von 10–100 GPa .

Hier ist eine Option, die alltägliche Materialien übertrifft, aber immer noch nicht stark genug ist.

Stellen Sie sich eine gestapelte Reihe dünner Platten mit wechselnder elektrischer Ladung vor. Nehmen Sie nun einen solchen Stapel und biegen Sie ihn zu einem großen Ring.

Die Kraft zwischen den Platten eines Kondensators ist

k ϵ 0 A ( v D ) 2
. Also der Druck ist dann
k ϵ 0 ( v D ) 2
.

Betrachten Sie nun CCTO- Keramik . Es wurde mit einer Dielektrizitätskonstante von bis zu 10^5 und einer Durchbruchspannung von 2,38 GV/m hergestellt. (Zugegeben, noch nicht beides auf einmal.)

Dies entspricht einem entsprechenden maximalen Druck von ~5 TPa. (Ich würde diese Zahl mit einem Körnchen Salz nehmen - das ist groß genug, dass diese Annäherungen zurückkommen , um uns zu beißen.)

Wie sieht das im Vergleich zu banalen Lösungen aus?

Antwort: ganz gut. Die Zugfestigkeit von Kohlenstoffnanoröhren liegt im Bereich von 10–100 GPa .

CCTO-Keramik hat eine Dichte von ~4,8 g/cm^3. Stress auf einem dünnen rotierenden Reifen erzeugen G Beschleunigung ist T = ρ G R , oder R ≤ T ρ G . Für 1g entspricht dies einem Radius von ~ 10^8m . Immer noch nicht annähernd genug für eine Ringwelt, aber zumindest besser als Maundane-Materialien.

(Trotzdem würden Sie am Ende ziemlich viel Energie benötigen, um sicherzustellen, dass die Kondensatoren aufgeladen bleiben, und ein einziger Kurzschluss könnte dazu führen, dass die gesamte Megastruktur zusammenbricht ...)

Können Ringwelten mit aktiver Unterstützung gebaut werden?
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