1) Niemand hat einen Ionenmotor gebaut, der von der Erde abheben kann. Ihr System könnte funktionieren, um von einem Ort wie Phobos abzuheben, aber nicht größer. (Und selbst dort würde es nicht sehr gut funktionieren.)

2) Die stärksten Drähte da draußen bringen Sie nicht weiter als bis in die Stratosphäre, bevor sie unter ihrem eigenen Gewicht brechen. Wenn Sie die stärksten Kabel haben, die wir bauen können, um die Drähte zu stützen, können wir in den Weltraum gelangen - aber dorthin zu gelangen ist einfach, verglichen mit dem Aufbau der Geschwindigkeit, um in den Orbit zu gelangen.

Laserantrieb könnte eine bessere Option sein, wenn unbegrenzte Leistung und imaginäre Technologie verfügbar wären.

Das heißt, ein landgestützter, bodenbetriebener Laser wird auf die Basis der Rakete gerichtet, und die Wärme des Lasers liefert die Energie zum Erhitzen des Treibmittels, das erschöpft ist, um Schub zu erzeugen.

Natürlich wurde dies noch nicht ernsthaft demonstriert, aber es gibt kleine Projekte, die darüber nachdenken.

Es gibt Probleme beim Bau von ausreichend starken Lasern, die über die Zeitdauer eines Raketenflugs genau genug zielen können. Obere Stufen werden natürlich immer noch benötigt, da die erste Stufe KÖNNTE lange genug in Sichtweite bleiben, um zu funktionieren, aber die oberen Stufen werden ziemlich schnell außer Sichtweite sein.

In letzter Zeit beschäftige ich mich auch mit diesem Ansatz. Es scheint, dass Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Fasern aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit und hohen Festigkeit in naher Zukunft eine vielversprechende Option für den „Raketenstart per Kabel“ sein könnten.

--------- Hier sind einige Ideen und Berechnungen ----------

Betrachten Sie das elektrische Kabel aus Carbon Nanotube-Fasern mit Durchmesser$1mm$und Länge$600km$, die einen Weltraumstart zur Internationalen Raumstation (Orbit$408 km$, Geschwindigkeit$7.7066 km/s$). https://en.wikipedia.org/wiki/International_Space_Station

Das Gewicht des Kabels wird sein$π (0.5 mm)^2 (600 km) (2100 kg/m^3) = 989.6 kg$, wo$2100 kg/m^3$ist die Dichte von Graphit.

Wickeln Sie das Kabel auf und legen Sie es auf die Rakete, wobei ein Ende mit dem Boden der Stromversorgung verbunden ist, und lassen Sie das Kabel während des Starts allmählich von der Rakete fallen (lösen), sodass die relative Geschwindigkeit des Kabels während des Loslassens Null zum Boden ist.

Nun die Berechnung für die benötigte Leistung .

Angenommen, das Gesamtgewicht der Rakete ist$10,000kg$, mit Umlaufgeschwindigkeit$7.7066 km/s$und Beschleunigung von$3 g$, die Kraft, die benötigt wird, um die Rakete beim Start zu beschleunigen, ist$10,000kg \times 4 g \times 7.7066 km/s = 3.018 GW$.

Dies ist notwendigerweise die maximale Leistung, da, wenn die Rakete eine große Höhe erreicht, ihr Gewicht (allmählich) abnimmt und die Beschleunigung viel kleiner als 3 g ist.

Mal sehen, ob die Kohlenstoff-Nanoröhrchen diese Leistung leisten können. Erwägen Sie die Verwendung von Wechselstrom mit Spannung$1000kV$, was in der Realität bereits möglich ist. https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power_transmission#Advantage_of_high-voltage_power_transmission

Wir brauchen das Kabel, um elektrischen Strom zu halten$3.018 GW / 1000kV = 3018A$.

Die Stromtragfähigkeit eines einzelnen CNT ist$10^9 A/cm^2$, was dem Maximum entspricht$2,500,000A$für unser Kabel (1mm Durchmesser) ausreichend. Während in der Praxis die getestete CNT-Faser nur nachgibt$10^5 A/cm^2$, aber mit CNT-Kupfer-Verbund kann es sein$10^7 A/cm^2$. (Daten aus "High Ampacity Carbon Nanotube Materials" https://pdfs.semanticscholar.org/4831/a85d7d32e170ab0eb3639da68aa5ed2de03c.pdf )

Darüber hinaus kann der Kabeldurchmesser so ausgelegt werden, dass je näher am Boden, desto größer der Durchmesser. Dann um ca$30km$Höhe, könnten wir ein Gerät (Tropfen von der Rakete) in den Draht einfügen, um die Spannung umzuwandeln$10MV$oder noch größer für das verbleibende Kabel. Hochspannung für große Höhen könnte eine Option in Bezug auf das Luftdurchschlagsfeld sein ($3 MV/m$).

Hier sind einige mögliche Probleme.

i) Die Hitze am Draht könnte ein Problem sein. Der Leitungswiderstand der Nanoröhre beträgt 1,0 × 10 –8 Ωm, was bei unserem Kabel (0,5 mm Durchmesser) 0,04 Ωm entspricht. Dann ist die Wärme auf 1 Meter Draht in einer Sekunde (3018A) ^ 2 * 0,04 Ω = 364 KJ, ohne Berücksichtigung der 'kapazitiven Reaktanz'. Meine Berechnung ist möglicherweise nicht korrekt.

ii) Das Kabel in der Luft könnte brechen (möglicherweise durch Wind). Da das Kabel nur einen Durchmesser von 1 mm hat, scheint es nicht stark zu sein, selbst ein starker Wind könnte es brechen. Das freigesetzte Kabel in der Luft wird mit der Zeit abfallen (möglicherweise nicht das Hauptproblem aufgrund des Luftwiderstands und des dünnen Kabels), was bedeutet, dass wir mehr Kabel als die tatsächliche Höhe abwerfen müssen.$600km$der Kabellänge für den Orbit$400km$Start ist nur eine Schätzung, während es von vielen Faktoren abhängt, wie lang das Kabel sein sollte. Außerdem brauchen wir ein zusätzliches Gerät, um das Kabel nach dem Start zu holen, vielleicht können wir einen batteriebetriebenen Motor verwenden, um das Kabel zu holen.

iii) Fallgeschwindigkeit des Kabels von der Rakete (relativ zur Rakete) ist zu hoch,$7.7066 km/s$. Vielleicht reduzieren einige Tricks, das Kabel intelligenter aufzuwickeln, die Fallgeschwindigkeit und die Schwungradtechnologie könnte angewendet werden.

iv) Elektromotor zum Antreiben der Rakete. Schließlich besteht die größte Herausforderung meiner Meinung nach darin, einen leichten, leistungsstarken Motor zu bauen, um die Rakete mit dem Strom aus dem Kabel anzutreiben, insbesondere in großer Höhe, wo die Luftdichte gering ist. Dies könnte gelöst werden, indem ein zweistufiger Raketenstart in Betracht gezogen wird, während der Kabelansatz nur für die erste Stufe vorgesehen ist, und Wasserstoffbrennstoff für die zweite Stufe verwendet wird. Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, die Luft während des Starts zu komprimieren und die komprimierte Luft mithilfe von Elektrizität auf hohe Geschwindigkeit in großer Höhe zu beschleunigen. Auch könnte der Sauerstoff aus der Luft gesammelt werden, wenn eine zweistufige Rakete eingesetzt wird. Etwas mehr Diskussion könnte von Interesse sein.

v) Die Wolke bei$10km$könnte ein Problem sein. In feuchter Luft,$1000KV$Spannung wird (könnte) zusammenbrechen. Ein zusätzliches Gerät über der Wolke zur Übertragung der Spannung kann eine Option sein. Vom Boden bis zur Wolke, bewerben Sie sich$100kV$Spannung, aber mit größerem Strom, daher dickeres Kabel.

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Ohmwärme wird korrigiert, und jetzt ist es so$364KWm$, was bei Kabeln mit 0,5 mm Durchmesser nicht möglich ist. Die Lösung könnte darin bestehen, die Spannung von zu erhöhen$1000KV$zu$20MV$und damit sinkt der Strom ab$3018A$zu$150.9A$, daher wird die neue Hitze sein$910Wm$.

vi) Es ist eine Herausforderung, Energie mit nur einem einzigen Draht zu übertragen. https://en.wikipedia.org/wiki/Single-wire_transmission_line Von Teslas Erfindung ist das Prinzip dahinter, dass die Rakete als Kondensator fungieren könnte, während dies nicht möglich ist, wenn die Rakete eine große Höhe erreicht. Auch der Kondensator des Kabels in der Luft kann dieses Prinzip beeinträchtigen.