Bei einer Rakete muss man den Treibstoff mit sich führen. Sie treiben nicht nur die Masse der Nutzlast an, sondern auch die Masse des Kraftstoffs. Die Installation eines Weltraumaufzugs ist ein einmaliges Ereignis, das dann verwendet werden kann, um Nutzlasten auf unbestimmte Zeit anzutreiben. Sie müssen den Treibstoff nicht mehr tragen, um in den Orbit zu gelangen.

Zusätzlich dazu, dass kein Kraftstoff benötigt wird:

1. Eine Rakete muss auf Umlaufgeschwindigkeit beschleunigen. Das kostet viel Energie. Ein Weltraumaufzug kann mit einer niedrigen, konstanten vertikalen Geschwindigkeit steigen (wenn auch für einen sehr langen Aufstieg) und erhält seine Umlaufgeschwindigkeit fast kostenlos von der Erdrotation (siehe Tom Spilkers Antwort für weitaus mehr Details dazu).

2. Da eine Rakete auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, geht ein Teil der Energie als Luftwiderstand verloren. Ein weiterer Bruchteil der Energie geht als Gravitationsverlust verloren.

3. Ein Aufzug ist leicht wiederverwendbar. Vollständig wiederverwendbare Raketen gibt es noch nicht.

Hier ist ein einfacher Grund:

Der größte Teil des Treibstoffs der Rakete wird nur verwendet, um den Rest des Treibstoffs zu schieben!

Es klingt seltsam für diejenigen, die mit der Rocket-Gleichung nicht vertraut sind . Die Realität ist, wenn wir beschleunigen wollen, indem wir etwas hinter uns erschöpfen, dann haben wir ein Problem, wenn die Geschwindigkeit, die wir erreichen müssen (8 km/s Umlaufgeschwindigkeit), größer ist als die Auspuffgeschwindigkeit (3-5 km/s). In diesem Fall wächst die verbrauchte Treibmittelmenge exponentiell. Aus diesem Grund beträgt die Nutzlast einer Rakete nicht mehr als 3-5% der gesamten Raketenmasse und etwa 90% sind Treibstoff (+Oxidationsmittel).

Chemische Raketen sind ziemlich ineffizient, wenn sie zum Fliegen in den Weltraum verwendet werden. Aber sie sind das einzige funktionierende Zeug, das wir jetzt haben.

Bei einem hypothetischen Orbitalauftrieb bräuchten wir keinen Treibstoff, um den Resttreibstoff zu schieben.

Es läuft auf die Effizienz der Energieumwandlung und die Kosten der Technologien hinaus, die die Umwandlungen durchführen.

Wenn Sie eine bestimmte Masse auf der Erdoberfläche haben, die Sie in einer geostationären Umlaufbahn haben möchten, müssen Sie sie auf den geostationären Radius (oder die Höhe, wenn Sie es vorziehen, in diesen Begriffen zu denken) anheben und auf die Geschwindigkeit der geostationären Umlaufbahn beschleunigen. Beide benötigen Energie, eine genau festgelegte Menge pro Kilogramm Masse, die Sie loften, ~ 5,3 x 10$^7$Joule pro Kilogramm für das Anheben auf den GEO-Radius und ~4,7 x 10$^7$Joule pro Kilogramm für die orbitale kinetische Energie. (Dies ist ein Schalter von LEO. Bei LEO ist die kinetische Energie viel größer als die Energie des Dachbodens. Bei GEO ist die Energie des Dachbodens größer als die kinetische Energie.) Das ist die grundlegende Rolle sowohl einer Rakete als auch eines Aufzugs: Liefern der Energie zum Anheben die Masse an ihre gewünschte Position im Gravitationsfeld der Erde bringen und die Energie liefern, um sie mit Umlaufgeschwindigkeit in Bewegung zu bringen. Der Rest sind "Implementierungsdetails".

Aber wie heißt es so schön: „Der Teufel steckt im Detail“.

Angesichts der gesamten chemischen Energie in den Treibmitteln einer Rakete übertragen Raketentriebwerke einen Bruchteil dieser Energie auf das Fahrzeug und einen sehr kleinen Bruchteil dieser Energie auf die Nutzlast. Der genaue Anteil hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. dem endgültigen ∆V im Vergleich zur Austrittsgeschwindigkeit der Treibmittel (spezifischer Impuls multipliziert mit der Erdbeschleunigung), ∆V für jede Stufe (falls gestaffelt) in Bezug auf die Austrittsgeschwindigkeit, Druckkontrast zwischen der Düsenausgang und die Umgebung – viele Dinge. Aber eine typische gute Leistung liegt bei etwa 10 % der gesamten verfügbaren Energie, die auf das gesamte Fahrzeug übertragen wird(inklusive Nutzlast), nicht nur die Nutzlast. Der auf die Nutzlast übertragene Anteil ist noch viel kleiner. Die auf das Fahrzeug selbst übertragene Energie (nicht die Nutzlast) ist im Wesentlichen verschwendet. Es beschleunigt die gesamte Hardware, die für die Energieumwandlung erforderlich ist (dh Motoren, Tanks, Pumpen, Zuleitungen, Avionik usw.) und zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Schubs den gesamten verbleibenden Treibstoff. Bis vor kurzem wurde all diese Masse entweder zu hochenergetischem Schrott, der auf die Erdoberfläche fällt, zu hochenergetischem Schrott im Orbit oder zu hochentropischen Gasen in der Erdatmosphäre. Irgendwo hat jemand bezahlt– viel! – für all die Energie, die jetzt als Wärme abgegeben wird, und all die Raketenhardware, die die chemische Energie in andere Formen umgewandelt hat. Wiederverwendbare Raketenstufen verändern dort das Gleichgewicht, aber selbst das ist mit Kosten verbunden, wie z. B. der Notwendigkeit, zusätzlichen Treibstoff für eine Landung mitzuführen.

Unter Verwendung eines Aufzugs kann ein "Auto", das den Aufzug hinauffährt, Elektrizität verwenden , um die Energie zu liefern, um zum geostationären Radius zu gelangen, und diese Energie kann aus bodengestützten oder in-situ-Quellen (z. B. Solar) stammen.

Um die für die Umlaufgeschwindigkeit benötigte Energie zu erhalten, stiehlt es Energie aus dem Aufzugskabel.

Das gibt es nicht umsonst!! Dazu später mehr.

Aktuelle bodengestützte Stromquellen können chemische Energie aus Kohle, Erdgas usw. mit einem Wirkungsgrad von über 30 % umwandeln. Keiner der Brennstoffe, Oxidationsmittel (die fast kostenlos sind: wir gewinnen sie aus der Umgebungsluft) oder Hardware für die Energieumwandlung muss aufgeladen werden. Keine der beteiligten Hardware, die für eine bestimmte Nutzlast viel leichter ist als die erforderliche Raketenhardware, wird zu hochenergetischem Müll! Der Loft-Teil der Energie, mehr als die Hälfte der Gesamtenergie, hat also eine viel höhere Effizienz als bei einer Rakete.

Viele Leute gehen davon aus, dass Sie die orbitale kinetische Energie aus derselben Quelle beziehen können. In diesem Fall würde die kinetische Energie viel effizienter von einem elektrischen System für den Aufzug geliefert als von einer Rakete.

Aber die Hardware, die die Nutzlast horizontal (senkrecht zur lokalen Vertikalen) beschleunigt, ist nicht der Antriebsmotor und der Antriebsstrang an der Aufzugskabine. Es ist das massive Aufzugskabel selbst. Je höher Sie auf dem Kabel kommen, desto schneller dreht es sich zusammen mit der Erde. An der Erdoberfläche bewegt sich die Nutzlast mit etwa 450 m/s. Bei GEO muss es sich wie das Kabel ~3100 m/s bewegen. Wenn Sie das Kabel hinaufgehen, ist die lokale horizontale Geschwindigkeit des Kabels proportional zum Radius vom Erdmittelpunkt. Wenn sich das Auto das Kabel hinaufbewegt, drückt das Kabel es sanft in Richtung der Umlaufgeschwindigkeit und fügt dem Auto allmählich horizontale kinetische Energie hinzu. Aber dann drückt auch noch das Auto auf das Kabel, und das hat Folgen.

Wenn Sie einen relativ kleinen Raketenmotor (oder ein anderes Mittel zum Aufbringen einer horizontalen Kraft) auf das Auto setzen, können Sie die horizontale Nettokraft auf das Kabel auf Null bringen. Dies würde alle Effekte aufheben, die ich gleich besprechen werde. Bei Verwendung eines Raketentriebwerks müssten Sie jedoch genügend Treibstoff für ein ∆V von ~ 2,7 km / s mitführen (nicht trivial!), Und jetzt verwenden Sie wieder einen Raketenantrieb für fast die Hälfte der benötigten Energie. Gehen Sie vorerst davon aus, dass kein solches System im Auto vorhanden ist.

Die Folgen: Die Bewegungsenergie, die das Auto erhält, wird dem Kabel entzogen. Das Auto verlangsamt es – immer nur ein bisschen, aber über einen langen Zeitraum, die Zeit, die das Auto braucht, um zu GEO zu gelangen. Dies verleiht dem Kabel eine nicht radiale Schwingung. Die Schwingung verhält sich nicht so, als ob das Kabel ein starrer Stab wäre. Lokale Verschiebungen, die durch das sich vertikal bewegende Auto verursacht werden, breiten sich als Wellen auf den Rest des Kabels aus, ähnlich wie das Zupfen einer Gitarren- oder Klaviersaite. Schließlich wird das Kabel von seinem Ankerpunkt leicht nach Westen geneigt und nicht gerade aufgewickelt: Es wird ein wenig "wackeln". Ein Teil der kinetischen Energie des Kabels und ein Teil der Energie des fahrenden Autos wurden von der Energie der Translationsbewegung in die Energie der Vibration umgewandelt.

Die nicht vertikale Ausrichtung ist nicht stabil. Das Kabel, das Gegengewicht und alles, was damit verbunden ist, wird versuchen, diese vertikale Ausrichtung wiederzuerlangen. Dazu muss alles nach Osten beschleunigt werden. Das Beschleunigen erfordert Energie. Woher soll diese Energie kommen?

Rotationsenergie der Erde!

Wenn das Kabel leicht nach Westen geneigt ist, zeigt der Zugkraftvektor am Kabel hauptsächlich nach unten, aber leicht nach Osten. Wenn die Kraft auf das Kabel eine Ostkomponente hat, dann hat die gleiche und entgegengesetzte Kraft am Befestigungspunkt auf der Erde eine Westkomponente, die der Erdrotation entgegengesetzt ist. Die Erde beschleunigt das Kabel, und das Kabel verlangsamt die Rotation der Erde um einen winzigen Betrag.

Das Kabel wird nicht wesentlich absinken (durchhängen), weil das Gegengewicht irgendwo hinter GEO genug Spannung auf das Kabel ausübt, dass es niemals vollständig durchhängen wird, es sei denn, ein Idiot versucht, ein Auto und eine Nutzlast anzuziehen, deren Gewicht größer ist als die Spannung Kraft auf das Kabel. (Nebenbei: Da sich horizontale Bewegungen, dh Differenzbewegungen in Bezug auf die ideale radiale Position, durch Coriolis-Kräfte in relativ kleine vertikale Kräfte koppeln, gibt es lokale Änderungen der Zugspannung, die kleine vertikale Bewegungen zulassen. Auch kleine Verschiebungen aus die vertikale Position führt zu kleinen Verschiebungen nach unten in der Schwerkraft der Erde; für horizontale Verschiebungen nach Westen oder Osten führen diese Abwärtsbewegungen zu kleinen Kräften in östlicher Richtung,

Das Kabel wird diesen horizontalen Beschleunigungskräften den ganzen Weg zurück in seine vertikale (und wackelnde!) Position ausgesetzt. Was bedeutet, dass es dabei nicht bleiben wird. Wie ein einfacher harmonischer Oszillator setzt er sich über diesen Gleichgewichtspunkt hinaus fort und neigt sich nach Osten , stoppt schließlich und tritt in die Umkehrung des nach Westen geneigten Erholungsprozesses ein. Es ist wie ein umgedrehtes Pendel! Ohne dissipative Prozesse (Reibung, Biegeerwärmung usw.) würde diese Schwingung unbegrenzt weitergehen. In einem echten Aufzugssystem sind dissipative Prozesse am Werk, sodass das Kabel schließlich in eine statische vertikale Position zurückkehren würde.

Ja. Je nach Kabelmaterial in Jahren oder Jahrzehnten oder sogar noch länger. Wenn Sie Autos häufig und wohl oder übel auf und ab schicken, ohne auf das Timing oder die Auf- und Abstiegsprofile zu achten, können sich die durch diese Bewegungen angeregten Vibrationen und Schwankungen bis zu dem Punkt summieren, an dem sie das Kabel überlasten. Eine Überbeanspruchung des Kabels ist natürlich deutlich suboptimal.

Wie stoppt man das Schwanken in viel kürzerer Zeit?

Es müssen äußere Kräfte auf das Kabel ausgeübt werden!

Diese externen Kräfte können zumindest teilweise von der Aufzugskabine kommen, wenn sie wieder nach unten fährt. Wenn das Auto die gleiche Masse trägt wie beim Hochfahren, gibt es ein vertikales Geschwindigkeitsprofil, das das Schwanken und sogar die Vibration aufhebt. Das bedeutet nicht, dass dieses theoretische Geschwindigkeitsprofil praktisch ist. Es kann gelegentlich zu Geschwindigkeiten kommen, die höher sind, als die Autotechnologie bewältigen könnte. Dies kann häufige Verlangsamungen, sogar Rückwärtsfahrten , und erneute Beschleunigungen beinhalten, wodurch die Abwärtsfahrt möglicherweise länger als wünschenswert wird. Wenn das optimale Profil nicht implementiert werden kann, führt der Hin- und Rückweg dazu, dass das Kabel entweder schwankt oder vibriert oder (höchstwahrscheinlich) beides.

Wenn die Masse des absteigenden Autos anders ist als die der Aufwärtsfahrt, dann gibt es keinen Zweifel: Es wird ein Restschwanken und Wackeln von der Fahrt geben.

Das richtige Timing und Profilieren der Aufwärtsfahrt eines anderen Autos könnte auch einen Teil des Schwankens und der Vibration dämpfen.

Wie heben Sie verbleibende Schwankungen und Vibrationen auf?

Auch hier müssen Sie äußere Kräfte auf das Kabel aufbringen.

Wenn sich das Kabel der (vertikalen) Gleichgewichtsposition nähert, müssen Sie seine horizontale Geschwindigkeit in Bezug auf diese Position verlangsamen, sodass Sie eine Kraft in der seiner Bewegung entgegengesetzten Richtung aufbringen müssen. Dies funktioniert sowohl für Schwankungen als auch für Vibrationen. Aber man muss sehr vorsichtig sein mit der Kombination, wo und wann man die Kräfte anwendet. Wenn Sie „Bang-Bang“-Kräfte anwenden ( Bang-Bang- Steuerung bedeutet, dass die Steuerkraft entweder aus oder zu 100 % an ist, nichts dazwischen), beispielsweise an der GEO-Position, werden Sie Wellen auslösen, die sich sowohl nach oben als auch nach unten im Kabel bewegen Von diesem Punkt an regen Sie Schwingungen mit höheren Frequenzen sogar noch mehr an, obwohl Sie möglicherweise Schwingungen mit niedrigeren Frequenzen dämpfen.

Sie könnten die Kräfte zwar am GEO-Punkt aufbringen, aber nicht bang-bang. Sie müssen mit einem Profil aufgebracht werden, das die Summe aller Bewegungen aufgrund von Vibrationen, Wanderwellen und Schwankungen dämpft, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auftreten.

Sie könnten die Kräfte mit jedem System aufbringen, das Translationskräfte in einem Vakuum erzeugt. Sie könnten mit den Magnetfeldern oder elektrischen Feldern der Erde interagieren. Dieser Ansatz erfordert elektrische Energie. Da Sie die Richtung des Magnetfelds nicht wählen können, sind Ihre Möglichkeiten für die Richtung der aufgebrachten Kraft mit einem Magnetsystem begrenzt. Da die Translationskraft eines Magnetfelds einen Gradienten in der Feldstärke erfordert und dieser Gradient in der Magnetosphäre der Erde ziemlich klein ist, benötigen Sie vielevon elektrischer Energie. Außerdem können während Magnetstürmen die Richtung und Stärke des Magnetfelds stark variieren, was die Verwendung erschwert. Es gibt einige ähnliche Probleme mit dem lokalen elektrischen Feld (jedoch nicht das Problem des erforderlichen Gradienten), und seine Richtung und Größe sind variabler als die des magnetischen Felds. Beide Ansätze würden viel Strom verbrauchen, und irgendwo muss jemand für diesen Strom bezahlen.

Oder Sie könnten das am häufigsten verwendete Gerät verwenden, um Translationskräfte im Vakuum aufzubringen: den Raketenmotor. Es müsste drosselbar sein (kein Bang-Bang!) oder eine Anordnung vieler Kammern sein, deren kombinierte Arbeitszyklen eine grobe Annäherung an eine kontinuierlich variable Schub-Zeit-Kurve ergeben. Und weil das Schwerkraftfeld der Erde nicht perfekt zylindrisch symmetrisch ist, würden sich Ost-West-Oszillationen schließlich in Nord-Süd-Oszillationen koppeln, sodass Sie Motoren oder Motorcluster benötigen würden, die auf die vier horizontalen Himmelsrichtungen zeigen, nicht nur auf Ost-West. Bei diesem Ansatz müssten die Autos, die ihre Runden drehen, als Teil ihrer Nutzlast Treibmittel für die Raketentriebwerke mitführen. Dies frisst die Nutzlastkapazität eines Autos auf, und irgendwo,

Nettoergebnis: Die orbitale kinetische Energie der Aufzugskabine und der Nutzlast gibt es NICHT zum Nulltarif!

Ein letzter Kostenaspekt: ​​Die Kosten der Technologien zur Erzeugung elektrischer Energie, deren Verteilung dorthin, wo sie gebraucht wird, und der Umwandlung in Bewegungsenergie sind erheblichweniger als die Kosten von Raketentechnologien. Da die Masse für Raketen ein so kritischer Punkt ist, wird viel Geld ausgegeben, um relativ kleine Mengen an Masse von Komponenten zu entfernen. Das bedeutet, dass die Herstellung dieser Komponenten mit geringeren Designspielräumen läuft als bei erdgebundenen Systemen. Das Arbeiten mit kleineren Margen bedeutet präzisere Herstellungsmethoden (die im Allgemeinen teurer sind als weniger präzise Methoden), die Aufmerksamkeit für die Qualitätskontrolle mit der damit verbundenen Zunahme von Inspektionen, Dokumentation usw. und die häufigere Ablehnung eines fertigen Teils oder einer Komponente. All dies macht ein Joule Energie, das von einer Rakete geliefert wird, teurer als eines, das von einem Elektromotor und dem ihn speisenden Kraftwerk geliefert wird.

Das Nettoergebnis ist, dass, sobald Sie einen Weltraumaufzug installiert haben (und, huhu, das ist keine triviale Aufgabe!!), die Kosten für den Orbit pro Kilogramm für das Aufzugssystem erheblich geringer sein sollten als die Kosten für Raketen. Aber wenn Sie die Kabeldynamik betrachten und was Sie tun müssen, um sie zu kontrollieren, werden Sie feststellen, dass der Unterschied wahrscheinlich nicht ganz so groß ist, wie Sie zuerst dachten.

Der Aspekt "mit der Erdrotation herumspielen" macht Sinn, wenn Sie die Erde, den Aufzug, das Auto und die Nutzlast zusammen als ein isoliertes, sich drehendes System betrachten. All das zusammen hat einen bestimmten Drehimpuls, der sich nicht ändert, wenn nicht eine äußere Kraft darauf einwirkt. Die Größe des Drehimpulses ist das Produkt aus Drehrate (Winkelgeschwindigkeit) und Trägheitsmoment. (Eigentlich ist der Drehimpuls ein Vektor, das Produkt aus einem Winkelgeschwindigkeitsvektor und einer Trägheitsmatrix, aber darauf müssen wir hier nicht eingehen!). Wenn Sie eine Masse von der Erdoberfläche zur GEO-Station laufen lassen, erhöhen Sie das Trägheitsmoment des Systems um einen relativ kleinen Bruchteil. Da der Drehimpuls konstant ist, muss die Winkelgeschwindigkeit um denselben winzigen Bruchteil abnehmen. Wenn das Auto wieder herunterkommt, nehme ich an, es

Hmm. Als ich über Schwankungen und Vibrationen nachdachte, fiel mir ein anderes Thema ein, das ich zuvor noch nicht in Betracht gezogen hatte: Wie würden Mondfluten einen Weltraumaufzug beeinflussen? Der Tag hat einfach nicht genug Stunden!

Letztendlich wird ein Aufzug effizienter sein, weil er nicht mit Schwerkraftverlusten fertig werden muss.

Lassen Sie mich Ihnen eine Frage stellen. Was braucht es, damit eine Rakete wie die New Shepard von Blue Origin auf der Stelle schwebt?

Wenn Sie einen ihrer Starts gesehen haben, wissen Sie, dass sie den Motor nicht vollständig abschalten, sondern sie während des Schwebens die ganze Zeit laufen lassen, und selbst wenn Sie keinen ihrer Starts gesehen haben, ist dies die intuitive Antwort. Wenn Sie den Motor vollständig ausschalten, fallen Sie auf die Erde zurück. Dasselbe geschieht während der gesamten Zeit, in der die Rakete in die Umlaufbahn aufsteigt, und wir nennen diese verbrauchte Energie Gravitationsverluste .

Aufgrund von Schwerkraftverlusten kann eine Rakete nicht Tage oder Wochen brauchen, um in die Umlaufbahn zu gelangen, da Sie viel zu viel Treibstoff verbrennen würden, wenn Sie die ganze Zeit "schweben". Aus diesem Grund sind Raketen groß und mächtig, da sie ziemlich schnell in die Umlaufbahn gelangen müssen. In Minuten, nicht Stunden oder Tagen. Das bedeutet, dass sie Motoren verwenden müssen, die diese Eigenschaften erfüllen können. Leistungsstark und leicht. Bei der Geschwindigkeit, mit der Raketen Treibstoff verbrauchen, ist abgestrahlte Energie wirklich nicht praktikabel.

Wir haben viel effizientere Raketentriebwerke, die viel mehr Delta - v (Geschwindigkeitsänderung) für die gleiche Menge Treibstoff erzeugen und mit Strahlkraft arbeiten oder tatsächlich Solarenergie nutzen könnten, aber die Menge an Schub, die sie erzeugen, ist viel zu gering und Sie haben oft ein Schub-Gewichts-Verhältnis von weniger als 1, selbst nur für den Motor, was bedeutet, dass sie sich nicht einmal selbst zum Schweben bringen, geschweige denn eine große Rakete heben können. Diese Arten von Triebwerken werden von Satelliten im Orbit verwendet, um die Station zu halten oder sich in andere Umlaufbahnen zu bewegen.

Ein Weltraumlift, wenn wir einen bauen könnten, eröffnet viele Optionen, um das Gewicht des Treibstoffs von der Nutzlast zu entfernen oder einfach einen langsamen, aber effizienteren Ansatz zu wählen. An einer Leine kann man einfach anhalten und dort hängen bleiben und keine Kraft verbrauchen. Ein einfacher Elektromotor, der Sie am Kabel hochzieht, und Sonnenkollektoren oder Strahlkraft würden funktionieren. Sie brauchen nicht einmal die Solar- oder Strahlenergie, um genügend konstante Energie für den Aufstieg bereitzustellen, da Sie einige Batterien einschließen könnten, damit Sie eine Weile aufladen, ein wenig klettern können, während Sie die Batterien entladen, und dann anhalten, um sie wieder aufzuladen. Selbst wenn Sie einen Motor auf dem Crawler mit einigen Benzintanks hätten, um den Kletterer anzutreiben, würde ich immer noch erwarten, dass er effizienter ist als eine Rakete.

Wie @Evan Steinbrenner in seiner Antwort betont, muss ein angehaltener Weltraumaufzug keine Energie verbrauchen, um der Schwerkraft zu widerstehen. Eine schwebende Rakete muss eine enorme Energiemenge verbrennen, nur um der Schwerkraft zu widerstehen. Der Kletterer benötigt nur genug Energie, um das Kabel nach oben zu bewegen, im Wesentlichen etwas mehr als 1 g Beschleunigung, und kann diese nach Belieben bereitstellen.

Eine Rakete muss nicht nur genug Energie aufwenden, um der Erdanziehung von 1 g entgegenzuwirken, sondern auch genug, um auf eine Umlaufgeschwindigkeit von mindestens 7.400 Metern pro Sekunde zu beschleunigen. 7.400 Meter pro Sekunde ist eine enorm schnelle Geschwindigkeit, alles andere und eine Rakete wird nicht umkreisen. Um auf 7.400 Meter pro Sekunde zu kommen, müssen Sie auch einen Großteil Ihrer Kraftstoffmasse auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Die brutale Tyrannei der Raketengleichung bedeutet, dass der überwiegende Teil des Treibstoffs nur zum Beschleunigen des Treibstoffs benötigt wird, der zum Beschleunigen der Nutzlast benötigt wird.

Schließlich gibt es mehrere Möglichkeiten, den Kletterer anzutreiben, ohne dass er seinen eigenen Kraftstoff mitführen muss. Wenn das Kabel nicht aufgeladen werden kann, ist auch abgestrahlte Leistung eine Sache. Ein Kletterer kann durch Mikrowellenstrahlung vom Boden oder Solarenergie angetrieben werden. Selbst wenn es seinen eigenen Treibstoff und sein eigenes Kraftwerk verwendet, muss es diesen Treibstoff und Motor nicht auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen, wodurch es von der "Tyrannei der Raketengleichung" befreit wird.

Die aktuelle Falcon 9 v5 hat ein Startgewicht von 549.000 kg, um eine Nutzlast von 22.000 kg in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, und ein Treibstoffgewicht von etwa 400.000 kg. Der sehr frühe 1C Merlin, der auf der Falcon 1 verwendet wurde, erzeugte nur 40.000 kg Schub und verbrannte dafür 140 kg Treibstoff pro Sekunde.

Stellen wir uns vor, wir könnten einen 100 km hohen Tankturm bauen, an dessen Spitze ein 100 km langer Schlauch hängt (an einem automatischen Aufroller, der das gesamte Gewicht des Schlauchs trägt). Jetzt benötigen Ihre 22.000 kg Nutzlast nur noch einen einzigen archaischen Merlin 1c, um mit fast 2 G Beschleunigung zu starten. Es wird die Fluchtgeschwindigkeit in etwa 7,5 Minuten erreichen und dabei nur 62.000 kg Treibstoff verbrauchen. Da Sie keinen eigenen Kraftstoff mitführen mussten, reduzierte sich die benötigte Energiemenge um 85 %!

Stellen Sie sich nun vor, Sie müssten die Nutzlast nicht auf 7.400 m/s beschleunigen. Wie viel weniger Energie wird es Ihrer Meinung nach benötigen, um es auf die Spitze Ihres 100-km-Turms zu heben?

Um die obigen Antworten zu ergänzen, können Sie auch Energie abrufen, indem Sie Nutzlasten den Aufzug hinunterschicken.

Ziemlich viele der Antworten erwähnen, dass Raketen das Gewicht des Treibstoffs zusammen mit der üblichen Nutzlast tragen müssen, und das erfordert mehr Energie zum Anheben. Das ist richtig, aber es gibt noch eine andere wichtige Sache zu beachten: Raketentriebwerke sind thermodynamische Triebwerke und in ihrer Effizienz durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt . Auch die idealste Wärmekraftmaschine kann einen Wirkungsgrad von:

wo$T_2$ist die Temperatur der Brennkammer im Inneren der Rakete (hoch) und$T_1$ist die atmosphärische Temperatur (niedrig). Der Motor einer tatsächlichen Rakete ist aufgrund nicht idealer Bedingungen und mehrerer anderer Verluste weit weniger effizient als dieser theoretische Wert.

Im Gegensatz dazu würde ein Weltraumaufzug elektromagnetisch angetrieben werden. Eine Technologie ähnlich Railguns oder Linearmotoren würde verwendet, um Objekte entlang des Aufzugs zu beschleunigen. Hier gibt es keine Umwandlungen von Wärme in Arbeit (und daher keine Notwendigkeit, die Entropie zu bekämpfen), und solche Systeme sind hocheffizient.

Ein weiterer sehr interessanter Vorteil elektromagnetischer Systeme ist: Beim Abbremsen kann Energie zur Quelle zurückgeführt werden. Angenommen, bei Annäherung an die erforderliche Höhe würde eine herkömmliche Rakete Treibstoff verbrennen und ihn in die entgegengesetzte Richtung (vorwärts) ausstoßen, um die Rakete zu verlangsamen, was weiteren Treibstoff und Energie verschwendet. Ein Weltraumaufzug kann regeneratives dynamisches Bremsen verwenden, um die kinetische Energie der Last an die Energiequelle zurückzugeben.

Ein weiterer Faktor, der übersehen wird:

Raketen sind extrem energiereiche Maschinen. Viele Kompromisse müssen eingegangen werden, um die Energiedichte zu erreichen, die erforderlich ist, um eine Rakete überhaupt in die Umlaufbahn zu bringen. Diese Kompromisse gehen im Allgemeinen zu Lasten der Effizienz. (Aus dem Kopf heraus – LH2/LOX-Raketen lassen ihre Triebwerke ziemlich fett laufen, weil sie tatsächlich mehr Schub bekommen, wenn sie viel unverbrannten Treibstoff im Auspuff haben. Dies liegt daran, dass der Schub von der Abgasgeschwindigkeit kommt, nicht von Energie und unverbranntem H2 ist viel leichter als der H2O-Auspuff und bewegt sich daher bei gleichem Energieniveau schneller.)

Es gibt auch das Sicherheitsproblem. Noch einmal, Raketen sind sehr hochenergetische Geräte. Es fehlt einfach die Masse für wirklich gute Sicherheitssysteme. Selbst die besten Vögel machen manchmal Boom, bei bemannten Starts versuchen wir, die Besatzung vom Boom wegzuziehen, aber das ist nicht immer möglich. Wann haben Sie das letzte Mal davon gehört, dass ein Aufzug boomt? Das Schlimmste, was passiert, ist, dass sie stecken bleiben – und das ist ein Kopfschmerz, kein Vorfall mit Besatzungsverlust.

Betrachten wir die potentielle kinetische und Gravitationsenergie eines Satelliten, der auf der Startrampe sitzt, im Vergleich zu einer geostationären Umlaufbahn. Es sollte intuitiv offensichtlich sein, dass es mehr Energie im Orbit hat. Wenn wir also die gesamte Energieänderung berechnen können, können wir eine absolute Mindestgrenze für die Energie festlegen, die erforderlich ist, um in den Orbit zu gelangen, unabhängig davon, welche Methode wir verwenden.

Dann können wir untersuchen, wie wir diese Energie mit einem Weltraumaufzug im Vergleich zu einer Rakete liefern könnten.

Minimaler Energiebedarf

Die gesamte relevante Energie des Satelliten$E$ist die Summe seiner kinetischen Energie$K$und Gravitationspotentialenergie$U$.

Kinetische Energie sollte bekannt sein:

Die potenzielle Energie der Gravitation ist negativ, weil Energie zugeführt werden muss, um sich weiter von der Erde zu entfernen.

Woher:

• $m_s$ist die Masse des Satelliten
• $v_s$ist die Geschwindigkeit des Satelliten
• $\mu$ist der Standard-Gravitationsparameter :$3.986 \times 10^{14}\:\mathrm{m^3 \cdot s^{–2}}$für die Erde
• $r$ist die Entfernung vom Erdmittelpunkt

Der Satellit, der auf der Startrampe am Äquator sitzt, hat eine Geschwindigkeit von 463,2 m/s von der Rotation der Erde. Auf einer geostationären Umlaufbahn beträgt diese Geschwindigkeit 3070 km/s. Aus Gleichung 1 ist die erforderliche Änderung der kinetischen Energie also:

Jetzt Gravitationspotentialenergie. Der Radius der Erde beträgt 6.371 km und die geostationäre Umlaufbahn 35.786 km. Unter Verwendung von Gleichung 2 ist die Änderung des Gravitationspotentials:

Für jedes Kilogramm, das wir von der Startrampe am Äquator in die geostationäre Umlaufbahn bringen wollen, müssen wir also irgendwie etwa 4,6 Megajoule an kinetischer Energie und 51,4 Megajoule an Gravitationsenergie aufbringen.

Rakete

Um in die geostationäre Umlaufbahn zu gelangen, könnten wir einen Hohmann-Transfer verwenden .

Zuerst wird die Rakete nach Osten auf den Horizont gerichtet, und die Triebwerke beschleunigen die Rakete sofort. Dies schickt die Rakete auf eine elliptische Flugbahn mit einem Apogäum, das die geostationäre Zielbahn schneidet.

Nach Osten zu zeigen und nicht gerade nach oben, ist am effizientesten, da sich die Rakete aufgrund der Erdrotation bereits in diese Richtung bewegt. Wir kümmern uns ein anderes Mal um Abstürze und Luftwiderstand.

Am Apogäum ist das Gravitationspotential korrekt, aber die Rakete bewegt sich zu langsam. Eine zweite Zündung beschleunigt die Rakete also wieder auf die Zielgeschwindigkeit, ändert die elliptische Umlaufbahn in eine kreisförmige, und wir sind fertig.

Ich habe die erforderliche Geschwindigkeitsänderung berechnet ($\Delta v$) für die erste Verbrennung 9838 m/s und die zweite Verbrennung 1503 m/s. Das ist insgesamt$\Delta v$von 11.340 m/s.

Jetzt das Problem: Raketen brauchen Reaktionsmasse. Um zur zweiten Verbrennung zu gelangen, müssen wir nicht nur den Satelliten starten, sondern auch genügend Reaktionsmasse (Treibstoff), um die zweite Verbrennung durchzuführen. Dies bedeutet, dass die erste Verbrennung viel mehr Treibstoff benötigt, da nicht nur der Satellit, sondern auch der gesamte Treibstoff für die zweite Verbrennung gestartet wird.

Dies führt zur Tsiolkovsky-Raketengleichung :

wo:

• $\Delta v$ist die Gesamtgeschwindigkeitsänderung, die das Fahrzeug erzeugen kann
• $m_0$ist die Anfangsmasse des gesamten Fahrzeugs, einschließlich Nutzlast und Kraftstoff
• $m_f$ist die endgültige Masse nach dem Verbrennen des gesamten Treibstoffs (Nutzlast + Müll, aber natürlich versuchen wir, den Müll zu minimieren).
• $v_e$ist die effektive Abgasgeschwindigkeit. Es ist durch das Raketendesign begrenzt.

Von Raketen, die genügend Schub erzeugen können, um die Schwerkraft zu überwinden, erreicht der aktuelle Stand der Technik a$v_e$in der Größenordnung von 4400 m/s. Also mit unserem Minimum rückwärts arbeiten$\Delta v$von 11.340 m/s können wir ausrechnen, wie viele Kilogramm Treibstoff benötigt werden, um mit moderner Raketentechnologie ein Kilogramm Satellit in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen:

Das heißt, im absoluten Bestfall, um einen 1-kg-Satelliten in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen, werden 12,16 kg Wasserstoff und Sauerstoff benötigt. Nicht schlecht!

Dies setzt natürlich voraus, dass alles, was keine Nutzlast ist, Kraftstoff ist. Aufgrund dieses Logarithmus in Gleichung 3 stellt sich heraus, dass die Aufsicht sehr wichtig ist . Wir müssen die Masse der Motoren, der Tanks, der Staging-Hardware und so weiter einbeziehen. Auch wenn dieser ganze "Müll" keine Nutzlast ist, müssen wir ihn trotzdem beschleunigen.

Wir haben auch den atmosphärischen Widerstand oder den Schwerkraftwiderstand nicht berücksichtigt. In der Praxis dauert es etwa 13600 m/s$\Delta v$, nicht die im besten Fall errechneten 11340 m/s. Auch hier spielt die Raketengleichung eine große Rolle, da der Kraftstoffbedarf exponentiell ansteigt.

Als reales Beispiel kann die Falcon 9 maximal 8300 kg Nutzlast in eine geostationäre Transferbahn bringen. Das gesamte Fahrzeug wiegt beim Abheben 549.054 kg, davon 507.500 kg Kraftstoff. Das sind 61 kg Kraftstoff pro kg Nutzlast. Und dies erreicht gerade die geostationäre Transferumlaufbahn – die Nutzlast muss ihren eigenen Antrieb für die endgültige Zündung verwenden, etwa 1500 m/s Delta-V, um die Umlaufbahn zu kreisförmigisieren.

Weltraumfahrstuhl

Der große Vorteil des Weltraumaufzugs ist, dass Sie den Treibstoff nicht mitnehmen müssen. Fahren Sie einfach mit dem Aufzug bis zur geostationären Höhe und lassen Sie los.

Sie müssen keinen Treibstoff mitbringen, da Sie Energie elektrisch den Aufzug hinauf schicken können.

Du musst nicht sehr schnell gehen. Dies bedeutet, dass Luftwiderstand kein Problem darstellt. Es vereinfacht auch die Konstruktion des Fahrzeugs, da es keinen starken aerodynamischen Kräften standhalten muss. Es bedeutet auch, dass Sie keine Antriebsmethoden benötigen, die einen enormen Schub erzeugen können, was die Möglichkeit für effizientere Antriebsmethoden eröffnet.

Betrachten wir die Effizienz verschiedener Komponenten im System:

• Elektromotor für den Antrieb: 90 %
• Verteilung der elektrischen Leistung: 90% . Besser mit ausgefallenen Sachen wie Supraleitern.
• Stromerzeugung: rund 40 % für die gute altmodische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen . Wasserkraftwerke können 95 % erreichen.

Mit moderner Technik wäre also ein Gesamtwirkungsgrad von 50 % kein Problem .

Wir haben oben berechnet, dass es 51,4 MJ pro kg Nutzlast in die geostationäre Umlaufbahn in potentieller Gravitationsenergie benötigt. Nach der Ineffizienz sehen wir uns etwas in der Größenordnung von 100 MJ pro kg Nutzlast an.

Die kinetische Energie kann dem Kabel, der rotierenden Erde oder dem Gegengewicht entnommen werden. Den Aufzug stabil zu halten ist komplex, und die Antwort von Tom Spilker behandelt es ausführlich. Es erfordert immer noch etwas Energieaufwand, aber es ist eine Größenordnung weniger als die Energie zum Anheben der Nutzlast, sodass wir dies als „technische Herausforderungen“ von Hand wegwinken können.

Mit diesen Zahlen würde die gleiche Nutzlast von 8300 kg der Falcon 9, aber mit einem Weltraumlift gestartet, 830 GJ Energie erfordern. Das entspricht etwa einer Vierteltankfüllung eines Airbus A330.

Neben anderen Antworten.

Der Raketentreibstoff ist sehr heiß, wenn er die Rakete verlässt, was einen Energieverlust darstellt, der das System beim Schub weniger effektiv macht.

Die Rakete komprimiert die Luft, es ist, als würde man in Gelee springen, viel Energie geht in die Bewegung des Gelee.

Es ist sicherer und erfordert weniger Kontrollen und Wetterprobleme.

Es kann billigere Brennstoffe wie Kohle und Atomkraft anstelle von teuren Raketentreibstoffen verwenden.

Es gibt auch ein "Power"-Problem. Die Energie, die benötigt wird, um X nach oben zu bringen, ist konstant, aber die benötigte Zeit ist flexibel. Mit dem richtigen Getriebe wird ein kleiner Motor X an die Spitze bringen, es wird nur eine lange, lange Zeit dauern. Und wie gesagt, man muss den Motor nicht auf die Reise schicken. Interessanterweise müssen Sie nicht einmal den größten Teil des Schiffes schicken. Stellen Sie sich einen vertikalen Skilift für die Mathematik vor. Stecken Sie die Astronauten in ihre Anzüge und verschiffen Sie sie. Die fallenden Stühle gleichen die angehobenen Stühle aus. An der Raumstation ziehen sie ihre Anzüge aus, legen sie in einen Klappstuhlsitz und verwenden sie unten wieder. Im Durchschnitt muss der Motor nur Reibung überwinden.

Andere Antworten konzentrieren sich hauptsächlich auf die Energetik des Erreichens der Höhe. Obwohl dies wahr ist, schlage ich vor, dass diese Bedenken stark überschätzt werden.

Ich würde sagen, dass jeder die enorm reduzierten Fahrzeugkosten übersieht. Orbitalraketen sind nicht nur auf dem neuesten Stand, sie sind auf dem neuesten Stand. Die Notwendigkeit, gleichzeitig eine extrem hohe Leistungsabgabe, ein geringes Gewicht und eine hohe Zuverlässigkeit zu zeigen. Darüber hinaus werden sie in einer solchen Anzahl hergestellt, dass jede im Wesentlichen handgefertigt ist.

Aber denken Sie an eine Aufzugsraupe. Machen wir eine SWAG (Scientific Wild-Ass Guess) und spezifizieren sie auf 50 Tonnen mit einer Nutzlast von 50 Tonnen und einer Aufstiegsgeschwindigkeit von 10 bis 20 Meilen pro Stunde.

Das ist bei weitem nicht so optimistisch, wie es scheinen mag. Es muss nur ein relativ kleiner Mannschaftsraum unter Druck gesetzt werden: Der Großteil der nicht verderblichen Fracht kann im Wesentlichen in CONEXs gestapelt werden, die an die Seiten des Fahrzeugs geheftet werden. Die G-Kräfte sind extrem niedrig, und vermutlich werden die Vibrationen bei weitem nicht in der Nähe des Raketenstartniveaus liegen. Es muss nicht nur gestrafft werden, der Laderaum muss nicht einmal eingehaust werden. Geht man von einer Startgeschwindigkeit von 10 mph aus, beträgt die Höhe am Ende von 1 Stunde 50.000 Fuß, mit im Wesentlichen keiner Atmosphäre, um Wind zu erzeugen. Wenn Sie an diesem Punkt auf 20 mph beschleunigen, ergibt sich eine Gesamtreisezeit zum ISS-Orbit von etwa 13 bis 14 Stunden. Ein Sonnenschutz für die Fracht wäre eine gute Idee, aber das könnte ein paar Stunden nach dem Start fast ohne Gewicht eingesetzt werden.

Der Leistungsbedarf für 100 Tonnen vertikal bei 10 mph beträgt etwa 10 MW oder 15.000 PS. Dies würde auf kleine Traktormotoren verteilt, mit einigen zusätzlichen für Redundanz. Bei einer bescheidenen Dichte von 3 PS/lb würde das Motorgewicht etwa 5.000 lb oder etwa 1 % des prognostizierten Fahrzeuggewichts betragen. 2% für 20 km/h. Wikipedia schlägt vor, dass elektrische Lokomotivmotoren bis zu 1,6 MW laufen können, also fehlt es offensichtlich nicht an der technologischen Basis. Zugegeben, Kühlung wäre eine Herausforderung, wie es im Weltraum immer der Fall ist, sowie Herausforderungen, die durch den Betrieb im Vakuum entstehen. Diese werden dem Leser als Übung überlassen.

Ebenso wichtig wäre, dass solche Crawler enorm einfacher und billiger wären als eine Rakete. Kein Versuch, sich selbst auseinander zu reißen Raketentriebwerk. Keine heiklen kryogenen Brennstoff-/Oxidationsmittelsysteme, die darauf warten, ein Leck zu entwickeln und zu explodieren. Kein Lageregelungssystem. Kein Wiedereintrittsschild. Einfache, effiziente Geometrie (da keine Stromlinienprobleme) erleichtert die Konstruktion. Es gibt keine Möglichkeit, die Kompromisse ohne ein Kandidatendesign zu machen, aber Materialien mit hoher Festigkeit/Gewicht sind wahrscheinlich unnötig. Ich würde vorschlagen, dass es so aussehen würde wie ein sehr kleines RORO-Frachtschiff, das hochkant steht.

Darüber hinaus ist die Bodenunterstützungsinfrastruktur viel billiger. Kein Kraftstoffspeicher-/Transfersystem, kein Radarverfolgungssystem. Keine Startkontrolle. Es werden voraussichtlich weitere, aufzugsspezifische Kosten anfallen.

Unter der Annahme von Geschwindigkeiten von 20 mph und einem Tag Wendezeit im Orbit betragen die LEO-Missionszeiten etwa 2 Tage. Es gibt keinen offensichtlichen Grund, die Bodenwartung als „Sanierung“ zu betrachten, wie es bei Raketen der Fall ist, eher wie die Wartung von Langstrecken-Lkw. Sagen wir ein paar Tage. Dann bekommt man alle 4 Tage eine Mission.

Nehmen Sie als Beispiel für ein gegensätzliches System den Falcon 9. Nutzlast von 15 Tonnen und eine Durchlaufzeit von etwa 2 Wochen, und das Fahrzeug selbst ist viel teurer, sowohl im Bau als auch im Betrieb.

Ein Weltraumaufzug benötigt keine kinetische Energie, um seine Höhe zu halten, eine Rakete muss ständig Treibstoff verbrauchen, nur um nicht wieder zur Erde zu beschleunigen.

Aerodynamische Kräfte wachsen mit zunehmender Geschwindigkeit, eine Rakete muss die Zeit minimieren, in der sie eine Kraft gegen die Schwerkraft ausübt, was eine Erhöhung ihrer vertikalen Geschwindigkeit impliziert, jedoch verringert auch eine Erhöhung der Geschwindigkeit die Effizienz aufgrund des Luftwiderstands.

Ein Weltraumaufzug unterliegt nicht den durch die Schwerkraft verursachten Verlusten und kann daher aerodynamische Verluste viel besser minimieren. Mir scheint, dass dies die beiden Hauptmechanismen sind, durch die ein Weltraumaufzug hypothetisch die Kosten senken kann.

Da es beim Erreichen einer Umlaufbahn (einschließlich der geostationären Umlaufbahn, die wir normalerweise als Austrittspunkt aus einem Weltraumaufzug betrachten) darum geht, eine Zielgeschwindigkeit zu erreichen, konzentriert sich das Folgende eher auf die Geschwindigkeit als auf die Änderung der potenziellen Energie.

Betrachten Sie eine Rakete in den ersten Momenten des Starts. Nehmen wir an, die Masse des Fahrzeugs beim Abheben beträgt 1.000.000 kg und seine Motoren haben eine ungefähr vergleichbare Leistung wie der Saturn V F-1, sodass die Abgasgeschwindigkeit etwa 2,5 km/s (2.500 m/s) beträgt.

Um die Rechnung einfach zu halten, betrachten wir die kurze Zeitspanne vom Abheben, bis das Fahrzeug eine vertikale Geschwindigkeit von 2,5 m/s erreicht, und wir ignorieren Schwerkraftverluste.

Um diese Impulsänderung zu erreichen, müssten etwa 1.000 kg Treibmittel ausgestoßen werden (Impuls = Masse x Geschwindigkeit).

Energie ist jedoch eine halbe Masse mal dem Quadrat der Geschwindigkeitsänderung. Die kinetische Energie dieser 1.000 kg erschöpften Treibmittels ist also etwa das 1.000-fache der vom Fahrzeug erworbenen kinetischen Energie, und das ignoriert die Schwerkraftverluste.

Um die Zahlen einfach zu halten, wenn wir sagen, dass diese anfängliche Geschwindigkeitsänderung von 2,5 m / s in einer Sekunde stattfand, haben wir eine anfängliche Startbeschleunigung von etwa 0,25 G (Apollo Saturn war ungefähr 0,16), dann diese 1.000 kg / s Treibmittel liefert nur 1/5 des tatsächlich benötigten Schubs (0,25 G tatsächliche Beschleunigung + 1 G gegen die Schwerkraft), also brauchen wir wirklich 5.000 kg/s – was uns 5.000 Mal so viel Energie im Treibstoff bringt, wie wir in das Fahrzeug gesteckt haben kinetische Energie. In dieser ersten Sekunde haben wir diese 1.000.000 kg Rakete etwa 3 m angehoben, also haben wir auch eine kleine Menge potenzieller Energie hinzugefügt.

Dies entspricht etwa 34,4 Millionen Joule kombinierter kinetischer und potenzieller Energie, die dem Fahrzeug für etwa 31,25 Milliarden Joule Energie im ausgestoßenen Treibmittel verliehen werden – immer noch eine etwa 1.000-fache Differenz. Natürlich wird die Rakete nach dieser ersten Sekunde 5.000 kg leichter sein, also wird sie etwas schneller beschleunigen und daher mehr kinetische und potentielle Energie für denselben Impuls gewinnen. Mit fortschreitendem Flug wird sich der Trend fortsetzen, also wird sich die Energieeffizienz verbessern, aber es geht nur so weit.

Bei einem Weltraumaufzug könnte die im Antriebssystem aufgewendete Energie viel besser an die potentielle und kinetische Energie des Fahrzeugs angepasst werden.

Der Punkt ist, dass die Energie, die im Treibmittel aufgewendet wird, immer größer ist als die von der Rakete gewonnene Energie, und in den frühen Phasen des Starts ist es besonders schrecklich, obwohl Raketentriebwerke bemerkenswert effizient darin sind, chemische Energie in kinetische Energie des Abgases umzuwandeln . Die Ineffizienz ergibt sich aus der Beziehung zwischen Energie und Impuls für das Fahrzeug und seinem erschöpften Treibmittel.

Eine hohe ISP (hohe Abgasgeschwindigkeit) wird in der Raketentechnik im Allgemeinen als eine gute Sache angesehen, da dies bedeutet, dass Sie weniger Treibmittelmasse mitführen müssen, um ein bestimmtes Delta-V zu erreichen, aber es hat seinen Preis in Bezug auf die benötigten Energiekosten. Anders ausgedrückt, eine sehr treibstoffeffiziente Rakete ist tatsächlich etwas energieineffizient , insbesondere im Vergleich zu etwas wie einem Elektromotor. Hier können Weltraumaufzüge energieeffizienter sein.

Was die letzte Frage zur Flugbahn angeht ... bei der Umlaufbahn dreht sich alles um Geschwindigkeit. Angesichts der Tatsache, dass die Schwerkraft Sie ständig zu Boden zieht, ist der effizienteste Weg, eine Rakete in die Umlaufbahn zu bringen, es schnell zu tun - je weniger Zeit Sie mit dem Kampf gegen die Schwerkraft verbringen, desto weniger Energie (Treibmittelmasse) benötigen Sie dafür. Wenn Sie also geostationär werden wollen, beschleunigen Sie so schnell wie möglich (innerhalb praktischer Grenzen), um zumindest in eine niedrige Erdumlaufbahn zu gelangen. An diesem Punkt müssen Sie nicht mehr gegen die Schwerkraft ankämpfen, und Sie können sich Zeit nehmen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, bis Sie auf eine Transferbahn (Apogäum in geostationärer Höhe) gebracht werden. Wenn Sie Ihre Flugbahn höher bringt, verlieren Sie an Geschwindigkeit, so dass Sie, wenn Sie Ihre Zielhöhe erreichen, etwas mehr Geschwindigkeit hinzufügen müssen, wodurch die Umlaufbahn kreisförmig wird, und Sie sind dort.

Weltraumaufzüge profitieren von der Tatsache, dass die Erde im Wesentlichen ein rotierendes „unbewegliches Objekt“* ist.

Um Ihr Fahrzeug vorwärts zu beschleunigen, müssen Sie etwas anderes mit dem gleichen Impuls rückwärts beschleunigen. Der Impuls ist proportional zur Geschwindigkeit, aber die kinetische Energie ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit.

Ein Großteil der Energie, die von einer Weltraumrakete verbraucht wird, geht in die Rückwärtsbeschleunigung des Treibmittels und nicht in die Vorwärtsbeschleunigung der Rakete. Das meiste, was übrig bleibt, geht zum Anheben des Treibmittels. Relativ wenig geht in die endgültige Orbitalenergie (kinetisch und potentiell) der Endstufe ein.

Gegen ein unbewegliches Objekt zu drücken ist viel effizienter. Nahezu die gesamte Energie fließt in das Anheben des Kletterers und seiner Nutzlast.

Besser noch, die Erde dreht sich. Wenn Sie also einen vertikalen Turm erklimmen, der an der Erde befestigt ist, gewinnen Sie nicht nur effizient an Höhe, sondern auch an horizontaler Geschwindigkeit im Wesentlichen kostenlos. Irgendwann in einer Höhe, die wir "geostationäre Umlaufbahn" nennen, könnten Sie den Turm loslassen und auf der gleichen Höhe bleiben. Wenn Sie hoch genug gehen, würde das Loslassen des Turms bedeuten, dass Sie in den Weltraum geschleudert werden.

Das einzige Problem ist, wie man den Turm baut. Wir können nicht einfach einen Turm von Grund auf bauen, die dafür benötigten Materialien sind einfach unglaubwürdig. Ein Kabel, das durch Zentrifugalkraft an Ort und Stelle gehalten wird, ist machbarer, aber immer noch eine gewaltige technische Herausforderung, die Materialien erfordert, die an der Grenze des Machbaren liegen.

* Das ist nichts, was wir kleinen Menschen tun, das einen signifikanten Einfluss auf seine Geschwindigkeit oder Rotation haben wird.

Andere Antworten haben die Notwendigkeit angeführt, einen eigenen Kraftstoff zu transportieren, aber ein weiterer Faktor ist die Notwendigkeit einer Reaktionsmasse. Der Treibstoff für eine Rakete wird sowohl als Treibstoff als auch als Reaktionsmasse verwendet. Etwas, das einen Weltraumaufzug hinauffährt, könnte den Aufzug als Reaktionsmasse verwenden, wodurch die effektive "Abgas" -Geschwindigkeit viel niedriger wird und somit weniger Energie benötigt wird.

Außerdem können wir, sobald wir Energie in ein Fahrzeug in den Orbit gesteckt haben, es nur wieder herunterholen, indem wir diese Energie ablassen. Mit einem Aufzug kann alles, was wir zur Erde zurückbringen wollen, als Gegengewicht verwendet werden, um eine neue Nutzlast in den Orbit zu heben.