Wenn jemand einen Vakuumtunnel durch die Atmosphäre bauen würde, könnten Sie dann eine Umlaufbahn mit einem Perigäum auf Meereshöhe haben?

Nein, es sei denn, Ihre Struktur befindet sich direkt am Äquator und Ihr Satellit folgt einer perfekt kreisförmigen Umlaufbahn, atmosphärische "Umlaufbahnen" sind nicht möglich, selbst in einem Vakuumtunnel.

Da sich die Erde auf einer Achse von ~23 Grad befindet und sich jeden Tag dreht, ist es nicht möglich, eine Umlaufbahn zu erstellen, die außer äquatorialen Umlaufbahnen keine Bodenbahnpräzession aufweist. Sie müssten den gesamten Planeten mit Tunneln abdecken, um die sinusförmige Bahn eines nicht äquatorialen Satelliten aufzunehmen. Wenn Sie eine äquatoriale Umlaufbahn wollen, ist das in Ordnung:

Wenn Sie einen Tunnel um den Erdumfang entlang des Äquators graben und ihn drucklos machen, könnten Sie dort etwas in die Umlaufbahn bringen - unterirdisch.

Leider ist nicht einmal eine elliptische äquatoriale Umlaufbahn möglich, da das Perigäum der Umlaufbahn präzedieren würde, was wiederum lächerliche Tunnelmengen erfordern würde.

Was die eigentlichen technischen Herausforderungen betrifft: Einfach gesagt, es wäre sehr schwierig. Da der Tunnel perfekt kreisförmig über den gesamten Planeten verlaufen müsste, müssten Sie sich mit Tausenden von Kilometern Ozean und Tunneln durch Berge auseinandersetzen. Darüber hinaus wäre es schwierig, den Druck abzubauen (und drucklos zu halten). Wenn Sie ein Beispiel dafür sehen möchten, wie schwierig es ist, eine lange Röhre drucklos zu machen, schauen Sie sich einfach all die Probleme an, die Hyperloop mit ihren Röhren hat.

Ein solcher Tunnel ist aus mehreren Gründen nicht plausibel.

1. Probleme mit Umlaufbahnen

Erstens würde es, wie andere Leute gesagt haben, nur für äquatoriale Umlaufbahnen funktionieren, die entweder kreisförmig (sehr langer Tunnel) sind oder eine Periode haben, die ein rationales Vielfaches der Rotationsperiode der Erde ist. Und noch einmal, wie andere Leute gesagt haben, die reale Erde ist nicht annähernd symmetrisch genug, dass Sie ohne laufende Orbitalkorrekturen davonkommen könnten (und es gibt unangenehme Objekte wie Mond und Sonne, die natürlich die Umlaufbahnen stören). Jeder signifikante Fehler führt dazu, dass ein Objekt, das sich mit Orbitalgeschwindigkeit bewegt, die Seite des Tunnels trifft, und Sie möchten nicht irgendwo in der Nähe sein, wenn das passiert.

2. Der Tunnel kann wahrscheinlich nicht gebaut werden

Zweitens ist es mit ziemlicher Sicherheit überhaupt nicht möglich, einen solchen Tunnel zu bauen (wenn wir einen Tunnel ausschließen, der den Äquator des Planeten vollständig umkreist, was wahrscheinlich zumindest physikalisch möglich ist, obwohl Sie sich mit den Teilchenphysikern darüber streiten müssten, wie sie werden eine ganz andere mögliche Verwendung für einen riesigen kreisförmigen Tunnel voller Vakuum sehen).

2a. Luftdruckprobleme

Um diese Art von Tunneln auszuschließen, ziehen Sie also einen offenen Tunnel in Betracht (also keinen, der um die ganze Erde geht) und berücksichtigen Sie den Druck am offenen Ende des Tunnels. In welcher Höhe auch immer, es wird einen gewissen atmosphärischen Druck geben. Wenn der Tunnel anfänglich evakuiert wird, beginnt diese Atmosphäre offensichtlich, den Tunnel zu füllen, bis sich der Druck an der Oberseite des Tunnels mit der Atmosphäre ausgleicht. An diesem Punkt wird der Boden des Tunnels auf der Oberfläche etwa atmosphärischen Druck haben , wenn wir davon ausgehen, dass er sich an der Oberfläche befindet. Um dies zu bewältigen, muss der Tunnel kontinuierlich gepumpt werden, und die Oberseite muss hoch genug sein, damit die Menge an Atmosphäre, die in ihn eindringt, klein genug ist, um gepumpt werden zu können .

Nehmen wir an, das bedeutet, dass die Spitze des Tunnels irgendwo in der Nähe der Kármán-Linie liegen muss , die ich als 100 km hoch nehme.

2b. Andere Druckprobleme

Das bedeutet, dass die Spitze des Tunnels von einer etwa 100 km hohen Struktur gestützt werden muss. Wie würde eine solche Struktur aussehen? Betrachten wir zunächst die Erdbeschleunigung,$g$, um über die Höhe der Struktur konstant zu sein: Dies trifft auf etwa 3% für die Erde zu, also ist es eine vernünftige Annäherung. Welcher Turm auch immer die Spitze des Tunnels trägt, hat einen Radius,$r$was eine Funktion der Höhe ist. Und es stellt sich heraus:

Wo:

• $h$ist die Höhe des Turms;
• $r_0$ist der Radius in Bodennähe;
• $g$ist die Erdbeschleunigung (als Konstante angenommen mit$h$);
• $\rho$ist die Dichte des Materials, aus dem der Turm besteht;
• $P$ist der Druck, bei dem das Material fließt, aus dem der Turm besteht.

Ferner die Masse, die der Turm in der Höhe tragen kann$h$Ist:

Hier ist alles wie vorher bis auf$\kappa$das ist ein Fudge-Faktor, der durch die Querschnittsform des Turms bestimmt wird, mit$\kappa\ge\pi$und die Gleichheit nur für einen runden Turm.

So wird dieser Turm unten exponentiell groß und je nach verwendetem Material kann er absolut riesig sein. Wenn Sie bedenken$g$richtig, damit es mit der Höhe abnimmt, wie es wirklich der Fall ist, dann werden die Dinge ein bisschen besser, aber die Änderung erfolgt$g$über dieser Höhe ist zu klein, um signifikant zu helfen.

Aber es kommt noch schlimmer: Der Turm muss auf etwas stehen. Also super das Material, aus dem du den Turm machst, wenn$P$am Fuß des Turms größer ist als der Druck, bei dem Gestein fließt, wird es einfach in die Erde sinken. Nun, es gibt einen Grund, warum Planeten keine willkürlich hohen Berge haben, und im Grunde ist es das.

Also, selbst wenn Sie erstaunliches Material mit einem sehr hohen Wert finden könnten$P$und eine sehr niedrige$\rho$Sie können dieses Ding wahrscheinlich nicht bauen. Ich habe nicht nachgeschlagen, was die besten Materialien sind.

3. Wenn du es bauen könntest, würdest du es nicht tun

Nehmen wir also an, wir hätten das Problem der 100 km hohen Türme gelöst, um die Spitze des Tunnels zu stützen. OK, warten Sie: Wir haben jetzt einen 100 km hohen Turm , auf den wir ein Raumschiff heben und dann von oben starten können, um die ganze mühsame Luftwiderstandssache zu vermeiden (offensichtlich brauchen Sie immer noch den sehr wichtigen$\Delta v$um eine Umlaufbahn zu erreichen, aber Sie müssen sich nicht um all die Komplexitäten kümmern, die damit verbunden sind, eine Rakete durch die Atmosphäre zu bringen). Vergessen Sie also den Tunnel, verwenden Sie einfach den Turm, um Raumschiffe anzuheben und von oben zu starten!

Haftungsausschluss: Ich habe das Obige auf dimensionale Vernunft überprüft, aber ich habe alles ziemlich schnell aufgeschrieben. Sicherlich ist der Radius exponentiell, aber ich habe möglicherweise falsche Faktoren.

Dies wäre ein ein paar tausend Kilometer langer Tunnel, der sich von der Erdoberfläche bis zu einer ungefähr niedrigen Erdumlaufbahn an beiden Enden erstreckt und stark genug ist, um das Vakuum im Inneren und die Atmosphäre draußen auf Meereshöhe zu halten, so dass seine Öffnungen vorhanden sind denn eine Raumstation in einer hochelliptischen geostationären Umlaufbahn kommt einmal am Tag mit etwa 10,7 km/s durchgeflogen.

Und die Periode der Umlaufbahn muss ein ganzzahliges Vielfaches der siderischen Rotationsperiode der Erde sein. Ist dies nicht der Fall, müssen Sie mehr als einen davon bauen, da der erste nicht in Position ist, wenn der Satellit wieder in Richtung Perigäum zurückkehrt.

Ich glaube nicht, dass dies für eine Zivilisation machbar ist, außer als Kunst im planetarischen Maßstab.

Es gibt keine stabile Umlaufbahn um die Erde. Die Erde ist nicht homogen, es gibt Gezeiten vom Mond, der Sonne usw. ... Nun, sonnensynchrone Umlaufbahnen klingen vielversprechend, aber man kann niemals eine Umlaufbahn schaffen, die sowohl sonnensynchron als auch mondsynchron ist.

Auch die geostationären Umlaufbahnen erfordern eine Positionshaltung oder der Satellit fängt an, Nord/Süd zu schwingen.

Im Weltraum sind ein oder zwei Kilometer nach links oder rechts selten ein Problem. In Ihrem Tunnel benötigen Sie eine ziemlich präzise Umlaufbahnsteuerung, die das Vakuum im Inneren nicht beeinträchtigt. Wahrscheinlich elektromagnetisch? Größere Satelliten benötigen außerdem eine präzise Lageregelung, um sich an der Zylinderachse auszurichten und einen ausreichenden Ringraum zu erhalten.

Ja, wenn Sie den Vakuumtunnel bauen könnten.

Beispielsweise ist der Satellit Sentinel 1A (der derzeit etwa jede Stunde die Erde umkreist) so konzipiert, dass er seine Umlaufbahn in einer virtuellen Röhre mit 100 m Durchmesser, die in Bezug auf die Erdoberfläche feststehend ist, ein Jahrzehnt lang beibehält. (Wie bei vielen anderen Fernerkundungs -DInSAR- Satelliten hängt die Qualität und Nützlichkeit der gesammelten Daten vollständig davon ab, wie genau diese Umlaufbahn ihre eigene Bahn wieder aufsucht.)

Wenn Ihre Röhre also einen Durchmesser von mindestens 100 m hat, ist es möglich, jahrelang eine Umlaufbahn darin aufrechtzuerhalten. Im Allgemeinen wird eine Umlaufbahn ausgewählt, die die Abflachung der Erde ausnutzt, so dass sie natürlich synchron mit der täglichen Rotation der Oberfläche präzediert. Längerfristig ist die genaue Steuerung normalerweise dadurch begrenzt, wie viel Triebwerkstreibstoff der Satellit trägt (für Anpassungsmanöver), aber wenn er durch eine gebaute Struktur reiste, könnten Sie die Umlaufbahn ständig extern anpassen. Der Start des Satelliten mit einer so präzisen anfänglichen Flugbahn könnte ebenfalls beispiellos sein, könnte aber wahrscheinlich durch die Verwendung eines Abschnitts der Röhre selbst als elektromagnetische Spulenkanone erreicht werden.

Darüber hinaus gibt es keinen Grund, warum das Perigree (oder sogar die gesamte Umlaufbahn) nicht unterirdisch sein könnte, wenn Sie den Vakuumtunnel bauen könnten. (Die Berechnung der Umlaufbahn ist nur geringfügig komplizierter, da die Nettoanziehungskraft in Tiefen unter der Oberfläche abnimmt.)

Natürlich wäre der Bau des Tunnels die größte Herausforderung. Das Vakuum selbst ist wahrscheinlich ein kleines Detail; Vergleichen Sie vorhandene Laser-Interferometer-Gravitationswellendetektoren (wie LIGO, das etwa 10 km einer Röhre mit einem Durchmesser von > 1 m evakuiert, die jahrelang unter einem Vakuumdruck gehalten wird, der etwa eine Million Mal extremer ist als das, in dem Satelliten kreisen). Eine praktischere (und nützlichere) technische Herausforderung zum Thema Weltraum könnte so etwas wie ein Aufzugsband für den Mondraum sein.

Dies ist als Ergänzung zu anderen Antworten gedacht. Es ist mehr als ein Kommentar, da es sich (hoffentlich) lohnt, es zu pflegen:

Sie könnten das Fahrzeug elektromagnetisch „lenken“, während Sie sich im „Tunnel“ befinden, und mit allen geeigneten Mitteln, wenn Sie den Tunnel verlassen.

Wenn sich die Struktur beim Ein- und Ausfahren verbreitert, können Sie beim Aus- und Anflug eine Präzessionskorrektur anwenden.

Das wäre immens schwer und teuer - also wahrscheinlich nicht schwerer als der Rest der Aufgabe :-).

Vielleicht verstehe ich die Frage nicht richtig, aber für mich klingt es so, als würden Sie " Orbital Ring " beschreiben . Sie können mehr darüber unter Orbital Rings auf Wikipedia finden .

Es gibt ein großartiges Video darüber auf Orbital Rings von Isaac Arthur auf YouTube . Er macht einen guten Job, wenn es darum geht, physikalische Einschränkungen im Vergleich zu technischen Einschränkungen zu beschreiben.

Entschuldigung für die kurze Antwort, aber ich habe wirklich das Gefühl, dass diese Links die Antwort viel besser beschreiben, als ich es könnte. Es scheint wirklich so, als ob die Kenntnis des Begriffs „ Orbitalring “ Ihnen Informationen geben sollte, die Sie suchen.

Ich würde sagen, in gewissem Sinne gibt es bereits solche großen Vakuumstrukturen, zum Beispiel LHC . Im Moment werden sie nur zum Orbitieren von Protonen, Kernen usw. verwendet, aber man kann ähnliche Strukturen für größere Objekte verwenden, wenn diese vorher geladen (oder magnetisiert) werden. @Russell McMahon erwähnte hier die elektromagnetische Lenkung.

Je nach Gezeiten können Sie teilweise oder vollständig im Wasser sein, da eine Umlaufbahn des Perigäums auf Meereshöhe durch Ihre Massenmittellinie gemessen wird, es sei denn, Ihr Vakuumtunnel dringt auch in das Wasser ein, und dann gibt es all diese Stellen mit Feststoffen darüber Meereshöhe.