Wie würde die Schwerkraft eine Struktur beeinflussen, die die Erde vollständig umgibt?

Das erinnert an Larry Nivens Ringworld - Serie, außer dadurch, dass in Ringworldder Struktur ein Stern kreist, kein Planet. Die Grundidee ist, dass die Schwerkraft, da sie sich im Zentrum befindet, symmetrisch ist und sich selbst aufhebt, sodass sich das Objekt nicht bewegt.

Die Probleme sind:

• Es gibt externe Objekte, die eine Gravitationswirkung auf eine solche Struktur haben werden, insbesondere der Mond und die Sonne, aber andere Planeten werden wahrscheinlich auch zählen.

• Das Gravitationsfeld um die Erde herum ist nicht einheitlich, es gibt Zonen mit überdurchschnittlich hohem Gravitationspotential. Wikipedia gibt uns ein schönes Bild:

  

• Selbst wenn Sie die oben genannten Effekte auf magische Weise lösen/kompensieren, ist das Gleichgewicht instabil. In dem Moment, in dem der Ring beispielsweise einen Meter von seiner Position entfernt ist, wird der Teil davon, der der Erde näher gekommen ist, eine erhöhte Anziehungskraft im Vergleich zur anderen Seite haben, was die Umlaufbahn weiter destabilisieren wird.

Sie können also auf die Fluchtgeschwindigkeit verzichten, aber Sie brauchen ein System, um die Struktur zu stabilisieren, oder sie wird auf diese Erdlinge fallen (aber keine Sorge, sie haben es kommen lassen).

Könnte der Ring insbesondere stabil sein, ohne sich zu bewegen, oder müsste er mit der gleichen Geschwindigkeit umkreisen, als wäre er ein Satellit?

Wenn der Ring aus einem festen Material besteht, dann nein, er könnte nicht stabil sein, ohne sich zu bewegen - er müsste umkreisen. Dies aus zwei Gründen: Erstens, weil sich ein nicht umlaufender massiver Ring wie ein Bogen durch Druckkraft selbst halten müsste. Jeder Abschnitt des Rings versucht, auf die Erde zu fallen, und das einzige, was ihn aufhält, ist, dass er seitlich gegen die beiden benachbarten Teile der Struktur drückt. Dies würde ein Material mit weitaus größerer Druckfestigkeit erfordern, als es jemals aus Atomen oder jeder anderen Form von Materie, die wir uns plausibel vorstellen können, hergestellt werden könnte - es liegt völlig außerhalb des Bereichs der Machbarkeit.

Der zweite Grund ist, dass, selbst wenn Sie aus magischen Zukunftstechnologie-Kraftfeldern einen festen Ring machen könnten, dieser nicht gravitationsstabil wäre - jeder Teil des Rings, der etwas näher an der Erde liegt, wird mehr Gravitationskraft erfahren und ihn noch näher ziehen den Boden und das Einrichten einer Rückkopplungsschleife, die dazu führt, dass eine Seite davon aus der Umlaufbahn fällt, während sich die andere vom Planeten wegbewegt. ¹ (Das heißt, wenn Sie über die Technologie verfügen, um ein solches Material herzustellen, können Sie wahrscheinlich einige Triebwerke anbringen, um es zu stabilisieren. Beachten Sie jedoch, dass die Herstellung des Rings an erster Stelle weit über eine plausibel vorstellbare Wissenschaft hinausgeht.)

Es ist jedoch nicht alles verloren: Wenn Sie nichts dagegen haben, dass Ihr Ring bewegliche Teile hat, ist es durchaus möglich, eine solide, scheinbar nicht rotierende Struktur zu haben, die die Erde umgibt, selbst mit der heutigen Technologie, wenn Sie genügend Ressourcen in den Bau investieren Es.

Die Idee wird Orbitalring genannt . Es besteht im Wesentlichen aus einer festen Drahtschleife, die sich etwas schneller als die Umlaufgeschwindigkeit bewegt, aber von einer sich nicht bewegenden festen Struktur umgeben ist, die sie mithilfe von Magneten abstößt. Die solide Struktur versucht, auf die Erde zu fallen, aber die Zentrifugalkraft des sich bewegenden Drahts gleicht sie aus, sodass sie an Ort und Stelle bleibt. Bringen Sie ein paar Weltraumaufzüge und Linearbeschleuniger an und Sie haben eine sehr plausible Möglichkeit, der Schwerkraft der Erde gut zu entkommen.

Wenn Sie an der Idee interessiert sind, empfehle ich dieses Video des Futuristen Isaac Arthur , das ziemlich tief in das Konzept eingeht. Es ist wirklich erforderlich, es zu beobachten, wenn Sie beabsichtigen, das Konzept in einem wissenschaftsbasierten Kontext zu verwenden.

¹ _{Hinweis für Newtonsche Mechanikfreaks: Der Kugelschalensatz gilt hier nicht, da es sich um einen Ring und nicht um eine Kugel handelt.}

Wenn Sie genügend Säulen bauen, wird Ihre Struktur von ihnen an Ort und Stelle gehalten. Dies begrenzt natürlich die maximale Höhe, die Sie über der Oberfläche erreichen können.

Wenn du keine Säulen platzierst, wird das Ding fallen.

In diesem Fall, wenn Sie dem Ding genügend Geschwindigkeit geben, wird es in einem kontinuierlichen Fall sein, ohne jemals die Oberfläche zu erreichen, mehr oder weniger wie Satelliten im Orbit.

Eine solche umlaufende Struktur kann jedoch praktisch nicht niedriger als LEO sein, aus dem einfachen Grund, dass der atmosphärische Widerstand bei dieser hohen Geschwindigkeit (und wir sprechen von km / s) Folgendes tun würde:

• erzeugen eine schiere Menge an Hitze, die die Struktur und alles, was sich in der Nähe befindet, beschädigt
• schnell die kinetische Energie abführen, es sei denn, Sie regenerieren sie ständig

Wenn Sie einige Annahmen treffen, ist das System möglicherweise leichter zu kontrollieren.

Erstens dreht sich der Ring nicht unbedingt, um der Geschwindigkeit zu entkommen, aber genug, um destabilisierende Effekte entlang des Rings zu übertragen - dh alles, was den Ring von einem festen Bezugssystem beeinflussen würde, würde von einem rotierenden Bezugssystem eher einer Schwingung als einer Schwingung gleichkommen ständige destabilisierende Kraft.

Zweitens, unter der Annahme, dass die Rotationsgeschwindigkeit viel geringer als die Fluchtgeschwindigkeit ist, haben Sie es nicht mit Zugkräften, sondern mit Druckkräften zu tun. Bedenken Sie, dass die Schwerkraft in jeder Hinsicht gleichmäßig über den Ring wirkt. Das bedeutet, dass die Schwerkraft den Ring in Richtung Mitte zieht und versucht, den Ring gegen seinen natürlichen Radius zu komprimieren oder effektiv seinen Umfang zu reduzieren - wenn Sie so wollen. Die größere Sorge in Bezug auf die Bautechnik wäre in diesem Fall also, zu versuchen, den Ring entlang seines Umfangs starr zu machen - Sie müssten also verhindern, dass er zerknittert oder sich verbiegt, anstatt ihn daran zu hindern, auseinander zu fliegen.

Nun, da wir verstehen, dass wir es mit Steifigkeit und Schwingungen zu tun haben, ermöglicht dies einem Ingenieur, ein Steuersystem mit weniger Ausgängen (jede Art von Motor oder Triebwerk) und vielleicht sogar weniger Eingängen (Sensoren, die die Stabilität messen) zu entwickeln.

Als lose Analogie wurden maschinelle Lernsysteme, die Quadcopter steuern, darauf trainiert, sich zu erholen, wenn Antriebssysteme im Flug beschädigt werden. Ein System, das normalerweise auf 4 Rotoren fliegt, kann auch mit nur 3 oder sogar nur 2 oder 1 Rotationsachse in einer Rotationsachse stabilisiert werdenRotor(en). Dies funktioniert, weil die destabilisierende Eigenschaft des Fluges – eine konstante Kraft in einer festen Ausrichtung – in einem Rotationssystem in eine Schwingung übersetzt wird – die dann überwunden oder minimiert werden kann, indem die Achse der Schwingung stabilisiert wird. Mit anderen Worten, wirken Sie der komplexen (kegelförmigen) Drehung entgegen, bis sie so nah wie möglich an einer linearen Achse liegt (konzentrieren Sie den Kegel auf eine Linie) – an diesem Punkt wird die Kontrolloszillation (um dem destabilisierenden Merkmal der außer Kontrolle geratenen Drehung entgegenzuwirken). ) in einem Rotationsrahmen zu einer konstanten Kontrolle (einem stabilen Spin) minimiert.

Was Sie beschreiben, ist eine Ringwelt, sie sind viel schwieriger zu bauen als Dyson-Muscheln, es gibt viel mehr Belastungen, es gibt kein Material, das dem Menschen bekannt ist und über genügend Zugfestigkeit verfügt, um tatsächlich eine zu bauen, aber Sie winken das von Hand; Hier ist, was Sie nicht mit der Hand bewegen können, sie sind ernsthaft instabil (übrigens auch Dyson-Muscheln, harte Dyson-Kugeln). Unabhängig davon, was sie herumtragen, wackeln die Ringwelten fürchterlich und das ohne andere Körper im selben Sternensystem wie sie. Wenn Sie den Erdmond behalten und versuchen, einen Ring um den Planeten zu bauen, wird er nicht bis zur Fertigstellung halten, Gravitationsresonanzen werden ihn immer wieder auseinanderreißen. Dann haben Sie die Wirkung der Sonne, die dasselbe tun würde, Die anderen Planeten im Sonnensystem würden länger brauchen, aber das Ergebnis wäre, dass der Ring schließlich wanderte und auf die Erde stürzte. Die variierende "Hintergrund"-Schwerkraft der Galaxie reicht aus, um eine Ringwelt dazu zu bringen, schließlich in das zu wackeln, was sie umkreist. Wenn sie stationär ist, wird der Effekt beschleunigt. Wie stabilisiert man eine Ringwelt? Platzieren Sie massive Fusionsantriebe im Bussard Ramjet-Stil an beiden Rändern des Rings, die den Sonnenwind als Treibstoff verwenden, um den Ring wieder in Position zu bringen. Zumindest war das die Theorie, als wir dachten, Bussard Ramjets funktionierten, jetzt wissen wir es besser. Ich bin mir nicht sicher, ob das der Fall ist Wie stabilisiert man eine Ringwelt? Platzieren Sie massive Fusionsantriebe im Bussard Ramjet-Stil an beiden Rändern des Rings, die den Sonnenwind als Treibstoff verwenden, um den Ring wieder in Position zu bringen. Zumindest war das die Theorie, als wir dachten, Bussard Ramjets funktionierten, jetzt wissen wir es besser. Ich bin mir nicht sicher, ob das der Fall ist Wie stabilisiert man eine Ringwelt? Platzieren Sie massive Fusionsantriebe im Bussard Ramjet-Stil an beiden Rändern des Rings, die den Sonnenwind als Treibstoff verwenden, um den Ring wieder in Position zu bringen. Zumindest war das die Theorie, als wir dachten, Bussard Ramjets funktionierten, jetzt wissen wir es besser. Ich bin mir nicht sicher, ob das der Fall istRingworld ist eine machbare Struktur oder nicht. Es hat sicherlich eine stark begrenzte Lebensdauer in einem Sternensystem, das nicht von allem anderen geleert wurde.

Ja, das könnte man machen. Die Struktur wäre ein sehr dickes Band (aus konstruktiver Sicht) oder eine sehr schmale Scheibe (aus astronomischer Sicht).

Baustahl hat eine Streckgrenze von etwa 250 MPa und eine Dichte von etwa 8.000 kg / m³. Bei einer erdnahen Struktur beträgt das Gewicht etwa 80 kN / m³ oder 80 kPa / m der vertikalen Dicke des Bandes.

Das Band muss einer Umfangsspannung von (dem Gewicht des Bands umgewandelt in einen Druck) mal (dem Radius des Umfangs) dividiert durch (der Dicke des Bands) standhalten. Der vorherige Absatz zeigt, dass Weichstahl dieser Belastung standhalten kann, wenn der Radius des Rings weniger als das 3.000-fache der vertikalen Dicke des Bandes beträgt. Eine zusätzliche Banddicke bietet einen Sicherheitsspielraum. Der Durchmesser der Erde am Äquator beträgt etwa 12.800 km, daher sollte die vertikale Dicke des Bandes etwa 2.200 Meter mal der Sicherheitsspanne betragen.

Das Band müsste horizontal ziemlich breit sein, um ein Knicken zu verhindern. Wenn das Band nur einen Meter breit wäre, würde das Oberteil nach unten klappen und es wäre nicht mehr hoch genug, um sein eigenes Gewicht zu tragen. Ich habe die Berechnungen nicht durchgeführt, aber ich gehe davon aus, dass vertikales Knicken kein Problem wäre, wenn die Breite mindestens 1/6 der Höhe betragen würde. Wellen entlang der Länge des Bandes könnten jedoch unterhaltsam sein.

Zyklische Belastung und Spannungskorrosionsermüdung wären ebenfalls Probleme. Ich habe diese Berechnungen auch nicht gemacht.

Ein Gürtel aus Weichstahl mit einer Breite von 1 Kilometer, einer Höhe von 6 Kilometern und einem Umfang von 80.450 Kilometern würde also wahrscheinlich ausreichen. Das sind etwa 500.000 Kubikkilometer oder 4 Millionen Milliarden Tonnen. Fast das gesamte Material ist Eisen, das glücklicherweise auf der Erde reichlich vorhanden ist. Etwa 0,3 Prozent dieses Materials sind Kohlenstoff oder 12.000 Milliarden Tonnen.

Masse der Erdatmosphäre: etwa 500 Millionen Millionen Quadratmeter mal 10.000 kg pro Quadratmeter oder 5 Millionen Milliarden Tonnen. Selbst die Extraktion des gesamten Kohlenstoffs aus der Atmosphäre würde also nur etwa 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff ergeben. Die Förderung aller nachgewiesenen Kohlereserven der Welt würde nur weitere 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff liefern.

Wenn wir die Bandgröße auf 3.000 Meter Höhe und 200 Meter Breite reduzieren und Grate verwenden, um ein Knicken zu verhindern, reduzieren wir den Materialbedarf auf 30.000 Kubikkilometer. Dieses besteht aus 250.000 Milliarden Tonnen Eisen und 750 Milliarden Tonnen Kohlenstoff.

Stärkere Materialien würden die Verwendung von weniger Material ermöglichen, würden aber Ermüdungsprobleme besorgniserregender machen. Leider sind die alternativen Materialien möglicherweise noch schwerer zu finden als Kohlenstoff.

Wie das MITSFS betonte, "ist die Ringwelt instabil". Dieses Problem kann gelöst werden, indem einige der zum Anheben des Rings verwendeten Buchsen an Ort und Stelle belassen werden. Leider stoßen wir auf das Problem, das Gewicht der Wagenheber zu tragen. Wenn die Heber aus Weichstahl bestehen, dürfen sie entweder nur 3.000 Meter hoch sein oder müssen an der Basis exponentiell wachsen. Alternative Materialien wären für die Buchsen sehr sinnvoll.