Würde ein "Weltraumaufzug" / eine Schlinge auf einem rotierenden Asteroiden funktionieren?

Flache Schwerkraftschächte mit einer gesunden Winkelgeschwindigkeit sind für Weltraumaufzüge viel zugänglicher. Die Aufzüge können viel kürzer sein. Die Belastung ist viel geringer, so dass das Halteband ein gewöhnliches Material wie Kevlar sein könnte.

PK Aravind skizzierte die Gleichungen für die Länge und das Verjüngungsverhältnis eines Aufzugs: Die Physik des Weltraumaufzugs .

Ich habe versucht, seine Gleichungen in eine Tabelle zu integrieren. Durch Einstecken von Körperradius, Masse und Winkelgeschwindigkeit für verschiedene Körper erhielt ich diese Zahlen:

Die stationäre Höhe ist der Abstand über der Körperoberfläche, bei dem eine kreisförmige Umlaufbahn die gleiche Winkelgeschwindigkeit wie der Körper hätte.

Die Spitzenhöhe ist die Halteseillänge, die benötigt wird, um das Halteseil straff und senkrecht zu halten. Um die Länge unterhalb des synchronen Orbits auszugleichen, wird eine Länge darüber benötigt. Wenn ein Gegengewicht verwendet wird, muss es nicht so hoch sein.

Das Verjüngungsverhältnis ist das Verhältnis der Tether-Dicke bei synchroner Umlaufbahn gegenüber der Tether-Dicke an der Körperoberfläche. Wenn das Halteband viel Belastung aushält, ist das Verjüngungsverhältnis hoch.

Wie Sie sehen können, haben Vesta und Ceres Längen und Verjüngungsverhältnisse, die weitaus weniger herausfordernd sind als Mars- oder Erdaufzüge.

Wenn wir es jemals bis zum Hauptgürtel schaffen, glaube ich, dass Ceres ein wichtiger Ressourcenkörper sein wird. Es gibt Grund zu der Annahme, dass sich unter seiner Oberfläche viel Wasser befindet. Hoffentlich wissen wir mehr über Ceres, wenn Dawn dort im April 2015 ankommt .

Wie Sie sagen, kann ein Aufzug Nutzlasten schleudern und so Geschwindigkeit für die Injektion in eine Transferbahn liefern. Der oben erwähnte etwa 2000 km lange Ceres-Aufzug konnte nur etwa 0,5 km/s erreichen. Möglicherweise genug, um benachbarte Asteroiden zu erreichen, aber nicht genug, um eine Nutzlast zur Erde zu schleudern. Ein Ceres-Aufzug mit einer Höhe von 26.000 Kilometern könnte etwa 5 km/s liefern, genug für eine Trans Earth Injection.

Es gibt auch andere Vorteile.

Bei größeren Asteroiden schließt die Oberflächengravitation Ionentriebwerke aus. Während Ionentriebwerke einen großartigen ISP haben, haben sie einen sehr geringen Schub. Selbst auf Körpern wie Ceres oder Vesta würde das Gewicht eines Raumfahrzeugs die winzige Schubkraft eines Ionentriebwerks übersteigen. Wenn das Verhältnis von Schub zu Gewicht kleiner als eins ist, kann ein Raumschiff nicht vom Boden abheben. Ein Ionentriebwerk könnte jedoch an einen Asteroidenaufzug andocken.

Weitere Informationen zu Weltraumaufzügen habe ich in meinem Blogbeitrag: Beanstalks, Elevators, Clarke Towers

Es gibt ein großes Problem mit dem im OP genannten Vorschlag, und ich glaube nicht, dass jemand anderes diesen Punkt ausreichend erreicht hat. Ich zitiere hier mit Betonung aus meiner eigenen:

Wenn dieses Schema funktionierte, könnten vom Asteroiden abgebaute Materialpakete ohne die Verwendung von Raketentreibstoff gestartet werden, wobei nur die Elektrizität zum Klettern des Kabels benötigt würde (was nicht großartig wäre, da es keine echte Schwerkraft gibt, gegen die man klettern könnte - tatsächlich hauptsächlich wäre es ein Bremsen, das erforderlich wäre, da das Kabel versuchen würde, die Raupen vorzeitig abzuwerfen). Im Wesentlichen würde das Kabel den Drehimpuls vom Asteroiden auf Paketstarts übertragen.

Ein Kabel ist kein starres Element. Es hat Zugfestigkeit, kann sich aber biegen. Es kann oft gewickelt werden. Kabel sind strukturell sehr nützlich, aber sie haben nur eine bestimmte Rolle zu spielen. In diesem Fall versucht der Vorschlag, Kabel übermäßig zu verwenden.

Ich habe mir vor einiger Zeit ein solches Schema angesehen, und hier ist ein wirklich kurzes Modell dessen, was wir uns ansehen:

Sie werden feststellen, dass die dunklere Linie, entlang der sich die Nutzlast bewegt, der konventionellen Vorstellung eines Weltraumaufzugs entspricht. Andere haben bereits darauf hingewiesen, dass die Schwerkraft sehr leicht zu überwinden ist. Allerdings ist das „Schaukeln“ im Halteseil nicht so einfach zu bewältigen.

Ein Erdraumaufzug würde direkt auf das Erdzentrum ausgerichtet sein, wenn keine Nutzlasten nach oben oder unten fahren. Beginnen Sie, viel Material in den Weltraum zu bewegen (schließlich ist das der Punkt), und die Leine wird entlang der Richtung der Erdrotation gezogen. Der Haltegurt wird dann außermittig sein. Sie können dieses Konzept für einen Asteroiden berücksichtigen, indem Sie entweder den Hauptaufzug außermittig zeichnen oder zusätzliche Kabel hinzufügen, wie ich es oben für die "Coriolis-Stützen" getan habe. Ich mag das obige Schema, weil das System zuverlässig nicht schwingt und sich bewegt. Mathematisch spielt es keine Rolle.

Sie stellen leicht fest, dass die Zeit zum Klettern am Seil durch den Radius des Asteroiden begrenzt ist . Auch die Drehzahl. Dies folgt direkt aus dem einfachen Dreieck im Diagramm.

Wo würden wir eine solche Schleuder nützlich finden? Nun, Eros ist einer der größten Asteroiden im inneren Sonnensystem. Sehr wenige große Asteroiden haben eine große Halbachse innerhalb des Marsterritoriums, und Eros ist eine kleine Ausnahme von der Regel. Die minimale nützliche Anforderung, die wir davon erwarten können, ist ein Hohmann-Transfer in die / aus der Erdumlaufbahn. Ich habe die Berechnungen vorher gemacht, aber Sie könnten sie leicht selbst zusammenstellen, wenn Sie möchten. Selbst bei maximaler Großzügigkeit liegt die Zeit zum Klettern in der Größenordnung von Monaten. Da diese Überweisungen ohnehin nur etwa 8 Monate dauern sollten, ist dies ein riesiges logistisches Problem!

Was ist mit größeren Asteroiden? Für Ceres, Vesta usw. könnte es durchaus funktionieren. Möglicherweise haben Sie nur sehr wenige Einschränkungen hinsichtlich der Begrenzung der Steiggeschwindigkeit. Für diese wenigen Riesen könnte es praktisch sein, Dinge um den Asteroidengürtel zu werfen.

Für einen praktischeren Ansatz auf einem Asteroiden wie Eros benötigen Sie möglicherweise eine verrückte Struktur wie diese:

Hier fügen wir zusätzliche Mitglieder hinzu, die keine Kabel sind. Für eine Asteroidenschleuder müssten diese vollständig starr sein, oder sie müssten Druckfestigkeit mit genügend Masse kombinieren, damit ihr Gewicht auf dem Asteroiden ausreicht, um ihn an Ort und Stelle zu halten. Ein bisschen wie diese Hängebrücke auf der Erde. Dadurch vergrößern Sie den Radius, mit dem Sie die Steignutzlast ziehen, was eine Möglichkeit ist, das Drehmoment (Kraft x Radius) zu erhöhen.

Sobald Sie jedoch alle diese Elemente hinzugefügt haben, haben Sie sowieso fast alles, was Sie für ein Weltraum-Trebuchet benötigen. Es ist wahr, dass eine angetriebene Schlinge eine eigene Energiequelle benötigen würde (im Gegensatz zur Verwendung der Drehung des Asteroiden), aber dies würde die Gesamtmasse der Struktur massiv reduzieren. Aus diesem Grund halte ich es für unwahrscheinlich, dass die Rotation von Asteroiden für den Transport verwendet wird, abgesehen von einigen wenigen sehr ausgewählten Fällen.

Was Sie beschreiben, ist kein Weltraumaufzug, der Sinn eines davon besteht darin, in eine Umlaufbahn zu gelangen, in der es einen signifikanten Gravitationsschacht gibt. Deine Idee ist eher eine Drehimpulsschleuder. Es ist keine schlechte Idee, aber es gibt Überlegungen:

• Obwohl die Crawler nicht viel Energie benötigen würden, um auf der Schlinge herauszukommen, bräuchten sie viel Energie, um zurückzukommen, da sie gegen die nach außen gerichtete Kraft ankämpfen, die durch die Drehung entwickelt wird
• Sie verlieren den Spin, je mehr Sie aus der Schlinge starten. Nichts ist umsonst - die Energie, die Sie der von Ihnen gestarteten Fracht verleihen, stammt aus der Rotation des Asteroiden. Das mag nicht viel sein, aber für kleinere Asteroiden kann es im Laufe der Zeit ein Faktor sein. Sie könnten den Schwung wiedererlangen, indem Sie Raumschiffe oder andere Objekte einfangen, um die Dinge auszugleichen
• Die Schlinge müsste sehr stark sein, um die auftretenden Kräfte aufzunehmen, und sie würde einen starken Anker benötigen, also ist es kein einfaches Stück Technik. Die Technologie geht weit über das hinaus, was wir jetzt haben
• Wenn sich Ihr Asteroid schnell genug dreht, wird es eine Herausforderung sein, einfach an der Oberfläche zu bleiben, Ihre Bergbaubetriebe müssten sich damit befassen
• Einen Asteroiden in der richtigen Größe, mit der richtigen Drehung und an einem Ort zu finden, der für den Bergbau geeignet wäre, ist möglicherweise nicht möglich
• Es kann sich nicht wirklich lohnen. Die Schleuder muss stark sein und kann wahrscheinlich nicht aus dort gewonnenen Materialien auf dem Asteroiden gebaut werden, also muss sie wahrscheinlich geschickt werden. Die Kosten für den Bau der Schlinge, ihren Transport, ihre Montage, ihre Wartung, die Energieversorgung der Raupen und die Bewältigung der nachteiligen Auswirkungen des Trudelns auf den Bergbaubetrieb sind die Kraftstoffeinsparungen möglicherweise nicht wert

Ein Weltraumaufzug kann nicht ohne Schwerkraft gebaut werden - damit das System stabil ist, müssen Sie mehr Spannung auf das Kabel ausüben als die größte Kraft, die alle Kletterer gleichzeitig auf das Kabel ausüben.

Während das Gewicht der Kletterer kein realistisches Problem darstellt, ist die Trägheit eine andere Sache, wenn Sie ein Kabel an etwas sehr Kleinem haben - Sie könnten das Kabel am Ende ein wenig nach unten ziehen, wenn sich Ihre Masse beschleunigt.

In der Praxis gibt es bei wirklich kleinen Objekten per se keinen Grund für einen Aufzug - Sie können sowieso Sachen einfach abwerfen. Der einzige Grund, warum man gebaut werden würde, ist als Schlinge - wenn das Objekt genügend Rotation hat, würde sich ein ausreichend langes Kabel am äußeren Ende ziemlich schnell drehen

Es ist ein realistisches Sci-Fi. Etwas, das technisch machbar wäre, aber unwahrscheinlich ist.

Das Hauptproblem ist eine Trennung zwischen Wirtschaftlichkeit und Sicherheit:

• Wenn Sie auf einen einsamen Asteroiden zielen, wird es äußerst schwierig sein, einen mit genügend Ressourcen zu finden, um eine solche Konstruktion lohnenswert zu machen, und sich in der richtigen Ebene mit der richtigen Geschwindigkeit zu drehen - insbesondere der erste Teil, Ressourcen, die es wert sind, abgebaut zu werden, in Mengen, die es ausmachen das ganze Konzept wirtschaftlich tragbar. Dies für mehrere hundert Tonnen Eisen zu tun - ich glaube nicht, dass wir das in einem halben Jahrtausend wirtschaftlich rentabel finden würden.

• Anders verhält es sich nun, wenn wir in einem Meteoritenschwarm arbeiten. Es wäre praktikabel, solche zu finden, die seltene, teure Ressourcen enthalten, und diese Ressourcen langsam zur "Startstation", dem spezifischen Asteroiden mit dem Aufzug (oder es wäre passender, ihn als "Schlinge" zu bezeichnen) zu liefern, nur um sie zu schleudern mit hoher Geschwindigkeit auf die Erde zuzufliegen, wäre ganz nett ... außer dass der sich schnell drehende Auftrieb in einem Schwarm von Meteoriten einem ständigen Schadensrisiko ausgesetzt wäre, das weitaus höher ist als im offenen Weltraum.

Diese beiden sind also die großen Hindernisse, die es unwahrscheinlich machen.

Nun zu diversen Hindernissen auf dem Weg...

• das Material für die Leine. Derzeit nur Buckytubes, die in solchen Mengen wahnsinnig teuer sind. Sie von der Erde zu liefern (es wäre schwierig, im Weltraum genügend Kohlenstoff zu finden). Es müsste dem derzeit geplanten Seil für Weltraumaufzüge ähnlich sein, offensichtlich viel kürzer, damit der Gewinn an Länge/Haltbarkeit ausgenutzt werden könnte, um schwerere Massen zu schleudern. Trotzdem ist dies derzeit der absolute (wenn auch hoffentlich kurzfristige) Show-Stopper. Bis wir Buckytube-Haltegurte herstellen können, keine Weltraumaufzüge für uns.

• Verankerung. Asteroiden sind aufgrund fehlender Schwerkraft weitaus weniger gepackt als das natürliche Gestein der Erde. Sie werden einige Bergbauausrüstung vor Ort haben, aber das Ankertunnelnetzwerk müsste ziemlich umfangreich sein.

• Masse, Geschwindigkeit und Rotationsebene. In diesem Fall ist die Situation nicht ganz so schlimm. Es gibt viele Asteroiden. Es sollte durchaus möglich sein, solche zu finden, die der Rechnung entsprechen. Solche zu finden, die der Rechnung entsprechen und sich an einem lohnenden Ort befinden oder über wertvolle Ressourcen verfügen – nun, viel schwieriger.

• Wenn Sie nicht mehr als Land starten (wahrscheinlich im Bergbauszenario; selbst bei Lieferung von anderen Asteroiden würden Sie die Rohstoffe mit relativ geringen Geschwindigkeiten in den Asteroiden stürzen, bevor Sie sie anheben), müssten Sie Energie bereitstellen. Die Raupen könnten beim Heben Energie liefern, würden aber verbrauchen, wenn sie als Fang/Anlegestelle für schnelle Ankünfte verwendet würden. Zur Not könntest du Energie herstellen, indem du irgendeinen einheimischen Stein nach dem Zufallsprinzip schleuderst, z. B. reisen Raupen niemals leer nach oben.

• Der Bergbau und die Lieferung (Tropfen) von Rohstoffen müssten in Polarregionen erfolgen, wo die Schwerkraft des Asteroiden viel höher wäre als die entgegenwirkenden Zentripetalkräfte. Glücklicherweise sollte der Transport selbst sehr schwerer Lasten bei einer im Allgemeinen niedrigen Schwerkraft nicht so schwierig sein.

• Was die Verringerung der Rotationsenergie betrifft, so löst die Auswahl eines größeren Asteroiden die meisten Kopfschmerzen. Die gespeicherte kinetische Energie skaliert mit dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit und der fünften Potenz ihres Radius.$E = {{4 }\over{15}} \pi \rho r^5 \omega ^2$