Space Elevator auf dem Mars mit heutiger Technik möglich?

Die einfache Antwort ist nein. Materialien für einen Erdaufzug sind derzeit mindestens eine Größenordnung zu schwach. Die Schwerkraft des Mars beträgt etwa 0,378 der Erde, daher sind die Materialien noch zu schwach.

Die lange Antwort ist viel komplizierter: 1. Die Verjüngung des Halteseils spielt eine ebenso große Rolle wie der Sicherheitsfaktor, den Sie in Ihren Aufzug einbauen möchten, wie viel ein Halteseil halten kann und wie viel Material Sie in den Weltraum bringen können, um es zu konstruieren . Stärke, Verjüngung und Haltemasse hängen zusammen. Sie können die Machbarkeitsbedingung für Space Elevator über isec.org oder Google überprüfen. Es ist im Grunde eine Art Zerfallsgleichung: Wie viel müssen Sie weiter heben, um Ihren Aufzug zu warten oder zu erweitern, was im Grunde genommen Transportnutzlast für Wartungs-/Reparaturzwecke wegnimmt. 2. Mars hat einige interessante Optionen, wobei Deimos hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht. Material für ein Halteseil könnte vor Ort veredelt werden, zB wenn Planetary Resources verwandte Technologie für Asteroiden entwickelt. Die Umlaufzeit von Deimos liegt mit 30.30h nahe an der siderischen Rotationsperiode des Mars mit 24. 6229 Std. Sie könnten ein Halteseil bearbeiten, das von Deimos auf halbem Weg in die Marsatmosphäre abfällt, und etwas erhalten, an dem Sie sich mit einem viel kleineren Delta V befestigen können, als Sie in die Umlaufbahn gelangen, wodurch die Halteseilstärke und die Massenanforderungen erheblich weiter eingeschränkt werden. Ich bin der festen Überzeugung, dass das Deimos-Modell wahrscheinlich in Reichweite der heutigen fortschrittlichen Materialien ist. Natürlich müssen Sie etwas Kontrolle üben, um zu vermeiden, dass Phobos hin und wieder unter Deimos vorbeischaut. 3. Der beste Ankerpunkt für einen Mars-Elevator, sobald das Material ausreichend stark für die Oberflächenbefestigung ist, wäre der Olympus Mons. Damit steht es über Sandstürmen und anderem Marswetter. wodurch die Halteseilstärke und die Masseanforderungen wesentlich weiter eingeschränkt werden. Ich bin der festen Überzeugung, dass das Deimos-Modell wahrscheinlich in Reichweite der heutigen fortschrittlichen Materialien ist. Natürlich müssen Sie etwas Kontrolle üben, um zu vermeiden, dass Phobos hin und wieder unter Deimos vorbeischaut. 3. Der beste Ankerpunkt für einen Mars-Elevator, sobald das Material ausreichend stark für die Oberflächenbefestigung ist, wäre der Olympus Mons. Damit steht es über Sandstürmen und anderem Marswetter. wodurch die Halteseilstärke und die Masseanforderungen wesentlich weiter eingeschränkt werden. Ich bin der festen Überzeugung, dass das Deimos-Modell wahrscheinlich in Reichweite der heutigen fortschrittlichen Materialien ist. Natürlich müssen Sie etwas Kontrolle üben, um zu vermeiden, dass Phobos hin und wieder unter Deimos vorbeischaut. 3. Der beste Ankerpunkt für einen Mars-Elevator, sobald das Material ausreichend stark für die Oberflächenbefestigung ist, wäre der Olympus Mons. Damit steht es über Sandstürmen und anderem Marswetter. Sobald das Material ausreichend stark für die Oberflächenbefestigung wird, wäre es auf Olympus Mons. Damit steht es über Sandstürmen und anderem Marswetter. Sobald das Material ausreichend stark für die Oberflächenbefestigung wird, wäre es auf Olympus Mons. Damit steht es über Sandstürmen und anderem Marswetter.

Abschließend: Ich glaube, dass der Mars dazu bestimmt ist, die Werft für das Sonnensystem zu werden. Es ist ausreichend freundlich für Baustellen und die geringere Schwerkraft macht es viel zugänglicher, Dinge in den Weltraum zu heben als die Erde.

Hoffe das hilft. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie weitere Fragen zur Materialstärke haben.

Martin

Die Berechnungen für den sich verjüngenden Weltraumaufzug sind ein wenig unangenehm, aber anscheinend als geschlossene Form ziemlich praktikabel. Ich halte es für ziemlich unbefriedigend, diese Frage ohne quantitativen Sinn zu belassen, wenn man bedenkt, dass dies möglich ist.

Zunächst müssen wir die Tatsache formalisieren, dass wir an der Änderung der Fläche , der Spannung oder der linearen Massedicke über deren Länge interessiert sind. Alle 3 sind direkt proportional zueinander. Außerdem ist es der Differentialgleichung für das Tapering egal, welche. Das ist:

$$\frac{ \lambda'(r) }{ \lambda(r) } = \frac{ \frac{ G M }{ r^2 } - \omega^2 r }{ \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) }$$

Die Größe (Sigma/Rho) ist die materialspezifische Festigkeit. Ich verwende Lambda, um die lineare Massendicke in kg/m anzuzeigen, aber Sie können es leicht durch einen der anderen Proxys ersetzen. Diese Gleichung hat eine Lösung. Hier geht es um einfache Werte und dann um das Pseudopotential.

$$\lambda(r) \propto \exp{ \left( \frac{ - \frac{ GM}{r } - \frac{1}{2} \omega^2 r^2 } { \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) } \rightarrow \exp{ \left( \frac{ U(r) }{\left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) }$$

Um das "Verjüngungsverhältnis" zu erhalten, interessieren wir uns für die Fläche auf der geostationären Umlaufbahn geteilt durch die Flächen an der Oberfläche. Dies besteht nur aus dem Einstecken von Werten.

$$\frac{ \lambda(r_{GEO}) }{ \lambda(r) } = \exp{ \left( \frac{ U(r_{GEO}) - U(r) } { \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) }$$

Die meisten Leute, die dies lesen, haben wahrscheinlich das erforderliche Wissen, um diese Berechnung durchzuführen. Hier sind einige, nur zum Anschauen. Ich habe die spezifische Stärke durch den Faktor 3 geteilt, um einen Eindruck von der "technischen Marge" zu vermitteln.

   mat        m^2/s^2     ratio       3x ratio
Nanotubes   46268000      1.228         1.851
Zylon        3766000     12.449      1929.560
Kevlar       2514000     43.707     83493.590
Stainless     254000      1.728E+16     5.16E+48
seatbelt      108693.     8.806E+37     

Sie können das auf pedantische Weise sehen, ja, Kevlar ist stark genug, um ein Mars-Aufzug zu sein, der nach Streckgrenze fährt. Aber nur, wenn es buchstäblich auf seine Streckgrenze beansprucht wird. Selbst dann haben Sie ein Taper-Verhältnis von 43. Fügen Sie etwas Marge hinzu, und dies explodiert auf Faktoren, die einen guten Bruchteil einer Million ausmachen.

Ich habe das 3x-Verhältnis für Sicherheitsgurtmaterial nicht aufgenommen, weil ich den Wert genommen habe, der die tatsächliche "Arbeitslast" ist. Es ist ein gutes Beispiel für ein "alltägliches" Material, auch wenn es deprimierend ist.

Trotzdem muss ich zugeben, dass es möglich ist , da Zylon ein echtes Material ist, auch wenn ich der industriellen Produktionsfähigkeit und Qualitätskontrolle skeptisch gegenüberstehe. Wenn Sie nur das Verhältnis von 1.929 akzeptieren, können wir uns darauf einigen, dass es möglich ist. Es könnte sofort von einem Meteoriten zerbrochen werden, aber das ist nicht die Frage. Da es sich um ein Flächenverhältnis handelt, beträgt das Durchmesserverhältnis nur etwa 43. Das heißt, wenn der Durchmesser an der Oberfläche 1 mm beträgt, beträgt der Durchmesser bei GEO 4,3 cm. Es steht Ihnen frei, die Konsequenzen dieses Ergebnisses so zu interpretieren, wie Sie es für richtig halten.

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Das Science-Fiction-Buch Ouroboros Wave unterhält genau diese Idee. In diesem Buch verwendeten sie technische Systeme, um einen Mars-Weltraumaufzug aus Kohlenstoffnanoröhren zu biegen, um Phobos auszuweichen, wenn er vorbeiflog, was ein wichtiger Punkt ist.

Wenn Sie einen Mars-Weltraumaufzug bauen wollten, müssten Sie entweder so etwas tun, um Phobos zu vermeiden, oder ihn einfach in den Planeten stürzen, bevor Sie beginnen. Es gibt einen eindeutigen Vorschlag, einen Weltraumaufzug auf der dunklen Seite von Phobos zu installieren, da er durch die Gezeiten gesperrt ist. Phobos umkreist fast dreimal jeden Tag den Mars. Das bedeutet, dass$\omega$ist für dieses System größer, was bedeutet, dass es viel einfacher zu bauen ist.

Alan Rominger gab in seiner Antwort einige gute Informationen. Nicht nur ein paar Zahlen, sondern wie man die Zahlen bekommt. Ich möchte es ergänzen.

Mein Ansatz ist ein anderer als der von Rominger. Ich versuche es hier zu erklären . Um die Beschleunigung am Höhenruderfuß zu erhalten, subtrahiert das Modell$\omega^2r$von$GM_{planet}/r^2$um eine Nettobeschleunigung zu erhalten. Wenn ein Mond der Halteanker ist,$GM_{moon}/r_{moon}^2$ist ebenfalls enthalten, ob diese Beschleunigung addiert oder subtrahiert wird, hängt davon ab, ob sich die Leine über oder unter dem Mond befindet.

Diese Nettobeschleunigung mal Kilogramm ergibt die Newton, die die Nutzlast ausübt. Dies legt die Dicke der ersten Länge von Zylon fest. Die nächste Länge des Haltegurts ist dicker, da sie sowohl die erste Länge als auch die Nutzlast unterstützt. Das Modell zerhackt den Haltegurt in 1000 Längen.

Hier ist ein Screenshot von meinem Blick auf einen Mars-Aufzug :

Es beruhigt mich, dass meine Zahlen nicht viel anders sind als die von Rominger. Für einen Sicherheitsfaktor von eins gibt Rominger ein Zylon-Konusverhältnis von 12,449 an (gegenüber 13 bei meinem Modell). Für einen Sicherheitsfaktor von drei gibt er ein Zylon-Taper-Verhältnis von 1929,560 an (gegenüber 2016 für mein Modell).

Mein Modell, das auf der Tabelle von Wolfe basiert, gibt auch das Verhältnis von Zylon-Tether zur Nutzlastmasse an. Für einen Sicherheitsfaktor von 1 benötigen Sie die 154-fache Masse in Zylon als zu hebende Nutzlast. Mit "Nutzlast" meine ich die Aufzugskabine und deren Inhalt. Die Aufzugskabine würde ihre eigene Energiequelle und Motoren benötigen. Die tatsächliche Fracht wäre also noch geringer.

Bei einem Sicherheitsfaktor von 1 führt schon die kleinste Kerbe oder Schramme zu einem Bruch. Angesichts der großen Länge dieses Aufzugs würde ich erwarten, dass es häufig Pausen gibt. Ich würde auf so einem Aufzug keine wertvolle Fracht riskieren, geschweige denn Menschenleben.

Bei einem vernünftigen Sicherheitsfaktor von drei würde das Verhältnis von Halteseil zu Nutzlast 51.824 betragen.

Und das wäre nicht der gesamte Aufzug. Es müssen ein Halteseil und ein Gegengewicht über der synchronen Umlaufbahn des Mars vorhanden sein, um die nach unten gerichteten Newton auszugleichen, die vom unteren Aufzug ausgeübt werden.

Ein Zylon-Clarke-Turm für den Mars ist unwahrscheinlich.

Allerdings schreibe ich die Vorstellung von Mars-Aufzügen nicht ab. Der Marsäquator ist nicht der einzige Ort, an dem ein Aufzug verankert werden kann. Es gibt eine Reihe von Szenarien, die ich mir ansehe:
Unterer Phobos-Aufzug
Oberer Phobos-Aufzug
Deimos-Aufzug

Ich freue mich über Aufzüge, die einen Zero Relative Velocity Transfer Orbit (ZRVTO) zwischen Phobos und Deimos ermöglichen:

Die Verjüngungsverhältnisse und das Verhältnis von Halteseil zu Nutzlast für diese beiden Aufzüge sind recht bescheiden:

Erweitern Sie den oberen Phobos-Aufzug und Sie können Nutzlasten sowohl zum Haupt-Asteroidengürtel als auch zur Erde schleudern. Und ohne unerschwingliche Tether-zu-Nutzlast-Masse-Verhältnisse.

Verlängern Sie den unteren Phobos-Aufzug um 1400 Kilometer, und Sie können Nutzlasten in Umlaufbahnen abwerfen, in denen die Periapsis die obere Atmosphäre des Mars passiert. Ein paar Periapsis-Schlepppässe können auf einer niedrigen Marsumlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,4 km/s kreisförmig werden. EDL wäre einfacher als der atmosphärische Eintritt von 5,5 km/s, den eine von der Erde zum Mars Hohmann kommende Nutzlast erfahren würde. Vor allem, wenn das Abstiegsfahrzeug etwas Treib- und Reaktionsmasse von Phobos hatte. Mars EDL könnte erheblich einfacher sein. Bei einem Sicherheitsfaktor von drei wäre das Masseverhältnis Halteseil zu Nutzlast 0,33.

Kann ein Zylon-Phobos-Aufzug bis in die obere Atmosphäre des Mars hinabsteigen? Wenn dies der Fall wäre, würde die Fußgeschwindigkeit des Halteseils in Bezug auf den Mars nur 0,6 km/s betragen. Da geht es nur um Mach 2, das hat die Concorde gemacht. Aber leider wäre bei einem Sicherheitsfaktor von drei das Masseverhältnis von Halteseil zu Nutzlast 638. Ich glaube nicht, dass ein niedrigerer Phobos Zylon-Aufzug mit einer Länge von 5.800 km praktikabel ist.

Es ist eigentlich ein alter Damenmythos, dass der Weltraumaufzug nicht mit der aktuellen Technologie gebaut werden kann. Es wäre nur außerordentlich teurer mit aktuellen Materialien.

Der Aufzug muss von der geostationären Umlaufbahn nach unten gebaut werden. Dies bedeutet, dass das gesamte Material mit konventionellem Antrieb hochgezogen werden muss, was der Hauptfaktor ist, der die Kosten beeinflusst. Der herkömmliche Ansatz zum Bau eines Aufzugs ohne Materialien, die die starken Zugfestigkeitsanforderungen erfüllen, die für die Einzelseilkonstruktion erforderlich sind, müsste eine exponentielle Struktur sein; Ein einzelnes Seil, das mit der Erde verbunden ist, von zwei Seilen getragen wird, sich selbst von 4 Seilen stützt, ... bis es über die Erdumlaufbahn gelangt, wo wir ansetzen müssen$2^n$Haltegurte zum Gegengewicht, wo$n$ist durch die Zugeigenschaften des gewählten Materials gegeben.

Wenn Sie bereits einen Weltraumaufzug haben, ist es einfacher / billiger, einen zweiten zu bauen, da der teure Schritt, die Masse nach oben zu bewegen, bereits gebootstrapped wurde. Im Falle des Mars wäre es wirtschaftlich sinnvoller, die Baumaterialien tatsächlich von der Erde zu schicken, als sie von der Marsoberfläche zu heben, vorausgesetzt natürlich, wir haben bereits einen funktionierenden Aufzug auf der Erde