Können wir die Bewegungsenergie von Körpern (wie Satelliten), die sich um Objekte mit hoher Schwerkraft (wie Erde oder Sonne) bewegen, in eine Art nutzbare Energie umwandeln?
Betrachten Sie die Erde und den Mond, um damit zu beginnen. Offensichtlich können wir Energie durch Gezeitenkraft gewinnen (was eine reale Sache ist, obwohl die wirtschaftliche Frage nicht trivial ist). Dies ist möglich, weil sich die Erde schneller dreht als der Mond umkreist.
Diese Gezeitenkraft ist jedoch geschwindigkeitsbegrenzt. Solange wir Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwenden, ist die theoretische maximale Rate der Energieumwandlung ziemlich nah an der, die wir erreichen würden, wenn wir alle Weltmeere aufstauen würden.
Aus welchen anderen Arten von Systemen können wir Energie gewinnen? Um dies zu beantworten, würde ich die folgende allgemeine Checkliste vorschlagen:
Ich kann dies verwenden, um für eine Reihe von Konfigurationen zu antworten.
Elliptische Bahnen
Ich stelle mir ein Paar binärer Asteroiden in einer stark elliptischen Umlaufbahn umeinander vor. Wenn Sie die Verbrennung für notwendig halten, um die Umlaufbahn am Perigäum (dem nächstgelegenen Punkt) zu kreisförmigisieren, versuchen Sie, kinetische Energie wegzuwerfen, indem Sie Ihre Motoren verbrennen. Natürlich könnten Sie stattdessen diese zusätzliche Energie in nützliche Energie umwandeln.
Ich verwende Asteroiden als Beispiel, weil die Skalen und Kräfte von Materialien gehandhabt werden können, die wir tatsächlich konstruieren können. Sie könnten die beiden Körper buchstäblich durch Seile verbinden, die für den Weltraum ausgelegt sind. Dann besteht der Energieumwandlungsprozess aus Riemenscheiben und Generatoren.
Um die Änderung des Drehimpulses zu kompensieren, würden Sie einfach die Rotation der Asteroiden selbst beschleunigen. Selbst wenn dies zu einer negativen effektiven Schwerkraft an seinem Äquator führte, wissen wir, dass einige Asteroiden immer noch zusammenhalten können. Es gibt sicherlich einige binäre Asteroidensysteme, bei denen dies in gewissen Grenzen möglich ist.
Kreisförmig, aber rotierend
Dies ist der Fall bei der Erde und dem Mond. Wenn Sie an einem direkteren mechanischen (absurdistischen) Prozess als der Gezeitenkraft interessiert sind, können Sie sich einige vorstellen. Bauen Sie einfach Weltraumaufzüge rund um den Äquator der Erde. Machen Sie dann die Gegengewichtsstation zu einem vollen Ring. Bauen Sie dann einen Weltraumaufzug von der Mondoberfläche zum L1-Punkt Erde-Mond, wobei sich eine Faser bis zum Gegengewichtsring des Weltraumaufzugs der Erde erstreckt.
Jetzt haben Sie ein System mit relativer Bewegung zwischen den Weltraumaufzügen der Erde und des Mondes, das im Wesentlichen bei Kontakt in Energie umgewandelt werden kann. Die Geschwindigkeiten wären zu groß für eine Art direkte mechanische Verbindung (Raumzug), also müssten wir eine elektromagnetische Verbindung postulieren, aber das ist nicht unverschämt, da wir uns bereits im Weltraum befinden und (anscheinend) die Technologie zum Bauen haben Weltraumaufzüge zu beginnen.
Das anfängliche System besteht aus einem Körper, der durch Gezeiten in der Umlaufbahn eingeschlossen ist, während sich der andere Körper zu schnell dreht. Dies ist eine interessante Eigenschaft des Erde-Mond-Systems. Der Endzustand ist, dass die Erde den Mond in den Weltraum wirft. Unser Energieextraktionssystem würde diesen Prozess beschleunigen. Gezeitenkraft tut es auch, aber nicht so schnell. Die Länge eines Erdtages würde sich schneller verkürzen, je mehr Strom wir produzieren. Wenn wir es lange genug taten, würde der Mond davonfliegen, um mit dem Rest unseres Sonnensystems Gravitations-Billardkugeln zu spielen.
Völlig gezeitengesperrt
Diese Situation war die eigentliche Herausforderung für mich, darüber nachzudenken. Sie können keine Energie aus der Bewegung der Umlaufbahn oder der Rotation der Körper gewinnen, es sei denn, Sie können einen anderen Referenzrahmen ergreifen. Von der Formulierung des Problems her ist das nicht erlaubt (es ist auch nicht sehr praktisch).
Es stellt sich heraus, dass wir diesem System Energie entziehen könnten , wenn ein Körper größer als der andere ist, aber nur Gravitationsenergie . Hier ist wie:
Stellen Sie sich das Erde-Mond-System vor. Der Gravitationsbrunnen des Mondes ist im Vergleich zu dem der Erde ziemlich klein. Werfen Sie also auf dem Mond Steine mit einer Railgun auf die Erde und zielen Sie auf die Umlaufbahn, damit sie LEO streifen. Haben Sie in LEO ein Fängersystem, das die Energie umwandelt. Dies könnte ein einfacher Orbitalring sein (viel einfacher als ein Weltraumaufzug), obwohl der Teil "Fangen" schwierig sein wird, ist er dennoch physisch vertretbar. Dieses System wird völlig unabhängig von der Rotation der Erde funktionieren. Sie könnten Steine in Ost-West-Umlaufbahnen oder West-Ost-Umlaufbahnen werfen und dies verwenden, um die Impulsänderungen durch das Fangen auszugleichen.
Im Endzustand dieses Systems verbleibt ein großer Teil der Mondmasse, die nahe der Erdoberfläche umkreist (sicher? wen interessiert das). Die niedrige kreisförmige Umlaufbahn ist energieärmer als die, mit der wir begonnen haben, und daher schließen wir, dass die vom Fänger gewonnene Energie mehr sein könnte , als zum Abschuss von Steinen von der Railgun auf den Mond benötigt wird. Aber wichtig ist, dass dies nicht von einer Orbitalbewegung herrührt. Es kommt von Gravitationsenergie .
Das letzte System wird (wieder) den Mond in den Weltraum werfen. In LEO müssten Sie den zusätzlichen Schwung zerstreuen, was Sie durch den Ost / West-Wechsel tun würden, aber um das Schema so lange wie möglich aufrechtzuerhalten, würden Sie es vorziehen, die gefangene Masse in der West->Ost-Umlaufbahn zu parken, weil die die richtige Richtung des Drehimpulses enthält. Jede Nutzlast, die Sie starten, wird jedoch den Mond weiter nach außen schieben, unabhängig von ihrem Ziel auf der Erde. Die Schwerkraft des Mondes selbst ist kein Deal-Breaker, da die durchschnittliche Gravitationsbindungsenergie des Mondes klein ist im Vergleich zu der Energie, die entsteht, wenn etwas aus der Unendlichkeit in eine LEO-Umlaufbahn fällt .
Am Ende befindet sich also ein riesiger orbitaler Ring aus Mondgestein in LEO, ein übrig gebliebener Mond steht kurz davor, abtrünnig zu werden, und ein Haufen Politiker fragen sich: " Was nun ?"
Der Übergang, den ich beschreibe, ist eine Art Ostwald-Reifung von Planeten, bei der die Energie minimiert wird, indem alle kleinen Körper zu größeren Körpern kombiniert werden, wie eine Unternehmenskonsolidierung. Innerhalb umlaufender Systeme muss man aber noch einen kleinen Teil ins All abführen, um die Drehimpulsbedingung zu erhalten. Schließlich haben wir im Grunde deshalb überhaupt einen Mond! Es wäre unmöglich, die Erde und den Mond zu einem einzigen Körper zu vereinen, da die Schwerkraft nicht stark genug ist, um diesen Körper mit seinem gegenwärtigen Drehimpulswert zusammenzuhalten. Am Ende des Prozesses kann der größere Planet (durch Design) mit einem gewissen Drehimpuls belassen werden, und das kleinere Objekt kann die Fluchtgeschwindigkeit um einen gewissen Betrag überschreiten, der durch die Optimierung des Problems diktiert wird.
Gezeitengesperrte, gleiche Massen
Dies ist das schwierigste System, aus dem Energie gewonnen werden kann, weil es nicht differentiell gemacht werden kann . Sie können einen Teil der Masse von einem Objekt in das andere werfen, aber selbst mit 100% Effizienz erreichen Sie genau die Gewinnschwelle. Aus praktischen Gründen macht dies das Schema unmöglich. Sie müssen Massen von Planeten bewegen, bevor Sie anfangen können, eine Auszahlung zu erhalten, und das ist Unsinn ... es sei denn, wir sprechen vielleicht von einem binären Asteroidensystem, das Masse mithilfe eines (buchstäblichen) Förderbandes übertragen könnte.
Was große Systeme betrifft, so würde man daraus nur mit einem anderen Bezugsrahmen im Bild Energie gewinnen.
DJohnM
AlanSE