Ist ein "atmosphärischer geostationärer Satellit" mit der aktuellen Technologie machbar?

Kurze Antwort: Nein.

Lange Antwort: Ihre Bedingung „unbegrenzte Zeit“ macht die kurze Antwort einfach. Wenn Sie für eine begrenzte Zeit aufsteigen müssen und die Zeit des Auf- und Abstiegs frei wählen können, lautet die Antwort: Möglicherweise.

Erstens gibt es zwei Möglichkeiten, dorthin zu gelangen: einen Ballon und ein Flugzeug. Ein Hubschrauber wäre viel weniger effizient, das Halteseil eines Ballons wäre zu schwer zum Anheben, und Sie werden sehen, dass selbst ein segelflugzeugähnliches Flugzeug Schwierigkeiten haben wird, einige Zeit bei 30 km zu bleiben.

Als nächstes beträgt der atmosphärische Druck bei 30 km 12 mbar, nur 1,2 % dessen, was er am Boden ist. Ihr Flugzeug muss also mit einer gewissen Geschwindigkeit fliegen, um genügend Auftrieb zu erzeugen. Wenn wir davon ausgehen, dass Sie mit Mach 0,5 bis 0,6 fliegen (wo Hochauftriebsflügel und Propeller noch funktionieren können), entspricht Ihr dynamischer Druck dem eines modernen Segelflugzeugs bei niedriger Geschwindigkeit. Tatsächlich liegt die Fluggeschwindigkeit aber zwischen 150 und 180 m/s.

Nehmen wir nun an, Ihr Flugzeug hat ein L/D von 50. Dies entspricht einem Leistungsbedarf von 3 bis 3,6 kW pro Tonne Flugzeugmasse, nur um in der Luft zu bleiben. Ihr Propeller wird nicht mehr als 85 % Wirkungsgrad haben, und Ihr Motor wird auch einen gewissen Verlust verursachen, daher muss Ihre installierte Leistung mindestens 4 kW pro Tonne Flugzeugmasse betragen. Da Sie mit dem Staudruck eines Segelflugzeugs fliegen, haben Sie auch eine segelflugähnliche Flächenbelastung von 30 kg/m². Pro Tonne beträgt Ihre Flügelfläche 33,3 m². Einen luftatmenden Motor in dieser Höhe zu betreiben, ist eine Herausforderung, also gehe ich von einem solarelektrischen Antrieb aus. Seien wir optimistisch und nehmen eine Solarkonstante von 1,4 kW/m² in dieser Höhe an, und Sie fliegen in gemäßigten Breiten (z. B. 45°), sodass Ihre Solarmodule (20 % Effizienz) 200 W pro m² oder 5,3 kW pro erzeugen können Tonne Flugzeugmasse (unter der Annahme, dass 80 % der Tragfläche bedeckt sind, der Rest hat eine zu starke Krümmung). Das alles gilt natürlich nur um die Mittagszeit, wenn man also übernachten möchte, reicht auch im Sommer selbst bei sehr optimistischen Annahmen nicht genug Energie, um das Flugzeug länger in der Luft zu halten. Vielleicht möchten Sie Batterien annehmen, die den Strom für die Steigphase liefern können, also starten Sie mitten in der Nacht und kommen (mit leeren Batterien) am späten Morgen in der Höhe an. Dann bleiben Sie vielleicht wirklich bis 14 oder 15 Uhr dort, wenn die untergehende Sonne bedeutet, dass Ihre Solarmodule nicht genug Strom liefern, um oben zu bleiben, geschweige denn die Batterien aufzuladen. Und ich habe nicht einmal angefangen, die Energie für den Betrieb irgendwelcher Geräte abzuziehen (was der Grund wäre, überhaupt dorthin zu gehen, oder?). will man also über nacht bleiben, reicht die energie auch im sommer selbst bei sehr optimistischen annahmen nicht aus, um das flugzeug längere zeit in der luft zu halten. Vielleicht möchten Sie Batterien annehmen, die den Strom für die Steigphase liefern können, also heben Sie mitten in der Nacht ab und kommen (mit leeren Batterien) am späten Morgen in der Höhe an. Dann bleiben Sie vielleicht wirklich bis 14 oder 15 Uhr dort, wenn die untergehende Sonne bedeutet, dass Ihre Solarmodule nicht genug Strom liefern, um oben zu bleiben, geschweige denn die Batterien aufzuladen. Und ich habe noch nicht einmal angefangen, die Energie für den Betrieb irgendwelcher Geräte abzuziehen (was der Grund wäre, überhaupt dorthin zu gehen, oder?). will man also über nacht bleiben, reicht die energie auch im sommer selbst bei sehr optimistischen annahmen nicht aus, um das flugzeug längere zeit in der luft zu halten. Vielleicht möchten Sie Batterien annehmen, die den Strom für die Steigphase liefern können, also starten Sie mitten in der Nacht und kommen (mit leeren Batterien) am späten Morgen in der Höhe an. Dann bleiben Sie vielleicht wirklich bis 14 oder 15 Uhr dort, wenn die untergehende Sonne bedeutet, dass Ihre Solarmodule nicht genug Strom liefern, um oben zu bleiben, geschweige denn die Batterien aufzuladen. Und ich habe nicht einmal angefangen, die Energie für den Betrieb irgendwelcher Geräte abzuziehen (was der Grund wäre, überhaupt dorthin zu gehen, oder?). Vielleicht möchten Sie Batterien annehmen, die den Strom für die Steigphase liefern können, also starten Sie mitten in der Nacht und kommen (mit leeren Batterien) am späten Morgen in der Höhe an. Dann bleiben Sie vielleicht wirklich bis 14 oder 15 Uhr dort, wenn die untergehende Sonne bedeutet, dass Ihre Solarmodule nicht genug Strom liefern, um oben zu bleiben, geschweige denn die Batterien aufzuladen. Und ich habe nicht einmal angefangen, die Energie für den Betrieb irgendwelcher Geräte abzuziehen (was der Grund wäre, überhaupt dorthin zu gehen, oder?). Vielleicht möchten Sie Batterien annehmen, die den Strom für die Steigphase liefern können, also heben Sie mitten in der Nacht ab und kommen (mit leeren Batterien) am späten Morgen in der Höhe an. Dann bleiben Sie vielleicht wirklich bis 14 oder 15 Uhr dort, wenn die untergehende Sonne bedeutet, dass Ihre Solarmodule nicht genug Strom liefern, um oben zu bleiben, geschweige denn die Batterien aufzuladen. Und ich habe noch nicht einmal angefangen, die Energie für den Betrieb irgendwelcher Geräte abzuziehen (was der Grund wäre, überhaupt dorthin zu gehen, oder?).

Eine niedrigere Flächenbelastung bedeutet, dass Sie eine sehr empfindliche Struktur haben, die den Winden bei 30 km und der Böenbelastung in geringerer Höhe nicht standhalten kann.

Dieser Wind wird auch ein Problem für jeden Ballon sein. 20% der Winde auf 30 km liegen über 76 m/s (Mil Std. 210C), 5% sogar über 98 m/s. Ein Kubikmeter Helium gibt Ihnen 10 N Auftrieb auf Meereshöhe, aber nur 0,156 N auf 30 km. Um eine Tonne Ballon auf 30 km hochzuheben, benötigt man 63.000 m³ Volumen. Das ist eine Kugel mit einem Durchmesser von 50 m! Die Windkräfte, um dieses Ding angebunden zu halten, benötigen ein starkes und schweres Halteband. Ohne auf die Details einzugehen, denke ich, dass ein angebundener Ballon eine Herausforderung sein wird, um es milde auszudrücken.

Die "Facebook-Drohne"-Artikel sind nicht ernst gemeint, sie sollen etwas PR schaffen, und halten Sie nicht die Luft an für Internet, das bald von Drohnen geliefert wird.

Im Jahr 2003 schaffte es das solarbetriebene Helios-Flugzeug der NASA auf 29,52 km (Umrundungen bis zu 30 km!). Leider löste es sich im Flug auf, und ich kann keinen Hinweis auf eine Fortsetzung finden. Ein Flugzeug wäre energieeffizienter als ein Hubschrauber, sogar ein Hubschrauber in Vorwärtsbewegung, also gehe ich davon aus, dass ein Flugzeug das ist, was Sie zuerst sehen würden. Das Problem, Energie zu speichern und nachts zu fliegen, kann unüberwindbar sein. (Vielleicht Mikrowellenenergie zum Flugzeug strahlen?)

Man könnte sich fast ein Zeppelin oder Luftschiff mit Antrieb vorstellen, um den Wind zu bekämpfen, aber es wäre schwierig, in dieser Höhe viel Nutzlast zu bekommen, und der Wind dort oben ist schnell . Also auf keinen Fall.

Wenn Sie eine lange Linie, die Flugzeuge vermeiden müssten, nicht stören, ist ein Drachen eine andere Möglichkeit und würde das Problem der Energie für die Nutzlast in der Nacht lösen. Dort oben gibt es ziemlich konstante Winde, also wenn Sie es schaffen, können Sie sich einen Drachen vorstellen, der lange fliegt.

Ein Fesselballon könnte im Prinzip auch funktionieren und hätte mehr Nutzlast als ein Freiballon, der versucht, gegen den Wind zu fliegen. Die Ballonhülle müsste jedoch stark und daher schwer sein, um dem Halten durch das Halteseil gegen den Wind zu widerstehen. Selbst eine Ballonhülle, die nur dreimal so dick ist wie die, die für Nullwindbedingungen ausgelegt ist, würde zu keinerlei Nutzlastkapazität führen.

Der Drachen scheint am plausibelsten, aber diese Höhe liegt weit über dem aktuellen Rekord von 5,7 km. Eine Reihe von Drachen entlang der Leine kann helfen, die Masse des Halteseils zu tragen.

Keines dieser Dinge könnte als "Satellit" bezeichnet werden.

Je nach Ihrer Definition von "unbegrenzt" ist es nicht nur bereits möglich, sondern Sie können (oder könnten) es bereits kaufen.

Titan Aerospace stellte letztes Jahr die Solara vor. Es ist ein solarbetriebenes Flugzeug mit einer erwarteten Flugzeit von 5 Jahren. Offensichtlich haben sie es seit 5 Jahren nicht mehr getestet, aber im schlimmsten Fall müssten Sie es alle paar Jahre zur Wartung landen. Der Zielmarkt ist speziell atmosphärischer Satellit.

Sie hatten eine Webseite, wo man einen bestellen konnte. Als ich das letzte Mal ihre Website überprüfte, deutete dies darauf hin, dass sie 5 Bestellungen hatten. Sie hatten eine Fortschrittsanzeige, wann Sie damit rechnen können, Ihr Flugzeug zu bekommen, wenn Sie mehrere Millionen Dollar ausgeben müssen, und sie sagten, dass es ungefähr einen Monat dauert, um eines zu bauen. Als ich nachsah, sagten sie, dass es frühestens in 5 Monaten zu erwarten sei.

Leider ist die Website seit dem Kauf des Unternehmens durch Google nicht mehr verfügbar, sodass auf ihrer Website nicht viel zu finden ist. Aber wenn Sie „Titan Solara“ googeln, sehen Sie vielleicht Bilder ihres Flugzeugs.

Hier ist ein Arstechnica-Artikel über die Solara: http://arstechnica.com/information-technology/2013/08/almost-orbital-solar-powered-drone-offered-as-atmospheric-satellite/

Hinweis: Der Solara ist so konzipiert, dass er etwa 20 km hoch herumlungert, nicht 30 km.

Facebook erwägt den Bau solarbetriebener Kommunikationsdrohnen . Laut der verlinkten Verge-Geschichte würden sie bei 20 km schweben.

Ich würde diese Drohnen nicht Satelliten nennen, sie sind nicht im Orbit. Eine Umlaufbahn in dieser Höhe hätte eine Geschwindigkeit von fast 8 km/s und die Dauer der Umlaufbahn würde etwa anderthalb Stunden betragen. Ein Orbital-Sat in geringer Höhe würde nicht stationär über einem bestimmten Ort schweben. Sie müssen bis auf etwa 36.000 Kilometer aufsteigen, bevor die Sats langsam genug werden, um sich der Erdrotation anzupassen.

Bearbeiten: Hinzufügen einer Illustration, um zu zeigen, wie sich die Höhe auf den Fußabdruckradius auswirkt.

Wobei r der Erdradius (6378 km) und a die Höhendrohne (entweder 20 oder 30 km) ist.

Der Fußabdruckradius für niedrige Höhen wird durch r sin α angenähert, wobei α gleich acos(r/(r+a)) ist.

Bei einer Drohne auf 20 km kommt das auf einen Radius von 503 km, bei einer Drohne auf 30 km auf einen Radius von 616 km. (503/616)^2 ist ~.668. Das Absenken der Drohne auf 20 km würde einen Fußabdruck von etwa 2/3 der Fläche ergeben.