Weltraumaufzug, neue Technologie einer alten Erfindung. Weltraumaufzug und Nanotechnologie. Konzept der japanischen Obayashi Corporation

Die Idee eines Weltraumaufzugs beschäftigt die Menschheit seit vielen Jahren, seit der russischen Wissenschaftler Konstantin Tsiolkovsky war der erste, der das Konzept und Konzept formulierte. Inspiriert durch den kürzlich erbauten Eiffelturm beschrieb er dies gesondert stehende Struktur, erstreckt sich vom Boden bis zur geostationären Umlaufbahn. Er erhebt sich 36.000 Kilometer über dem Äquator und folgt der Richtung der Erdrotation und endet bei Umlaufzeit Genau eines Tages würde dieses Bauwerk an einem festen Platz bleiben.

Detailliertere Vorschläge entstanden Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts, als der Wettlauf ins All begann und bemannte Missionen in die Erdumlaufbahn immer alltäglicher wurden. Man hoffte, dass ein Weltraumaufzug die Kosten für das Erreichen der Erdumlaufbahn drastisch senken und den Zugang zum erdnahen Weltraum revolutionieren könnte. Weltraum, zum Mond, zum Mars und sogar darüber hinaus. Die Anfangsinvestitionen und das Niveau der notwendigen Technologien machten jedoch deutlich, dass ein solches Projekt undurchführbar war, und gaben ihm einen Platz in der Praxis Science-Fiction.

In den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts wurde das Konzept ernsthafter angegangen, da Technologien für . Diese ausgedehnten zylindrischen Strukturen mit einem Durchmesser von einem bis mehreren zehn Nanometern können zu Fäden unbegrenzter Länge „verwoben“ werden. Darüber hinaus verfügt dieses Material über eine ausreichend hohe Festigkeit und gleichzeitig eine geringe Dichte, die für die Herstellung eines Weltraumaufzugskabels erforderlich ist.

Einschränkung in einem anderen: vorerst Kohlenstoff-Nanoröhren werden in kleinen Mengen hergestellt. Es reicht kein einziges Kabel „in den Himmel“. Im Jahr 2004 betrug die Rekordlänge einer einwandigen Nanoröhre nur 0,4 Zentimeter; im Jahr 2006 gelang es Wissenschaftlern, das Nanoprodukt auf 7 Millimeter zu verlängern. Im Jahr 2008 gelang es Wissenschaftlern, einen „Teppich“ aus Nanoröhren zu weben, dessen Länge 185 Zentimeter und die Breite 92 cm erreichte. Seitdem gab es jedoch keine neuen Durchbrüche in dieser Branche. Diese Technologie ist sehr vielversprechend, es bedarf jedoch weiterer Forschung, um den Produktionsprozess zu verbessern.

Unterdessen entwickeln Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Idee eines Weltraumaufzugs weiter. So kündigten die Japaner Anfang 2012, Ende 2012 an. Im Jahr 2013 erinnerten sich die Medien an die russischen Wurzeln des „Weltraumaufzugs“ und. Wann werden solche scheinbar verrückten Ideen Wirklichkeit?

Wenn wir uns auf die Prinzipien der Zukunftsforschung verlassen, Datenextrapolationsmethoden verwenden, gehen wir von der globalen Dynamik der Finanzierung aus wissenschaftliche Tätigkeit auf dem gleichen Niveau bleiben wird, berücksichtigen wir politische, wirtschaftliche und soziale Komponenten, dann können wir ziemlich genau vorhersagen wissenschaftliche Entdeckungen, ungefähre Zeit Erstellen eines Prototyps, Einführung von Technologien in Massenproduktion und der Beginn der Nutzung darauf basierender Produkte durch die Gesellschaft. Beispielsweise gilt das Mooresche Gesetz seit mehr als 40 Jahren in der Elektronik.

Zukunftsforscher bestätigen anhand von Fakten: wissenschaftliche Arbeiten und der Trend, dass die Entwicklung neuer Verfahren zur Synthese von Kohlenstoffnanoröhren mehrere Jahrzehnte Forschung erfordern wird. Eine solche Entdeckung wird ungefähr in den 2040er Jahren erfolgen und den Bereich Maschinenbau und Bauwesen revolutionieren. Mit der Fähigkeit, Miniatur-Nanoröhren zu längeren Fäden zu „weben“, wird die Menschheit Materialien mit hoher Festigkeit erhalten (hunderte Male stärker als Stahl und zehnmal stärker als Kevlar). Neben vielen anderen Anwendungen wird auch die Technologie zum Bau eines Weltraumaufzugs verfügbar sein. Stellen wir uns vor, die erforderliche Stärke von 130 Gigapascal wäre erreicht, was dann? Designprobleme bleiben bestehen. Beispielsweise muss entschieden werden, wie gefährliche Vibrationen im Kabel neutralisiert werden können, die durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne sowie durch Druck durch Böen verursacht werden Sonnenwind?

Zudem müssen große rechtliche und finanzielle Schwierigkeiten überwunden werden. Es bedarf neuer internationaler Abkommen zur Flugsicherheit, Luftsicherheit und Entschädigung bei Unfällen oder terroristischen Vorfällen. Die Funktionsweise des Versicherungsmechanismus ist angesichts des potenziellen Ausmaßes der Katastrophe im Falle eines Fehlers besonders besorgniserregend. In der Zwischenzeit werden kleinere Versuchsstrukturen gebaut, um die Grundkonzepte in tieferen Höhen zu demonstrieren. Dies wird letztendlich den Weg für viel größere Strukturen ebnen

Ende der 2070er Jahre, nach 15 Jahren aktiver Bauzeit, wird der Weltraumaufzug, der von der Erdoberfläche bis zur geostationären Umlaufbahn reicht, vollständig betriebsbereit sein. Der Bauprozess umfasst die Platzierung Raumfahrzeug in einer festen Position in einer Höhe von 35.786 Kilometern über dem Äquator, dann wird ein Kabel, das sich allmählich in Richtung Erde ausdehnt, nach unten gezogen. Von diesem Punkt aus wird es auch nach oben verlegt – bis zu einer Höhe von mehr als 47.000 Kilometern, wo Objekte nicht der Schwerkraft der Erde ausgesetzt sind. Am äußeren Ende des Kabels befindet sich ein großes Gegengewicht, um das Kabel gespannt zu halten. " Anhaltspunkt„Und der Standort der Raumaufzug-Bodenstation wird höchstwahrscheinlich Französisch-Guayana sein, Zentralafrika, Sri Lanka oder Indonesien.

Wie die meisten Transport- und Infrastrukturformen im späten 21. Jahrhundert wird auch der Weltraumaufzug durch Systeme und Programme gesteuert. Sie überwachen ständig alle Teile des Bauwerks und sorgen für die Aufrechterhaltung seiner Struktur, Gebrauchstauglichkeit und Leistung. Bei Bedarf können Roboter entsandt werden, um Probleme im Kabelnetz oder anderen Aufzugskomponenten vom Boden bis ins kalte Vakuum des Weltraums zu beheben.

Weltraumaufzug wird die Raumfahrtindustrie verändern: Menschen und Fracht werden im Vergleich zu herkömmlichen Trägerraketen zu deutlich geringeren Kosten in die Umlaufbahn gebracht. Mehr als 1.000 Tonnen Material können mit einem Aufzug an einem einzigen Tag in den luftleeren Raum befördert werden, mehr als das Gewicht der Internationalen Raumstation, deren Bau um die Jahrhundertwende mehr als ein Jahrzehnt dauerte.

Ein solcher Aufstieg nimmt im Vergleich zu Raketen natürlich viel Zeit in Anspruch, verläuft aber reibungsloser, ohne große Überlastungen und ohne den Einsatz von Sprengstoff. Beim Verlassen der Atmosphäre und Erreichen einer niedrigen Erdumlaufbahn, zwischen 160 und 2000 Kilometern, können Schiffe mit Fracht oder Passagieren eintreten eigene Umlaufbahn um die Welt. Darüber hinaus können sie die geosynchrone Umlaufbahn verlassen (Sie müssen nur die Geschwindigkeit erhöhen), um der Schwerkraft der Erde zu entkommen und weiter zu weiter entfernten Orten zu reisen, beispielsweise zum Mond oder Mars.

In den kommenden Jahrzehnten werden weitere Weltraumaufzüge über die Erde hinaus im Einsatz sein: auf dem Mond, dem Mars und vielleicht sogar in anderen Teilen des Sonnensystems. Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden die Kosten für Nanoröhren sinken und gleichzeitig auch die technischen Risiken sinken. Darüber hinaus wird der Bau von Aufzügen aufgrund der geringen Schwerkraft einfacher: 0,16 g auf dem Mond und 0,38 g auf dem Mars.

Auch wenn die 2070er Jahre für viele so weit weg und unerreichbar erscheinen, bestehende Probleme In der Wissenschaft hängt es von Ihnen und mir ab, wie die Zukunft aussehen wird und wie schnell sie kommen wird.

Wir danken Mikhail Astakhov und dem Zukunftsprojekt „The Future Now“ für die Erstellung des Artikels.

Welcher Junge träumt nicht davon, Astronaut zu werden? Allerdings können weltweit nur wenige Menschen diesen Traum verwirklichen, und nur sehr reiche Menschen können einen privaten Raumflug unternehmen. Aber im Jahr 2050 wird fast jeder in die Umlaufbahn gelangen können. Schließlich Japan verspricht, bis dahin die Weltneuheit auf den Markt zu bringen Aufzug zum Weltraum.

Unter den vielen Bemühungen, den Weltraum zu erforschen, kann man die Initiative des japanischen Baukonzerns Obayashi zur Schaffung eines Orbitalaufzugs gesondert hervorheben. Dieses Fahrzeug soll den Autoren zufolge bis 2050 erscheinen. Es verspricht die günstigste Möglichkeit zu sein, Menschen und Fracht ins All zu befördern.

Der Aufzug wird sich mit einer Geschwindigkeit von 200 Kilometern pro Stunde entlang eines ultrastarken und ultraleichten Kabels bewegen, das von der Erdoberfläche zu einer entfernten Orbitalstation führt, wo nicht nur Wissenschaftliches Labor, aber auch ein Hotel für Weltraumtouristen, von denen es mit dem Aufkommen dieser Art von Transport hunderte oder sogar tausende Male mehr geben wird, als es in unserer Zeit gibt.

Was Obayashis kühnes Versprechen möglich macht, ist die Entwicklung neuer Materialien, aus denen Fasern entstehen können, die hundertmal stärker sind als Stahl. Und diese Technologien entwickeln sich mit jedem neuen Jahr, mit jedem neuen Monat weiter.

Darüber hinaus finden jährlich internationale technische Wettbewerbe statt, bei denen die Teilnehmer Ideen zur Umsetzung eines Weltraumaufzugs erarbeiten. Sie entwickeln neue Materialien und innovative Technologien für den Transport von Fracht in den Orbit. Gleichzeitig werden die Ideen von Jahr zu Jahr klarer und erfolgsversprechender.

Die Kombination der oben beschriebenen Faktoren ermöglicht es der Obayashi Corporation, erstaunliche Behauptungen über die Möglichkeit aufzustellen, bis 2050 einen Orbitalaufzug zu starten.

IV. Interregionale Schülerkonferenz

„Weg zu den Sternen“

Weltraumaufzug – Fiktion oder Realität?

Vollendet:

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Aufsicht:

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Jaroslawl

Einführung

Ideen für Weltraumaufzüge von K.E. Tsiolkovsky, Yu.N. Artsutanova, G.G. Poljakowa

Entwurf eines Weltraumaufzugs

Beschreibung moderne Projekte

Abschluss

Einführung

1978 erschien Arthur C. Clarkes Science-Fiction-Roman „The Fountains of Paradise“, der sich der Idee widmete, einen Weltraumaufzug zu bauen. Die Handlung spielt im 22. Jahrhundert auf der nicht existierenden Insel Taproban, die, wie der Autor im Vorwort ausführt, zu 90 % der Insel Ceylon (Sri Lanka) entspricht.

Oftmals sagen Science-Fiction-Autoren das Erscheinen einer Erfindung nicht aus ihrem eigenen Jahrhundert, sondern aus einer viel späteren Zeit voraus.

Was ist ein Weltraumaufzug?

Ein Weltraumaufzug ist ein Konzept einer technischen Struktur zum Befördern von Fracht in den Weltraum ohne Raketen. Dieses hypothetische Design basiert auf der Verwendung eines Kabels, das von der Oberfläche des Planeten bis dorthin reicht Orbitalstation, befindet sich auf dem GSO. Zum ersten Mal wurde eine solche Idee 1895 von Konstantin Tsiolkovsky geäußert; die Idee wurde in den Werken von Yuri Artsutanov ausführlich entwickelt.

Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, die Möglichkeit des Baus eines Weltraumaufzugs zu untersuchen.

Ideen für Weltraumaufzüge von K.E. Tsiolkovsky, Yu.N. Artsutanov und G.G. Poljakowa

Konstantin Tsiolkovsky – russischer und sowjetischer Autodidakt und Erfinder, Schullehrer. Begründer der theoretischen Kosmonautik. Er begründete den Einsatz von Raketen für Raumflüge und kam zu dem Schluss, dass der Einsatz von „Raketenzügen“ – Prototypen mehrstufiger Raketen – notwendig sei. Seine wichtigsten wissenschaftlichen Arbeiten beziehen sich auf Luftfahrt, Raketendynamik und Raumfahrt.

Vertreter des russischen Kosmismus, Mitglied der Russischen Gesellschaft der Liebhaber der Weltstudien. Autor von Science-Fiction-Werken, Unterstützer und Propagandist der Ideen der Weltraumforschung. Tsiolkovsky schlug vor, den Weltraum mithilfe von Orbitalstationen zu bevölkern. Er glaubte, dass die Entwicklung des Lebens auf einem der Planeten des Universums eine solche Kraft und Perfektion erreichen würde, dass es möglich wäre, die Schwerkraft zu überwinden und das Leben im gesamten Universum zu verbreiten.

Im Jahr 1895 formulierte der russische Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky als erster das Konzept und die Idee eines Weltraumaufzugs. Er beschrieb eine freistehende Struktur, die sich vom Boden bis zur geostationären Umlaufbahn erstreckte. Mit einer Höhe von 36.000 Kilometern über dem Äquator und der Richtung der Erdrotation folgend, würde dieses Bauwerk am Endpunkt mit einer Umlaufzeit von genau einem Tag an einer festen Position bleiben.

YU
Riy Nikolaevich Artsutanov ist ein in Leningrad geborener russischer Ingenieur. Absolvent der Leningrader Schule

Das Institute of Technology gilt als einer der Pioniere der Idee des Weltraumaufzugs. 1960 schrieb er den Artikel „To Space – by Electric Locomotive“, in dem er das Konzept eines Weltraumaufzugs als kostengünstige, sichere und bequeme Möglichkeit zum Zugang zur Umlaufbahn diskutierte, um die Erforschung des Weltraums zu erleichtern.

Juri Nikolajewitsch entwickelte die Idee von Konstantin Ziolkowski. Artsutanovs Konzept basierte darauf, geosynchrone Satelliten über ein Kabel mit der Erde zu verbinden. Er schlug vor, den Satelliten als Basis für den Turmbau zu verwenden, da der geosynchrone Satellit über einem festen Punkt am Äquator bleiben würde. Mit Hilfe eines Gegengewichts wird das Kabel aus der geosynchronen Umlaufbahn auf die Erdoberfläche abgesenkt, während sich das Gegengewicht von der Erde wegbewegt und den Schwerpunkt des Kabels relativ zur Erde stationär hält.

A Rtsutanov schlug vor, ein Ende eines solchen „Seils“ am Erdäquator zu befestigen und am zweiten Ende, das sich weit außerhalb der Planetenatmosphäre befindet, ein Ausgleichsgewicht anzubringen. Wäre das „Seil“ lang genug, würde die Zentrifugalkraft die Schwerkraft übertreffen und verhindern, dass die Last auf die Erde fällt. Aus den Berechnungen von Artsutanov geht hervor, dass Anziehungskraft und Zentrifugalkraft in einer Höhe von etwa 42.000 Kilometern gleich sind. Gleich Null Die Resultierende dieser Kräfte fixiert den „Stein“ zuverlässig im Zenit.

Jetzt fahren versiegelte Elektrolokomotiven senkrecht nach oben – in Richtung Orbit. Eine sanfte Erhöhung der Geschwindigkeit und sanftes Bremsen tragen dazu bei, Überlastungen zu vermeiden, die für einen Raketenstart charakteristisch sind. Nach mehreren Stunden Fahrt mit einer Geschwindigkeit von 10 – 20 Kilometern pro Sekunde folgt der erste Stopp – am Punkt der Tagundnachtgleiche, wo eine in der Schwerelosigkeit ausgebreitete Umschlagstation die Türen von Bars, Restaurants, Lounges – und einem wunderbaren – öffnen wird Blick auf die Erde aus den Fenstern.

Nach dem Anhalten kann sich die Kabine nicht nur ohne Energieverschwendung bewegen, da sie durch die Zentrifugalkraft von der Erde weggeschleudert wird, sondern der in den Dynamomodus geschaltete Motor erzeugt darüber hinaus auch den für die Rückkehr notwendigen Strom .

Der zweite und letzte Stopp sollte in einer Entfernung von 60.000 Kilometern von der Erde stattfinden, wo die resultierenden Kräfte der Schwerkraft auf der Erdoberfläche entsprechen würden und die Erzeugung künstlicher Schwerkraft an der „Endstation“ ermöglichen würde “. Hier, am Rande der längsten Seilbahn, wird ein echter orbitaler Weltraumbahnhof entstehen. Wie erwartet wird er Raumschiffe quer durch das Sonnensystem starten, ihnen eine respektable Geschwindigkeit verleihen und eine Flugbahn vorgeben.

Da er sich nicht auf ein primitives Seil beschränken wollte, hängte Yuri Artsutanov Solarkraftwerke daran auf und verarbeitete sie Solarenergie V elektrischer Strom und Magnetspulen, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Auf diesem Feld muss sich eine „elektrische Lokomotive“ bewegen.

Wenn wir das Gewicht einer solchen magnetischen Straßenoberfläche unter Berücksichtigung der Länge von 60.000 Kilometern abschätzen, dann stellt sich heraus, dass es Hunderte Millionen Tonnen sind? Viel mehr. Um dieses Gewicht in die Umlaufbahn zu befördern, sind mehr als tausend Raketen erforderlich! Damals schien es unmöglich.

Diesmal hatte der Wissenschaftler jedoch die richtige Idee: Der Aufzug muss nicht wie ein riesiger Zyklopenturm von unten nach oben gebaut werden – es reicht aus, ihn zu starten geostationäre Umlaufbahn künstlicher Satellit, von dem der erste Thread heruntergezogen wird. Im Querschnitt wird dieser Faden dünner sein als ein menschliches Haar, so dass sein Gewicht tausend Tonnen nicht überschreitet. Nachdem das freie Ende des Fadens an der Erdoberfläche befestigt ist, läuft eine „Spinne“ von oben nach unten entlang des Fadens – ein leichtes Gerät, das einen zweiten, parallelen Faden webt. Es wird funktionieren, bis das Seil dick genug ist, um die „elektrische Lokomotive“, das elektromagnetische Blech, Solarkraftwerke, Toiletten und Restaurants zu tragen.

Es ist durchaus verständlich, warum die Idee von Yuri Valerievich Artsutanov im Zeitalter der Weltraumrennen von niemandem bemerkt wurde. Damals gab es kein Material, das dem standhalten konnte Hoher Drück Kabelbruch.

In der Weiterentwicklung von Artsutanovs Ideen schlug Georgy Polyakov vom Astrachaner Pädagogischen Institut 1977 sein Weltraumaufzugsprojekt vor.

Im Grunde unterscheidet sich dieser Aufzug kaum von dem oben beschriebenen. Polyakov weist nur darauf hin: Ein echter Weltraumaufzug wird viel komplizierter sein als der von Artsutanov beschriebene. Tatsächlich wird es aus einer Reihe einfacher Aufzüge mit sukzessive abnehmender Länge bestehen. Jedes ist ein selbstbalanciertes System, aber nur wenn eines von ihnen die Erde erreicht, ist die Stabilität der gesamten Struktur gewährleistet.

Die Länge des Aufzugs (ungefähr das Vierfache des Erddurchmessers) wurde so gewählt, dass sich das Gerät, getrennt von seiner Spitze, durch Trägheit in den Weltraum bewegen konnte. Am obersten Punkt gibt es einen Ausgangspunkt für interplanetares Raumschiff. Und Schiffe, die von einem Flug zurückkehren, nachdem sie zuvor in eine stationäre Umlaufbahn eingetreten sind, „heben“ sich im Basisbereich.

Aus gestalterischer Sicht besteht ein Weltraumaufzug aus zwei parallelen Rohren oder Schächten mit rechteckigem Querschnitt, deren Wandstärke nach einem bestimmten Gesetz variiert. Auf einer davon bewegen sich die Kabinen nach oben und auf der anderen nach unten. Natürlich hindert Sie nichts daran, mehrere dieser Paare zu bilden. Das Rohr ist möglicherweise nicht durchgehend, sondern besteht aus vielen parallelen Kabeln, deren Position durch eine Reihe rechteckiger Querrahmen festgelegt ist. Dies erleichtert die Installation und Reparatur des Aufzugs.

Aufzugskabinen sind einfache Plattformen, die von einzelnen Elektromotoren angetrieben werden. Daran werden Lasten oder Wohnmodule befestigt – schließlich kann eine Fahrt im Aufzug eine Woche oder sogar länger dauern.

Um Energie zu sparen, können Sie ein ähnliches System erstellen Seilbahn. Es besteht aus einer Reihe von Flaschenzügen, durch die geschlossene Seile mit daran aufgehängten Kabinen geworfen werden. Am Aufzugsträger sind die Riemenscheibenachsen montiert, an denen die Elektromotoren montiert sind. Hier gleicht sich das Gewicht der auf- und absteigenden Kabinen gegenseitig aus, so dass die Energie nur für die Überwindung der Reibung aufgewendet wird.

Für die verbindenden „Fäden“, aus denen der Aufzug selbst besteht, muss ein Material verwendet werden, dessen Verhältnis von Bruchspannung zu Dichte 50-mal größer ist als das von Stahl. Dabei kann es sich um verschiedene „Komposite“, Schaumstähle, Berylliumlegierungen oder Kristallwhisker handeln …

Georgy Polyakov begnügt sich jedoch nicht damit, die Eigenschaften des Weltraumaufzugs zu klären. Er weist darauf hin, dass die geosynchrone Umlaufbahn bis zum Ende des 20. Jahrhunderts dicht mit den meisten Raumfahrzeugen „übersät“ sein wird verschiedene Arten und Termine. Und da sie alle relativ zu unserem Planeten praktisch bewegungslos sein werden, erscheint es sehr verlockend, sie über Weltraumaufzüge und eine ringförmige Transportautobahn mit der Erde und untereinander zu verbinden.

Basierend auf dieser Überlegung stellt Poljakow die Idee einer kosmischen „Halskette“ der Erde vor. Die Halskette wird als eine Art Seilbahn (oder Schiene) zwischen Orbitalstationen dienen und diesen auch im geosynchronen Orbit für ein stabiles Gleichgewicht sorgen.

Da die Länge der „Halskette“ sehr groß ist (260.000 Kilometer), können viele Stationen darauf platziert werden. Wenn die Siedlungen beispielsweise 100 Kilometer voneinander entfernt sind, beträgt ihre Zahl 2600. Bei einer Bevölkerung von 10.000 an jeder Station werden 26 Millionen Menschen auf dem Ring leben. Wenn die Größe und Anzahl solcher „Astro-Städte“ zunimmt, wird diese Zahl stark ansteigen.

Entwurf eines Weltraumaufzugs

Base

UM Die Basis eines Weltraumaufzugs ist die Stelle auf der Planetenoberfläche, an der das Kabel befestigt wird und das Heben der Last beginnt. Es kann mobil sein und auf einem Seeschiff platziert werden. Der Vorteil einer beweglichen Basis ist die Möglichkeit, Manöver durchzuführen, um Hurrikanen und Stürmen auszuweichen. Die Vorteile einer stationären Basis sind günstigere und besser zugängliche Energiequellen sowie die Möglichkeit, die Kabellänge zu reduzieren. Der Unterschied von einigen Kilometern Halteseil ist relativ gering, kann aber dazu beitragen, die erforderliche Dicke seines Mittelteils und die Länge des über die geostationäre Umlaufbahn hinausreichenden Teils zu verringern. Zusätzlich zur Basis kann eine Plattform auf Stratosphärenballons platziert werden, um das Gewicht des unteren Teils des Kabels zu reduzieren, mit der Möglichkeit, die Höhe zu ändern, um die turbulentesten Luftströme zu vermeiden und übermäßige Vibrationen über die gesamte Länge zu dämpfen des Kabels.

Kabel

Das Kabel muss aus einem Material mit extrem hoher Festigkeit bestehen hohe Einstellung Zugfestigkeit zu spezifisches Gewicht. Ein Weltraumaufzug ist wirtschaftlich sinnvoll, wenn er hergestellt werden kann industrieller Maßstab zu einem vernünftigen Preis ein Kabel mit einer mit Graphit vergleichbaren Dichte und einer Festigkeit von etwa 65-120 Gigapascal. Zum Vergleich: Die Festigkeit der meisten Stahlsorten beträgt etwa 1 GPa, und selbst die stärksten Sorten haben nicht mehr als 5 GPa und Stahl ist schwer. Das viel leichtere Kevlar hat eine Festigkeit im Bereich von 2,6–4,1 GPa und Quarzfaser hat eine Festigkeit von bis zu 20 GPa und mehr. Der Theorie zufolge sollten Kohlenstoffnanoröhren eine viel höhere Dehnbarkeit aufweisen, als sie für einen Weltraumaufzug erforderlich ist. Die Technologie, sie in industriellen Mengen herzustellen und zu Kabeln zu verweben, steht jedoch erst am Anfang der Entwicklung. Theoretisch sollte ihre Festigkeit mehr als 120 GPa betragen, aber in der Praxis betrug die höchste Zugfestigkeit einer einwandigen Nanoröhre 52 GPa, und im Durchschnitt brachen sie im Bereich von 30–50 GPa. Der stärkste aus Nanoröhren gewebte Faden ist schwächer als seine Bestandteile.

In einem Experiment von Wissenschaftlern der University of Southern California (USA) zeigten einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine spezifische Festigkeit, die 117-mal höher als Stahl und 30-mal höher als Kevlar ist. Es ist uns gelungen, den Wert von 98,9 GPa zu erreichen. Maximalwert Die Nanoröhrenlänge betrug 195 µm. Nach Ansicht einiger Wissenschaftler werden selbst Kohlenstoffnanoröhren niemals stark genug sein, um ein Kabel für einen Weltraumaufzug herzustellen.

Experimente von Wissenschaftlern aus Technische Universität Sydney ermöglichte die Herstellung von Graphenpapier. Probentests machen Mut: Die Dichte des Materials ist fünf- bis sechsmal geringer als die von Stahl, während die Zugfestigkeit zehnmal höher ist als die von Kohlenstoffstahl. Darüber hinaus ist Graphen guter Führer elektrischer Strom, der es ermöglicht, als Kontaktschiene Energie an den Aufzug zu übertragen.

Im Juni 2013 meldeten Ingenieure der Columbia University in den USA einen neuen Durchbruch: Dank einer neuen Technologie zur Herstellung von Graphen ist es möglich, Folien mit einer Diagonalgröße von mehreren zehn Zentimetern und einer Festigkeit zu erhalten, die nur 10 % unter der Theorie liegt.

Verdickung des Kabels

Der Weltraumaufzug muss mindestens sein Eigengewicht tragen, was aufgrund der Länge des Kabels erheblich ist. Eine Verdickung erhöht einerseits die Festigkeit des Kabels, andererseits erhöht es sein Gewicht und damit die erforderliche Festigkeit. Die Belastung variiert je nach verschiedene Orte: In einigen Fällen muss ein Abschnitt des Halteseils das Gewicht der darunter liegenden Segmente tragen, in anderen muss es der Zentrifugalkraft standhalten, die die oberen Teile des Halteseils in der Umlaufbahn hält. Um diese Bedingung zu erfüllen und an jedem Punkt ein optimales Kabel zu erreichen, wird seine Dicke variabel sein.

Es kann gezeigt werden, dass unter Berücksichtigung der Schwerkraft und der Zentrifugalkraft der Erde, ABER ohne Berücksichtigung des geringeren Einflusses von Mond und Sonne, der Querschnitt des Kabels in Abhängigkeit von der Höhe durch die folgende Formel beschrieben wird:

Wo ist die Querschnittsfläche des Kabels als Funktion des Abstands r vom Erdmittelpunkt?

Die Formel verwendet die folgenden Konstanten:

- Querschnittsfläche des Kabels auf der Erdoberfläche.

- Dichte des Kabelmaterials.

- Zugfestigkeit des Kabelmaterials.

- Die Kreisfrequenz der Erdrotation um ihre Achse beträgt 7,292·10−5 Radiant pro Sekunde.

- der Abstand zwischen dem Erdmittelpunkt und der Basis des Kabels. Er entspricht ungefähr dem Erdradius von 6.378 km.

- Beschleunigung freier Fall am Fuß des Kabels 9,780 m/s².

Diese Gleichung beschreibt einen Haltegurt, dessen Dicke zunächst exponentiell zunimmt, sich dann in einer Höhe von mehreren Erdradien verlangsamt und dann konstant wird und schließlich eine geostationäre Umlaufbahn erreicht. Danach beginnt die Dicke wieder abzunehmen.

Somit beträgt das Verhältnis der Querschnittsflächen des Kabels an der Basis und am GSO (r = 42.164 km):

P
Wenn wir hier die Dichte und Festigkeit von Stahl sowie den Durchmesser des Kabels auf Bodenhöhe von 1 cm berücksichtigen, erhalten wir auf GSO-Ebene einen Durchmesser von mehreren hundert Kilometern, was bedeutet, dass Stahl und andere uns bekannte Materialien für den Bau ungeeignet sind ein Aufzug.

Daraus folgt, dass es vier Möglichkeiten gibt, eine angemessenere Kabeldicke auf GSO-Ebene zu erreichen:

Verwenden Sie weniger dichtes Material. Da die Dichte der meisten Feststoffe liegt in einem relativ kleinen Bereich von 1000 bis 5000 kg/m³, es ist unwahrscheinlich, dass hier etwas erreicht wird.

Verwenden Sie haltbareres Material. Die Forschung geht hauptsächlich in diese Richtung. Kohlenstoffnanoröhren sind zehnmal stärker als der beste Stahl und reduzieren die Dicke des Kabels auf GSO-Ebene erheblich. Die gleiche Berechnung wurde unter der Annahme durchgeführt, dass die Kabeldichte gleich der Kohlenstofffaserdichte ρ = 1,9 g/cm3 (1900 kg/m3) ist, mit einer Endfestigkeit σ = 90 GPA (90 109 Pa) und einem Kabeldurchmesser von Die Basis von 1 cm (0,01 m) ermöglicht einen Kabeldurchmesser bei GSO von nur 9 cm.

Erheben höhere Basis Kabel Aufgrund der Exponentialfunktion in der Gleichung führt bereits eine geringfügige Anhebung der Basis zu einer erheblichen Verringerung der Kabeldicke. Es werden Türme mit einer Höhe von bis zu 100 km vorgeschlagen, die neben der Einsparung von Kabeln auch den Einfluss atmosphärischer Prozesse vermeiden.

Machen Sie die Basis des Kabels so dünn wie möglich. Es muss immer noch dick genug sein, um einen beladenen Aufzug zu tragen, daher hängt die Mindestdicke an der Basis auch von der Festigkeit des Materials ab. Ein Kabel aus Kohlenstoffnanoröhren muss an der Basis nur einen Millimeter dick sein.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Basis des Aufzugs beweglich zu machen. Selbst bei einer Geschwindigkeit von 100 m/s erhöht sich die Kreisgeschwindigkeit bereits um 20 % und die Kabellänge verringert sich um 20–25 %, wodurch das Kabel um 50 % oder mehr leichter wird. Wenn Sie das Kabel in einem Überschallflugzeug oder -zug „verankern“, wird der Gewinn an Kabelmasse nicht mehr in Prozent, sondern in Dutzenden gemessen (Verluste durch den Luftwiderstand werden jedoch nicht berücksichtigt). Es gibt auch die Idee, bedingte Kabel anstelle von Nanoröhrenkabeln zu verwenden. Stromleitungen Das Magnetfeld der Erde.

Gegengewicht

Ein Gegengewicht kann auf zwei Arten geschaffen werden – indem ein schweres Objekt (z. B. ein Asteroid, eine Weltraumsiedlung oder ein Weltraumdock) über die geostationäre Umlaufbahn hinaus gebunden wird, oder indem das Halteseil selbst um eine beträchtliche Distanz über die geostationäre Umlaufbahn hinaus verlängert wird. Die zweite Option ist interessant, weil es einfacher ist, Lasten vom Ende des verlängerten Kabels zu anderen Planeten zu befördern, da es relativ zur Erde eine erhebliche Geschwindigkeit aufweist.

Drehimpuls, Geschwindigkeit und Neigung

Die horizontale Geschwindigkeit jedes Abschnitts des Kabels nimmt mit der Höhe proportional zum Abstand zum Erdmittelpunkt zu und erreicht den ersten Fluchtgeschwindigkeit. Daher muss er beim Heben einer Last zusätzlichen Drehimpuls (horizontale Geschwindigkeit) gewinnen. Durch die Rotation der Erde entsteht ein Drehimpuls. Der Auftrieb bewegt sich zunächst etwas langsamer als das Kabel (Coriolis-Effekt), wodurch das Kabel „verlangsamt“ und leicht nach Westen abgelenkt wird. Bei einer Aufstiegsgeschwindigkeit von 200 km/h neigt sich das Seil um 1 Grad. Die horizontale Spannungskomponente in einem nicht vertikalen Kabel zieht die Last zur Seite und beschleunigt sie Richtung Osten- Dadurch erhält der Aufzug zusätzliche Geschwindigkeit. Nach dem dritten Newtonschen Gesetz bremst das Kabel die Erde um große Menge und das Gegengewicht um einen großen Betrag, als Folge der Verlangsamung der Drehung des Gegengewichts beginnt das Kabel, sich um den Boden zu wickeln. Gleichzeitig wird das Kabel durch den Einfluss der Zentrifugalkraft dazu gezwungen, in eine energetisch günstige Vertikallage zurückzukehren, so dass es sich in einem stabilen Gleichgewichtszustand befindet. Wenn der Schwerpunkt des Aufzugs unabhängig von der Geschwindigkeit des Aufzugs immer über der geostationären Umlaufbahn liegt, wird er nicht abstürzen. Wenn die Nutzlast die geostationäre Umlaufbahn (GEO) erreicht, reicht ihr Drehimpuls aus, um die Nutzlast in die Umlaufbahn zu befördern. Wenn die Last nicht vom Kabel freigegeben wird, befindet sie sich beim vertikalen Stoppen auf der GSO-Ebene in einem instabilen Gleichgewichtszustand und verlässt bei einem verschwindend kleinen Abwärtsschub das GSO und beginnt vertikal auf die Erde zu fallen Beschleunigung, während es in horizontaler Richtung langsamer wird. Der Verlust an kinetischer Energie aus der horizontalen Komponente während des Abstiegs wird über das Kabel auf den Drehimpuls der Erdrotation übertragen und beschleunigt so ihre Rotation. Beim Aufwärtsschieben verlässt die Last ebenfalls das GSO, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, d. h. sie beginnt mit der Beschleunigung von der Erde entlang des Kabels zu steigen und erreicht am Ende des Kabels ihre Endgeschwindigkeit. Da die Endgeschwindigkeit von der Länge des Kabels abhängt, kann ihr Wert somit beliebig eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass die Beschleunigung und Erhöhung der kinetischen Energie der Last beim Heben, also deren spiralförmiges Abwickeln, durch die Rotation der Erde erfolgt, die sich verlangsamt. Dieser Prozess vollständig reversibel, das heißt, wenn Sie das Ende des Kabels belasten und beginnen, es abzusenken und es spiralförmig zusammenzudrücken, erhöht sich der Drehimpuls der Erdrotation entsprechend. Beim Absenken der Last erfolgt der umgekehrte Vorgang, wobei das Seil nach Osten geneigt wird.

Starten Sie in den Weltraum

Am Ende des Kabels in einer Höhe von 144.000 km beträgt die tangentiale Komponente der Geschwindigkeit 10,93 km/s, was mehr als ausreicht, um das Schwerefeld der Erde zu verlassen und Schiffe zum Saturn zu starten. Wenn das Objekt frei entlang der Oberseite des Halteseils gleiten könnte, hätte es genug Geschwindigkeit, um dem Sonnensystem zu entkommen. Dies geschieht aufgrund des Übergangs des gesamten Drehimpulses des Kabels (und der Erde) in die Geschwindigkeit des gestarteten Objekts. Um noch höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, können Sie das Seil verlängern oder die Last mittels Elektromagnetismus beschleunigen.

Beschreibung moderner Projekte

Detailliertere Vorschläge entstanden Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts. Man hoffte, dass der Weltraumaufzug den Zugang zum erdnahen Weltraum, zum Mond, zum Mars und sogar darüber hinaus revolutionieren würde. Dieses Gebäude könnte ein für alle Mal das Problem zu lösen, das mit der Entsendung einer Person in den Weltraum verbunden ist. Der Aufzug würde vielen Raumfahrtagenturen beim Transport von Astronauten in die Umlaufbahn unseres Planeten sehr helfen. Seine Entstehung könnte das Ende weltraumverschmutzender Raketen bedeuten. Allerdings machten die Anfangsinvestition und das erforderliche Technologieniveau deutlich, dass ein solches Projekt undurchführbar war und es in den Bereich der Science-Fiction verbannte.

Ist es möglich, das Problem einer solchen Konstruktion zu lösen? dieser Moment? Befürworter von Weltraumaufzügen glauben, dass es derzeit genügend Möglichkeiten gibt, dieses technische Problem zu lösen. Sie glauben, dass Weltraumraketen veraltet sind und Schaden anrichten irreparabler Schaden Natur und zu teuer dafür moderne Gesellschaft.

Der Stolperstein liegt darin, wie man ein solches System aufbaut. „Zunächst muss es aus einem Material hergestellt werden, das es noch nicht gibt, aber langlebig und flexibel ist die erforderliche Masse und Dichteeigenschaften, um den Transport zu unterstützen und unglaublichen äußeren Kräften standzuhalten“, sagt Fong. - Ich denke, all dies erfordert eine Reihe der ehrgeizigsten Orbitalmissionen und Weltraumspaziergänge in niedrigen und hohen Höhen niedrige Erdumlaufbahnen in der Geschichte unserer Spezies.

Es gebe auch Sicherheitsbedenken, fügt er hinzu. „Selbst wenn wir die erheblichen technischen Schwierigkeiten lösen könnten, die mit dem Bau so etwas verbunden sind, Es entsteht ein beängstigendes Bild eines riesigen Käses mit Löchern, die von all dem Weltraummüll und Trümmern an der Oberfläche entstanden sind.“

Wissenschaftler auf der ganzen Welt entwickeln die Idee eines Weltraumaufzugs. Die Japaner gaben Anfang 2012 bekannt, dass sie den Bau eines Weltraumaufzugs planen. Dasselbe berichteten die Amerikaner Ende 2012. Im Jahr 2013 erinnerten die Medien an die russischen Wurzeln des „Weltraumaufzugs“. Wann werden diese Ideen also Wirklichkeit?

Konzept der japanischen Obayashi Corporation

Das Unternehmen bietet nächster Weg Gebäude: Ein Ende des Kabels ist sehr hohe Festigkeit wird von einer massiven Plattform im Ozean gehalten und der zweite ist auf einer Orbitalstation befestigt. Entlang des Seils bewegt sich eine speziell entwickelte Kabine, die Fracht, Astronauten oder beispielsweise Weltraumtouristen befördern kann.

Als Material für das Kabel erwägt Obayashi Kohlenstoffnanoröhren, die zehnmal stärker sind als Stahl. Das Problem ist jedoch, dass die Länge solcher Nanoröhren derzeit auf etwa 3 cm begrenzt ist, während ein Weltraumaufzug eine Haltevorrichtung erfordern würde Gesamtlänge bei 96.000 km. Es wird erwartet, dass die bestehenden Schwierigkeiten etwa in den 2030er Jahren überwunden werden können und dann mit der praktischen Umsetzung des Weltraumaufzugskonzepts begonnen wird.

Obayashi erwägt bereits die Möglichkeit, spezielle Touristenkabinen für die Beförderung von bis zu 30 Passagieren zu bauen. Die Reise in den Orbit entlang eines Kabels aus Kohlenstoffnanoröhren wird übrigens sieben Tage dauern, sodass für die notwendigen Lebenserhaltungssysteme, Nahrungs- und Wasservorräte gesorgt werden muss.

Obayashi rechnet damit, den Weltraumaufzug erst im Jahr 2050 starten zu können.

Weltraumaufzug der LiftPort Group

Nicht nur die Erde wird zum Objekt, auf dem ein solcher Aufzug gebaut wird. Laut einer Expertengruppe des Unternehmens LiftPort Group könnte der Mond durchaus als solches Objekt fungieren.

Die Basis des Mond-Weltraumaufzugs ist ein Flachbandkabel aus hochfestem Material. Transportgondeln werden entlang dieses Kabels zur Mondoberfläche und zurück fahren und Menschen befördern. Verschiedene Materialien, Mechanismen und Roboter.

Das „Weltraum“-Ende des Kabels wird von der Raumstation PicoGravity Laboratory (PGL) gehalten, die sich am Lagrange-Punkt L1 des Mond-Erde-Systems befindet, dem Punkt, an dem sich die Schwerkraft von Mond und Erde gegenseitig aufhebt. Auf dem Mond wird das Ende des Kabels mit der Ankerstation verbunden, die sich in der Region Sinus Medi befindet (ungefähr in der Mitte des „Gesichts“ des Mondes, das auf die Erde blickt) und Teil der Lunar Space Elevator Infrastructure ist.

Die Spannung des Weltraumaufzugskabels wird von einem Gegengewicht übernommen, das von einem dünneren Kabel mit einer Länge von 250.000 Kilometern gehalten wird und bereits der Erdanziehung ausgeliefert ist. Die Raumstation PicoGravity Laboratory wird eine modulare Struktur haben, die der Struktur der bestehenden Internationalen Raumstation ähnelt, was dies ermöglicht besondere Arbeit Erweitern Sie es und fügen Sie Andockknoten hinzu, die es Raumfahrzeugen verschiedener Typen ermöglichen, an der Station anzudocken.

Das Hauptziel dieses Projekts ist nicht der Bau des Weltraumaufzugs selbst. Dieser Aufzug wird nur ein Transportmittel zum Mond sein automatische Geräte, das autonom verschiedene Mineralien abbauen wird, darunter Seltenerdmetalle und Helium-3, das ein vielversprechender Brennstoff für zukünftige Reaktoren ist thermonukleare Fusion und möglicherweise Treibstoff für zukünftige Raumfahrzeuge.

"Leider, dieses Projekt ist aufgrund des Personalmangels immer noch praktisch unmöglich Schlüsseltechnologien. Die meisten dieser Technologien werden jedoch schon seit einiger Zeit erforscht, und es wird definitiv eine Zeit kommen, in der der Bau eines Weltraumaufzugs von der Kategorie der Science-Fiction in den Bereich praktisch machbarer Dinge übergeht.“

Die Spezialisten der LiftPort Group versprechen, bis Ende 2019 einen funktionierenden, detaillierten Entwurf der Struktur zu erstellen.

„Allgemeines Planetenfahrzeug“

Betrachten wir ein Projekt namens General Planetary Vehicle (GVT). Es wurde vom Ingenieur Anatoly Yunitsky aus Gomel vorgebracht und begründet.

1982 wurde in der Zeitschrift „Technology for Youth“ ein Artikel veröffentlicht, in dem der Autor behauptet, dass die Menschheit bald ein grundlegend neues Fahrzeug benötigen wird, das den Transport auf der Route Erde-Weltraum-Erde ermöglichen kann.

Laut A. Yunitsky handelt es sich beim GPV um ein geschlossenes Rad mit einem Querdurchmesser von etwa 10 Metern, das auf einer speziellen Überführung entlang des Äquators ruht. Die Höhe der Überführung liegt je nach Gelände zwischen mehreren zehn und mehreren hundert Metern. Die Überführung wird auf schwimmenden Stützen im Meer platziert.

In einem abgedichteten Kanal entlang der Achse des GPV-Körpers befindet sich ein endloser Riemen, der magnetisch aufgehängt ist und eine Art Motorrotor darstellt. Darin wird ein Strom induziert, der mit dem Magnetfeld, das ihn erzeugt hat, interagiert, und das Band, das keinen Widerstand erfährt (es befindet sich im Vakuum), beginnt sich zu bewegen. Genauer gesagt, in Rotation um die Erde. Beim Erreichen der ersten Fluchtgeschwindigkeit wird das Band schwerelos. Bei weiterer Beschleunigung beginnt seine Zentrifugalkraft durch die magnetische Aufhängung, eine immer größere vertikale Hubkraft auf den GPV-Körper auszuüben, bis dieser alle seine Kräfte ausbalanciert Laufmeter(Das Fahrzeug scheint schwerelos zu werden – warum nicht ein Anti-Schwerkraft-Schiff?).

Fracht und Passagiere werden in ein auf der Überführung gehaltenes Fahrzeug mit einem zuvor auf eine Geschwindigkeit von 16 km/s gedrehten Oberband mit einer Masse von 9 Tonnen pro Meter und einem genau gleichen, aber bewegungslosen Unterband platziert. Dies geschieht hauptsächlich innerhalb und teilweise außerhalb des GPV-Körpers, aber so, dass die Last insgesamt gleichmäßig verteilt wird. Nach der Befreiung von den Griffen, die das GPV auf der Überführung halten, beginnt sein Durchmesser unter dem Einfluss der Auftriebskraft langsam zu wachsen, und jeder Laufmeter davon wird über die Erde ragen. Da die Form des Kreises der Mindestenergie entspricht, nimmt das Fahrzeug, das zuvor das Profil der Überführung kopierte, nach dem Anheben die Form eines idealen Rings an.

Die Aufstiegsgeschwindigkeit des Fahrzeugs auf jedem Streckenabschnitt kann in einem weiten Bereich eingestellt werden: von Fußgängergeschwindigkeit bis hin zu Flugzeuggeschwindigkeit. Das Fahrzeug durchfährt den atmosphärischen Abschnitt mit Mindestgeschwindigkeiten.

Laut Anatoly Yunitsky, Gesamtgewicht Das GPV wird 1,6 Millionen Tonnen haben, eine Tragfähigkeit von 200 Millionen Tonnen und eine Passagierkapazität von 200 Millionen Menschen. Die geschätzte Anzahl der GPV-Weltraumspaziergänge über eine fünfzigjährige Lebensdauer beträgt 10.000 Flüge.

Abschluss

Es gibt viele Weltraumaufzugsprojekte, und alle unterscheiden sich kaum von dem, was Artsupanov vorgeschlagen hat, aber jetzt gehen Wissenschaftler davon aus, dass Nanoröhrenmaterialien verfügbar werden.

Der Weltraumaufzug wird die Raumfahrtindustrie revolutionieren, indem er Menschen und Fracht zu deutlich geringeren Kosten als herkömmliche Trägerraketen in die Umlaufbahn befördert.

Hoffen wir, dass in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts Weltraumaufzüge auch außerhalb der Erde zu funktionieren beginnen: auf dem Mond, dem Mars und anderen Orten Sonnensystem. Mit der Entwicklung der Technologie werden die Baukosten schrittweise sinken.

Auch wenn diese Zeit weit entfernt und unerreichbar erscheint, hängt es von uns ab, wie die Zukunft aussehen wird und wie schnell sie kommen wird.

Eine Fahrt mit einem Weltraumaufzug wird wahrscheinlich an eine Fahrt mit einem Heißluftballon erinnern – ohne das Dröhnen der Düsen, ohne eine wütende Flammenwolke. Die Erde geht sanft unter. Häuser werden kleiner, Straßen werden zu kaum wahrnehmbaren Fäden und die silbernen Flüsse werden dünner. Schließlich wird die untere, eitle Welt in den Wolken verborgen und die obere, transzendentale Welt offenbart. Die Atmosphäre ist vergangen, hinter dem Glas herrscht kosmische Schwärze. Und die Kabine gleitet entlang eines Kabels immer höher, unsichtbar vor dem blaugrünen Hintergrund des Planeten, und gelangt in die bodenlose Leere.

Tsiolkovsky beschrieb auch einen Entwurf, der die Umlaufbahn mit der Erdoberfläche verbinden könnte. In den frühen 1960er Jahren wurde die Idee von Yuri Artsutanov entwickelt und Arthur Clarke verwendete sie in dem Roman „The Fountains of Paradise“. „World of Fantasy“ greift das Thema des Weltraumaufzugs auf und versucht sich vorzustellen, wie er funktionieren soll und was dafür nötig ist.

Geostationäre Umlaufbahn

Ist es möglich, dass ein Satellit über dem Kopf des Beobachters bewegungslos einfriert? Wäre die Erde bewegungslos, wie im ptolemäischen Weltsystem, wäre die Antwort „Nein“ – schließlich würde der Satellit ohne Zentrifugalkraft nicht in der Umlaufbahn bleiben. Aber wie wir wissen, ist der Beobachter selbst nicht bewegungslos, sondern dreht sich mit dem Planeten. Wenn die Umlaufzeit des Satelliten einem Sterntag entspricht (23 Stunden 56 Minuten 4 Sekunden) und seine Umlaufbahn in der Äquatorialebene liegt, schwebt das Gerät über dem sogenannten „Standpunkt“.

Die Umlaufbahn, auf der der Satellit relativ zu seinem stationären Punkt stationär ist, wird als geostationär bezeichnet. Und es ist äußerst wichtig für die Weltraumforschung. Hier befinden sich die meisten Kommunikationssatelliten und die Kommunikation ist der Hauptbereich der kommerziellen Nutzung des Weltraums. Übertragungen über einen über dem Äquator hängenden Repeater können auf stationären „Platten“ empfangen werden.

Es gibt auch die Idee, eine bemannte Station in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen. Wofür? Erstens für die Wartung und Reparatur von Kommunikationssatelliten. Damit Satelliten noch mehrere Jahre lang ihren Dienst tun, müssen oft nur die Mikromotoren, die für die Orientierung sorgen, wieder aufgetankt werden. Solarplatten und Antennen. Die bemannte Station wird in der Lage sein, entlang der geostationären Umlaufbahn zu manövrieren, abzusinken (und gleichzeitig zu fliegen). Winkelgeschwindigkeit werden höher als die der „stehenden“ Satelliten), holen das wartungsbedürftige Gerät ein und steigen wieder an. Dafür wird nicht mehr Treibstoff benötigt, als eine Station in niedriger Umlaufbahn verbraucht, wenn sie die Reibung mit der verdünnten Atmosphäre überwindet.

Es scheint, dass der Nutzen enorm ist. Aber die Versorgung eines so abgelegenen Außenpostens wäre zu teuer. Für den Wechsel der Besatzungen und den Versand von Transportschiffen sind Trägerraketen erforderlich, die fünfmal schwerer sind als die derzeit verwendeten. Eine viel attraktivere Idee besteht darin, eine Höhenstation für den Bau eines Weltraumaufzugs zu nutzen.

Kabel

Was passiert, wenn ein Kabel von einem geostationären Satelliten in Richtung Erde geworfen wird? Erstens wird ihn die Coriolis-Kraft vorwärts tragen. Schließlich erhält er die gleiche Geschwindigkeit wie der Satellit, befindet sich jedoch in einer niedrigeren Umlaufbahn, was bedeutet, dass seine Winkelgeschwindigkeit höher ist. Aber nach einer Weile wird das Kabel an Gewicht zunehmen und senkrecht hängen. Der Rotationsradius verringert sich und die Zentrifugalkraft kann die Schwerkraft nicht mehr ausgleichen. Wenn Sie das Seil weiter ätzen, wird es früher oder später die Oberfläche des Planeten erreichen.

Um zu verhindern, dass sich der Schwerpunkt des Systems verschiebt, ist ein Gegengewicht erforderlich. Einige Leute schlagen vor, verbrauchte Satelliten oder sogar einen kleinen Asteroiden als Ballast zu verwenden. Aber es gibt eine interessantere Möglichkeit – das Kabel zu ätzen und die gegenüberliegende Seite, von der Erde. Es wird auch geglättet und gedehnt. Allerdings nicht mehr durch sein Eigengewicht, sondern durch die Zentrifugalkraft.

Das zweite Kabel ist nützlicher als einfaches Vorschaltgerät. Eine kostengünstige, raketenfreie Beförderung von Fracht in die geostationäre Umlaufbahn ist nützlich, wird aber allein nicht die Kosten für den Aufzug decken. Die Station in 36.000 Kilometern Höhe wird nur noch ein Übergabepunkt. Weiter, ohne Energie zu verschwenden, beschleunigen Zentrifugalkraft, die Lasten bewegen sich entlang des zweiten Kabels. In einer Entfernung von 144.000 Kilometern von der Erde wird ihre Geschwindigkeit die zweite kosmische Geschwindigkeit überschreiten. Der Aufzug verwandelt sich in ein Katapult und schickt mithilfe der Rotationsenergie des Planeten Projektile zum Mond, zur Venus und zum Mars.

Das Problem ist das Kabel, das trotz seiner fantastischen Länge nicht unter seinem Eigengewicht brechen darf. Bei einem Stahlseil geschieht dies bereits bei einer Länge von 60 Kilometern (und möglicherweise viel früher, da Fehler beim Weben unvermeidlich sind). Sie können einen Bruch vermeiden, wenn die Dicke des Seils exponentiell mit der Höhe zunimmt – schließlich muss jeder nachfolgende Abschnitt seinem eigenen Gewicht plus dem Gewicht aller vorherigen standhalten. Doch das Gedankenexperiment muss abgebrochen werden: Näher am oberen Ende wird das Kabel eine solche Dicke erreichen, dass sich das Eisen einlagert Erdkruste Es gibt einfach nicht genug für ihn.

Selbst das stärkste Polyethylen „Dyneema“, aus dem Körperpanzer und Fallschirmleinen hergestellt werden, ist nicht geeignet. Er besitzt geringe Dichte Mit einem Querschnitt von einem Quadratmillimeter hält es einer Belastung von zwei Tonnen stand und bricht unter seinem Eigengewicht erst bei einer Länge von 2500 Kilometern. Aber das Dainima-Kabel muss eine Masse von etwa 300.000 Tonnen und eine Dicke von 10 Metern am oberen Ende haben. Es ist nahezu unmöglich, solche Fracht in den Orbit zu befördern, und der Aufzug kann nur von oben gebaut werden.

Hoffnung machen die 1991 entdeckten Kohlenstoffnanoröhren, die theoretisch 30-mal stärker sein können als Kevlar (in der Praxis ist Polyethylenseil immer noch stärker). Wenn sich die optimistischen Einschätzungen ihres Potenzials bestätigen, wird es möglich sein, ein Band mit einem konstanten Querschnitt von 36.000 km Länge, einem Gewicht von 270 Tonnen und einer Tragfähigkeit von 10 Tonnen herzustellen. Und wenn sich selbst pessimistische Schätzungen bestätigen, wäre ein Aufzug mit einem 1 Millimeter dicken Kabel in Erdnähe und 25 Zentimetern im Orbit (Masse 900 Tonnen ohne Berücksichtigung des Gegengewichts) keine Science-Fiction mehr.

Aufzug

Einen Aufzug für einen Weltraumaufzug zu bauen, ist keine triviale Aufgabe. Um ein Kabel herzustellen, müssen Sie nur etwas ausarbeiten neue Technologie. Ein Mechanismus, der dieses Kabel hochklettern und Fracht in die Umlaufbahn befördern kann, muss noch erfunden werden. Die „irdische“ Methode, bei der die Kabine an einem auf einer Trommel aufgewickelten Seil befestigt wird, hält der Kritik nicht stand: Die Masse der Ladung ist im Vergleich zur Masse des Seils vernachlässigbar. Der Aufzug muss alleine hochfahren.

Es scheint, dass dies nicht schwer umzusetzen ist. Das Kabel wird zwischen den Rollen eingeklemmt und die Maschine kriecht durch Reibung nach oben. Dabei handelt es sich aber nur in der Science-Fiction um einen Weltraumaufzug – einen Turm oder eine mächtige Säule, in der sich die Kabine bewegt. In Wirklichkeit wird ein kaum sichtbarer Faden bestenfalls die Erdoberfläche erreichen: ein schmales Band. Die Kontaktfläche der Rollen mit der Stütze wird vernachlässigbar sein, was bedeutet, dass die Reibung nicht groß sein kann.

Es gibt noch eine weitere Einschränkung: Der Mechanismus darf das Kabel nicht beschädigen. Obwohl Nanogewebe unglaublich reißfest ist, heißt das nicht, dass es schwer zu schneiden oder auszufransen ist. Der Austausch eines defekten Kabels wird sehr schwierig sein. Und wenn es in großer Höhe platzt, wird die Station durch die Zentrifugalkraft weit in den Weltraum geschleudert und das gesamte Projekt ruiniert. Um im Notfall den Schwerpunkt des Systems im Orbit zu halten, müssen entlang der gesamten Länge des Kabels kleine Minen platziert werden. Wenn einer der Zweige bricht, schießen sie sofort einen gleichen Teil des gegenüberliegenden Zweigs ab.

Es gibt noch viele andere interessante Probleme, die gelöst werden müssen. Zum Beispiel die Divergenz aufeinander zufahrender Aufzüge und die Rettung von Fahrgästen aus „steckengebliebenen“ Kabinen.

Das schwierigste Problem ist die Stromversorgung des Aufzugs. Der Motor benötigt viel Energie. Die Kapazität bestehender und in der Entwicklung befindlicher Batterien reicht nicht aus. Durch die Versorgung mit chemischem Treibstoff und Oxidationsmittel wird der Aufzug zu einem mehrstufigen System aus Tanks und Motoren. Dieses wunderbare Design benötigt übrigens kein teures Kabel – es existiert bereits und wird „Booster-Rakete“ genannt.

Am einfachsten ist es, Fahrdrähte in das Kabel einzubauen. Allerdings hält das Kabel dem Gewicht der Metallverkabelung nicht stand, was bedeutet, dass den Nanoröhren „gelehrt“ werden muss, elektrischen Strom zu leiten. Die autonome Stromversorgung in Form von Sonnenkollektoren oder einer Radioisotopenquelle ist eher schwach: Der optimistischste Schätzung zufolge wird der Aufstieg damit Jahrzehnte dauern. Ein Kernreaktor mit einem besseren Masse-Leistungs-Verhältnis würde Jahre brauchen, um die Kabine in die Umlaufbahn zu bringen. Aber es selbst ist zu schwer und erfordert unterwegs auch zwei oder drei Auftankungen.

Die vielleicht beste Option besteht darin, Energie mit einem Laser oder einer Mikrowellenpistole zu übertragen und das Empfangsgerät des Aufzugs zu bestrahlen. Aber es ist nicht ohne Mängel. An modernes Niveau Mit modernen Technologien kann nur ein kleiner Teil der aufgenommenen Energie in Strom umgewandelt werden. Der Rest wird in Wärme umgewandelt, die in einem luftleeren Raum nur sehr schwer zu entfernen ist.

Wenn ein Kabel beschädigt wird, ist es schwierig, Reparaturpersonal an die beschädigte Stelle zu bringen. Und wenn es kaputt geht, ist es zu spät (Bild aus dem Spiel Halo 3: ODST)

Schutz vor Radioaktivität

Schlechte Nachrichten für diejenigen, die mit leichtem Gepäck fahren wollen: Der Aufzug wird durch die Strahlungsgürtel der Erde fahren. Das Magnetfeld des Planeten fängt Teilchen des Sonnenwinds – Protonen und Elektronen – ein und gibt sie nicht ab gefährliche Strahlung die Oberfläche erreichen. Dadurch ist die Erde in der Äquatorialebene von zwei riesigen Tori umgeben, in deren Inneren sich geladene Teilchen konzentrieren. Sogar Raumschiffe versuchen, diese Gebiete zu meiden.

Der erste Gürtel, die Protonenfalle, beginnt in einer Höhe von 500–1300 Kilometern und endet in einer Höhe von 7000 Kilometern. Dahinter liegt bis zu einer Höhe von etwa 13.000 Kilometern ein relativ sicheres Gebiet. Aber noch weiter, zwischen 13.000 und 20.000 Kilometern, liegt der äußere Strahlungsgürtel derjenigen mit große Energie Elektronen.

Unten drehen sich Orbitalstationen Strahlungsgürtel. Bemannte Raumschiffe überquerten sie nur während Mondexpeditionen und verbrachten nur wenige Stunden auf ihnen. Für die Überwindung der einzelnen Bänder benötigt der Aufzug jedoch etwa einen Tag. Dies bedeutet, dass die Kabine mit einem ernsthaften Strahlenschutz ausgestattet sein muss.

Anlegeturm

Die Basis eines Weltraumaufzugs stellt man sich normalerweise als einen Komplex oberirdischer Strukturen vor, die sich irgendwo in Ecuador, im Dschungel Gabuns oder auf einem Atoll in Ozeanien befinden. Doch nicht immer ist die naheliegendste Lösung die beste. Sobald die Leine aus der Umlaufbahn freigegeben wird, kann sie am Deck eines Schiffes oder an der Spitze eines kolossalen Turms befestigt werden. Das Seeschiff wird Hurrikanen ausweichen, die, wenn sie nicht das Höhenruder abbrechen, das einen erheblichen Windwiderstand aufweist, die Aufzüge von ihm abwerfen können.

Ein 12-15 Kilometer hoher Turm schützt das Kabel vor der Gewalt der Atmosphäre und verkürzt auch seine Länge etwas. Auf den ersten Blick scheint der Vorteil unbedeutend zu sein, aber wenn die Masse des Kabels exponentiell von seiner Länge abhängt, dann führt bereits ein kleiner Gewinn zu spürbaren Einsparungen. Darüber hinaus ermöglicht der Festmacherturm eine ungefähre Verdoppelung der Tragfähigkeit des Systems, indem der dünnste und anfälligste Abschnitt des Gewindes eliminiert wird.

Allerdings ist es nur auf den Seiten von Science-Fiction-Romanen möglich, ein Gebäude dieser Höhe zu errichten. Theoretisch kann ein solcher Turm aus einem Material mit der Härte von Diamant gebaut werden. In der Praxis wird kein Fundament sein Gewicht tragen können.

Dennoch ist es möglich, einen Anlegeturm in vielen Kilometern Höhe zu errichten. Nur Baumaterial Nicht Beton soll dienen, sondern Gas: mit Helium gefüllte Ballons. Ein solcher Turm wird ein „Schwimmer“ sein, dessen unterer Teil in die Atmosphäre eingetaucht ist und darauf liegt Archimedische Kraft stützt den oberen, der sich bereits in einem fast luftleeren Raum befindet. Diese Struktur kann von unten aus einzelnen, kleinformatigen und vollständig austauschbaren Blöcken aufgebaut werden. Dem Erreichen einer Höhe von 100 oder gar 160 Kilometern stehen dem „aufblasbaren Turm“ keine grundsätzlichen Hindernisse entgegen.

Auch ohne Weltraumaufzug macht ein „schwebender Turm“ Sinn. Wie ein Kraftwerk – wenn die Außenhülle mit Solarpaneelen bedeckt ist. Wie ein Repeater, der ein Gebiet mit einem Radius von eineinhalbtausend Kilometern bedient. Schließlich als Observatorium und Forschungsbasis obere Schichten Atmosphäre.

Und wenn Sie keine Hunderte von Kilometern Höhe anstreben, können Sie einen ringförmigen Ballon, der in 40 Kilometern Höhe „verankert“ ist, als Anlegestelle nutzen. Ein riesiges Luftschiff (oder mehrere übereinander angeordnete Luftschiffe) entlädt das Aufzugskabel und nimmt auf den letzten Dutzend Kilometern dessen Gewicht auf.

Die größten Vorteile würden sich jedoch aus einer beweglichen Plattform in Form eines Luftschiffs in großer Höhe ergeben, das mit einer Geschwindigkeit von 360 km/h über den Äquator fliegt (was durchaus erreichbar ist, wenn der Motor von Sonnenkollektoren und einem Kernreaktor angetrieben wird). . In diesem Fall muss der Satellit nicht über einem Punkt schweben. Seine Umlaufbahn wird 7.000 Kilometer unter der geostationären liegen, was die Kabellänge um 20 % und die Masse um das 2,5-fache reduziert (unter Berücksichtigung der Vorteile durch den Einsatz des „Festmacherturms“). Es bleibt das Problem der Frachtlieferung an das Luftschiff selbst zu lösen.

Schwerkraftkatapult

Der Weltraumaufzug ist der ehrgeizigste, aber nicht das einzige Projekt Verwendung von Kabeln zum Starten von Raumfahrzeugen. Einige andere Pläne können auf dem aktuellen Stand der Technik realisiert werden.

Was passiert zum Beispiel, wenn eine an einem Kabel befestigte Last von der im Orbit hängenden Raumfähre „nach oben“ geschoben wird, weg von der Erde? Gemäß dem Impulserhaltungssatz wird das Schiff selbst auf eine niedrigere Umlaufbahn wechseln. Und es wird beginnen zu fallen. Die Last, die das Abwickelkabel mit sich zieht, wird durch die Corioliskraft zunächst nach hinten abgelenkt, stürmt dann aber „nach oben“. Tatsächlich wird mit zunehmendem Rotationsradius die Schwerkraft schwächer und die Zentrifugalkraft nimmt zu. Das System funktioniert wie ein Trebuchet – eine alte Wurfmaschine. Das Shuttle übernimmt die Rolle eines Käfigs mit Steinen, das Kabel verwandelt sich in eine Schlinge und die Achse wird der allgemeine Massenschwerpunkt des Systems sein, das sich in der anfänglichen Umlaufbahn des Schiffes in einem Zustand der Schwerelosigkeit befindet. Durch das Schwingen relativ zur Achse richtet sich das Kabel in vertikaler Richtung aus, dehnt sich und wirft die Last ab.

Der Unterschied zwischen einem Gravitationskatapult und einem Weltraumaufzug besteht darin, dass die Rolle des „Käfigs“ im Aufzug vom Planeten selbst übernommen wird, der auf eine ununterscheidbar geringe Höhe im Verhältnis zum Massenschwerpunkt des „Erdprojektils“ „fällt“. System. In diesem Fall wird es ausgegeben kinetische Energie pendeln Das Schiff wird einen Teil seines Impulses auf die Ladung übertragen – beispielsweise automatisch interplanetare Station, - wird an Geschwindigkeit und Höhe verlieren und in die dichten Schichten der Atmosphäre eindringen. Das ist auch gut, da das Shuttle normalerweise zum Verlassen der Umlaufbahn von seinen Triebwerken abgebremst werden muss, wodurch Treibstoff verbrannt wird.

Mit Hilfe eines Kabelkatapults kann das Shuttle zwei- bis dreimal mehr Fracht zum Mars oder zur Venus befördern als auf herkömmliche Weise. Allerdings wird das Shuttle-System in puncto Effizienz immer noch nicht mit einer herkömmlichen Trägerrakete mithalten können. Denn für einen „Katapult“-Start muss nicht nur die Nutzlast, sondern auch ein riesiges Kabel mit „Gegengewicht“ in die Umlaufbahn gebracht werden. Eine andere Sache ist, dass das Gegengewicht für das Katapult direkt im Orbit zu finden ist – zum Beispiel reicht ein Transportschiff aus, das seine Mission abgeschlossen hat. Darüber hinaus gibt es eine Masse, die sich um unseren Planeten dreht“ Weltraummüll", die in absehbarer Zeit gesammelt werden müssen.

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Die mit dem Bau eines Weltraumaufzugs verbundenen Probleme sind noch lange nicht gelöst. Eine kostengünstige Alternative zu Raketen und Shuttles wird es so schnell nicht geben. Aber im Moment ist die „Treppe ins Leere“ das Fantastischste und Großprojekt, woran die Wissenschaft arbeitet. Selbst wenn sich das Bauwerk, dessen Länge ein Dutzend Mal so groß ist wie der Durchmesser des Planeten, als wirkungslos erweisen sollte, markiert es den Beginn einer neuen Etappe in der Geschichte der Menschheit. Derselbe „Ausstieg aus der Wiege“, von dem Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky vor mehr als einem Jahrhundert sprach.