Winda kosmiczna - Space elevator

Winda kosmiczna jest pomyślana jako kabel przymocowany do równika i sięgający w kosmos. Przeciwwaga na górnym końcu utrzymuje środek masy znacznie powyżej poziomu orbity geostacjonarnej. Wytwarza to wystarczającą siłę odśrodkową skierowaną w górę z obrotu Ziemi, aby w pełni przeciwdziałać grawitacji skierowanej w dół, utrzymując kabel w pozycji pionowej i naprężonej. Wspinacze przenoszą ładunek w górę iw dół po linie.

Odtwórz multimedia

Kosmiczna winda w ruchu obracająca się z Ziemią, widziana z góry bieguna północnego. Swobodnie latający satelita (zielona kropka) jest pokazany na orbicie geostacjonarnej nieco za kablem.

Winda kosmiczna jest proponowanym typem systemu transportowego planeta-kosmos. Głównym elementem byłby kabel (zwany także tether ) zakotwiczony do powierzchni i rozciągający się w kosmos. Projekt umożliwiłby pojazdom poruszanie się po kablu z powierzchni planety, takiej jak Ziemia, bezpośrednio na orbitę, bez użycia dużych rakiet . Ziemska winda kosmiczna składałaby się z kabla z jednym końcem przymocowanym do powierzchni w pobliżu równika, a drugim końcem w przestrzeni poza orbitą geostacjonarną (35 786 km wysokości). Konkurujące siły grawitacji, które są silniejsze na dolnym końcu, oraz siła odśrodkowa skierowana do góry/na zewnątrz, która jest silniejsza na górnym końcu, powodują, że kabel jest utrzymywany w stanie naprężonym i nieruchomy w jednym miejscu na Ziemi. . Po rozwinięciu uwięzi wspinacze mogli wielokrotnie wspinać się po linie w kosmos za pomocą środków mechanicznych, uwalniając swój ładunek na orbitę. Wspinacze mogli również zejść na linę, aby ładunek wrócił na powierzchnię z orbity.

Koncepcja wieży osiągającej orbitę geosynchroniczną została po raz pierwszy opublikowana w 1895 roku przez Konstantina Tsiołkowskiego . Jego propozycją była wolnostojąca wieża sięgająca od powierzchni Ziemi do wysokości orbity geostacjonarnej. Jak wszystkie budynki, konstrukcja Ciołkowskiego byłaby ściskana , podtrzymując jej ciężar od dołu. Od 1959 roku większość pomysłów na windy kosmiczne koncentrowała się na konstrukcjach czysto rozciąganych , przy czym ciężar systemu utrzymywany jest z góry przez siły odśrodkowe. W koncepcjach rozciągania, kosmiczna uwięzi sięga od dużej masy (przeciwwagi) poza orbitę geostacjonarną do ziemi. Ta struktura jest utrzymywana w napięciu między Ziemią a przeciwwagą jak odwrócony pion . Grubość kabla jest regulowana na podstawie napięcia; osiąga maksimum na orbicie geostacjonarnej, a minimum na ziemi.

Dostępne materiały nie są wystarczająco mocne, aby kosmiczna winda na Ziemi była praktyczna. Niektóre źródła spekulują, że przyszłe postępy w nanorurkach węglowych (CNT) mogą doprowadzić do praktycznego projektu. Inne źródła stwierdziły, że CNT nigdy nie będą wystarczająco silne. Ewentualne przyszłe alternatywy obejmują boru nanorurki azotku , nanothreads diamentowych i makroskali pojedynczych kryształów grafenu . Spekuluje się również, że zamiast tego na Ziemi można by zbudować skyhook .

Koncepcja ma zastosowanie do innych planet i ciał niebieskich . W przypadku miejsc w Układzie Słonecznym o słabszej grawitacji niż Ziemia (takich jak Księżyc czy Mars ), wymagania dotyczące gęstości materiałów na uwięzi nie są tak problematyczne. Obecnie dostępne materiały (takie jak Kevlar ) są na tyle mocne i lekkie, że mogą być praktyczne jako materiał do mocowania tam wind.

Historia

Wczesne koncepcje

Konstantin Ciołkowski

Kluczowa koncepcja windy kosmicznej pojawiła się w 1895 roku, kiedy rosyjski naukowiec Konstantin Tsiołkowski zainspirował się wieżą Eiffla w Paryżu . Rozważał podobną wieżę, która sięgała aż w kosmos i została zbudowana od ziemi do wysokości 35786 kilometrów, wysokości orbity geostacjonarnej . Zauważył, że szczyt takiej wieży okrąża Ziemię jak na orbicie geostacjonarnej. Obiekty nabierałyby prędkości poziomej z powodu obrotu Ziemi, gdy wjeżdżały na wieżę, a obiekt wypuszczony na szczyt wieży miałby wystarczającą prędkość poziomą, aby pozostać na orbicie geostacjonarnej. Koncepcyjna wieża Ciołkowskiego była strukturą ściskaną, podczas gdy współczesne koncepcje wymagają struktury rozciąganej (lub „uwięzi”).

XX wiek

Zbudowanie konstrukcji ściskanej od podstaw okazało się zadaniem nierealistycznym, ponieważ nie istniał materiał o wystarczającej wytrzymałości na ściskanie, aby utrzymać własny ciężar w takich warunkach. W 1959 roku rosyjski inżynier Jurij N. Artsutanov zaproponował bardziej realną propozycję. Artsutanov zasugerował użycie satelity geostacjonarnego jako podstawy, z której można rozłożyć konstrukcję w dół. Dzięki zastosowaniu przeciwwagi kabel zostałby spuszczony z orbity geostacjonarnej na powierzchnię Ziemi, podczas gdy przeciwwaga zostałaby wysunięta z satelity z dala od Ziemi, utrzymując kabel stale w tym samym miejscu na powierzchni Ziemi. Pomysł Artusztanowa został przedstawiony rosyjskojęzycznej publiczności w wywiadzie opublikowanym w niedzielnym dodatku Komsomolskiej Prawdy w 1960 roku, ale w języku angielskim był dostępny dopiero znacznie później. Zaproponował również zmniejszenie grubości kabla, aby naprężenie w kablu pozostało stałe. To dało cieńszy kabel na poziomie gruntu, który stał się najgrubszy na poziomie orbity geostacjonarnej.

Zarówno idee wieży, jak i kabla zostały zaproponowane w quasi-humorystycznym felietonie Ariadny Davida EH Jonesa w New Scientist , 24 grudnia 1964 r.

W 1966 roku Isaacs, Vine, Bradner i Bachus, czterej amerykańscy inżynierowie, ponownie wymyślili tę koncepcję, nazywając ją „Sky-Hook” i opublikowali swoją analizę w czasopiśmie Science . Postanowili ustalić, jaki rodzaj materiału byłby wymagany do zbudowania windy kosmicznej, zakładając, że byłby to prosty kabel bez zmian w polu przekroju poprzecznego, i stwierdzili, że wymagana wytrzymałość byłaby dwa razy większa niż w przypadku jakiegokolwiek istniejącego wówczas materiału, w tym grafit , kwarc i diament .

W 1975 roku amerykański naukowiec, Jerome Pearson , na nowo odkrył tę koncepcję, publikując swoją analizę w czasopiśmie Acta Astronautica . Zaprojektował profil wysokości przekroju poprzecznego, który zwężał się i lepiej nadawał się do budowy windy. Gotowy kabel byłby najgrubszy na orbicie geostacjonarnej, gdzie naprężenie jest największe, i najwęższy na końcach, aby zmniejszyć ciężar na jednostkę powierzchni przekroju, jaki musiałby wytrzymać dowolny punkt kabla. Zasugerował użycie przeciwwagi, która byłaby powoli przedłużana do 144 000 kilometrów (89 000 mil) (prawie połowa odległości do Księżyca ), gdy budowano dolną część windy. Bez dużej przeciwwagi górna część kabla musiałaby być dłuższa niż dolna ze względu na zmianę sił grawitacyjnych i odśrodkowych wraz z odległością od Ziemi. Jego analiza obejmowała zakłócenia, takie jak grawitacja Księżyca, wiatr i poruszające się ładunki w górę iw dół kabla. Ciężar materiału potrzebnego do zbudowania windy wymagałby tysięcy podróży wahadłowca kosmicznego , chociaż część materiału można było przetransportować w górę windy, gdy pasmo o minimalnej wytrzymałości dotarło do ziemi lub być wyprodukowane w kosmosie z asteroidalnej lub księżycowej rudy .

Po opracowaniu nanorurek węglowych w latach 1990, inżynier David Smitherman z NASA / Marshalla Projects Advanced Office sobie sprawę, że o wysokiej wytrzymałości tych materiałów może uczynić koncepcję przestrzeni windy to możliwe, i ułożyła się do warsztatu w Marshall Space Flight Center , zaproszenie wielu naukowców i inżynierów do omówienia koncepcji i opracowania planów windy, aby przekształcić koncepcję w rzeczywistość.

W 2000 roku inny amerykański naukowiec, Bradley C. Edwards , zasugerował stworzenie cienkiej jak papier taśmy o długości 100 000 km (62 000 mil) przy użyciu materiału kompozytowego z nanorurek węglowych. Wybrał kształt przekroju przypominający szeroką wstęgę, a nie wcześniejsze koncepcje okrągłego przekroju, ponieważ ten kształt miałby większą szansę na przetrwanie uderzeń meteoroidów. Kształt przekroju wstęgi zapewniał również dużą powierzchnię, na której wspinacze mogą się wspinać za pomocą prostych rolek. Przy wsparciu Instytutu Zaawansowanych Koncepcji NASA prace Edwardsa zostały rozszerzone, aby objąć scenariusz rozmieszczenia, projekt wspinacza, system dostarczania mocy, unikanie szczątków orbitalnych , system kotwic, przetrwanie tlenu atomowego , unikanie piorunów i huraganów poprzez zlokalizowanie kotwicy w zachodnim równiku Pacyfik, koszty budowy, harmonogram budowy i zagrożenia środowiskowe.

21. Wiek

Aby przyspieszyć rozwój kosmicznej windy, zwolennicy zorganizowali kilka konkursów , podobnych do nagrody Ansari X , na odpowiednie technologie. Wśród nich są Elevator:2010 , który organizował coroczne zawody dla wspinaczy, wstęg i systemów przenoszenia mocy w latach 2005-2009, zawody Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, a także program NASA Centennial Challenges , który w marcu 2005 r. ogłosił partnerstwo z Fundacją Spaceward (operator Elevator:2010), podnosząc łączną wartość nagród do 400 000 USD. Pierwsze European Space Elevator Challenge (EuSEC) mające na celu ustanowienie konstrukcji wspinaczkowej odbyło się w sierpniu 2011 roku.

W 2005 r. „ Grupa wind kosmicznych LiftPort ogłosiła, że zbuduje fabrykę nanorurek węglowych w Millville w stanie New Jersey , aby zaopatrywać różne firmy ze szkła, plastiku i metalu w te mocne materiały. Chociaż LiftPort ma nadzieję, że w końcu wykorzysta nanorurki węglowe przy budowie windy kosmicznej o długości 100 000 km (62 000 mil), ruch ten pozwoli jej na krótkoterminowe zarobienie pieniędzy oraz prowadzenie badań i rozwoju nowych metod produkcji”. Ich ogłoszonym celem było uruchomienie windy kosmicznej w 2010 roku. 13 lutego 2006 roku LiftPort Group ogłosiła, że ​​na początku tego samego miesiąca przetestowała milę „uwięzi do windy kosmicznej” wykonanej z kompozytowych strun z włókna węglowego i taśmy mierniczej z włókna szklanego. Szerokość 5 cm (2,0 cala) i grubość 1 mm (ok. 13 arkuszy papieru), podnoszone balonami. W kwietniu 2019 r. dyrektor generalny Liftport, Michael Laine, przyznał, że poczyniono niewielkie postępy w realizacji ambitnych ambicji firmy dotyczących windy kosmicznej, nawet po otrzymaniu ponad 200 000 USD w postaci finansowania nasion. Zakład produkcyjny nanorurek węglowych, który Liftport ogłosił w 2005 roku, nigdy nie został zbudowany.

W 2006 roku dr Brad Edwards i Philip Ragan opublikowali książkę „Leaving the Planet by Space Elevator”, która zawiera obszerny przegląd historii, wyzwań konstrukcyjnych i planów wdrożeniowych przyszłych wind kosmicznych, w tym wind kosmicznych na Księżycu i Marsie.

W 2007 r. Elevator:2010 zorganizował gry 2007 Space Elevator, w których w każdym z dwóch konkursów przyznano 500 000 USD (w sumie 1 000 000 USD), a także dodatkowe 4 000 000 USD do przyznania w ciągu następnych pięciu lat za technologie związane z windami kosmicznymi. Żadna drużyna nie wygrała zawodów, ale drużyna z MIT zgłosiła się do konkursu jako pierwsza 2-gramowa (0,07 uncji), 100-procentowa nanorurka węglowa. W listopadzie 2008 r. Japonia zorganizowała międzynarodową konferencję, aby opracować harmonogram budowy windy.

W 2008 roku książka Leaving the Planet autorstwa Space Elevator została opublikowana w języku japońskim i znalazła się na japońskiej liście bestsellerów. Doprowadziło to do tego, że Shuichi Ono, przewodniczący Japan Space Elevator Association, zaprezentował plan budowy kosmicznej windy, przedstawiając to, co obserwatorzy uważali za niezwykle niski koszt budowy biliona jenów (5 miliardów funtów / 8 miliardów dolarów).

W 2012 roku korporacja Obayashi ogłosiła, że ​​do 2050 roku może zbudować kosmiczną windę przy użyciu technologii nanorurek węglowych. Wspinacz pasażerski projektu byłby w stanie osiągnąć poziom GEO po 8-dniowej podróży. Dalsze szczegóły zostały opublikowane w 2016 roku.

W 2013 r. Międzynarodowa Akademia Astronautyki opublikowała ocenę wykonalności technologicznej, z której wynikało, że niezbędne ulepszenie zdolności krytycznej to materiał do mocowania, który miał osiągnąć niezbędną wytrzymałość w ciągu 20 lat. Czteroletnie badanie dotyczyło wielu aspektów rozwoju wind kosmicznych, w tym misji, harmonogramów rozwoju, inwestycji finansowych, przepływów przychodów i korzyści. Doniesiono, że możliwe byłoby operacyjne przetrwanie mniejszych uderzeń i uniknięcie większych uderzeń, z meteorami i śmieciami kosmicznymi, a szacowany koszt podniesienia kilograma ładunku do GEO i dalej wyniósłby 500 USD.

W 2014 r. zespół ds. Badań i rozwoju Rapid Evaluation z Google X rozpoczął projektowanie kosmicznej windy, ostatecznie stwierdzając, że nikt jeszcze nie wyprodukował idealnie uformowanej nici z nanorurek węglowych o długości większej niż metr. W związku z tym postanowili umieścić projekt w stanie „głębokiego zamrożenia”, a także śledzić wszelkie postępy w dziedzinie nanorurek węglowych.

W 2018 roku naukowcy z japońskiego Uniwersytetu Shizuoka uruchomili STARS-Me, dwa CubeSaty połączone smyczą, po których będzie podróżować miniwinda. Eksperyment został uruchomiony jako stanowisko testowe dla większej konstrukcji.

W 2019 roku Międzynarodowa Akademia Astronautyki opublikowała „Road to the Space Elevator Era”, raport z badań podsumowujący ocenę windy kosmicznej na lato 2018 roku. rozwój kosmicznych wind, z których każdy wnosi swoją wiedzę i dochodzi do podobnych wniosków: (a) Ziemskie windy kosmiczne wydają się wykonalne, co potwierdza wnioski z badań IAA 2013 (b) Rozpoczęcie rozwoju kosmicznych wind jest bliższe niż większość myśli. Ten ostatni wniosek opiera się na potencjalnym procesie wytwarzania grafenu monokrystalicznego w skali makro o wyższej wytrzymałości właściwej niż nanorurki węglowe .

W fikcji

W 1979 r. windy kosmiczne zostały zaprezentowane szerszej publiczności wraz z jednoczesną publikacją powieści Arthura C. Clarke'a , Fontanny raju , w której inżynierowie konstruują windę kosmiczną na szczycie górskiego szczytu w fikcyjnym kraju wyspiarskim „Taprobane”. (oparta luźno na Sri Lance , choć przeniesiona na południe do równika) oraz pierwsza powieść Charlesa Sheffielda , Sieć między światami , również przedstawiająca budowę kosmicznej windy. Trzy lata później, w powieści Roberta A. Heinleina z 1982 roku, w piątek, główna bohaterka wspomina katastrofę w „Quito Sky Hook” i korzysta z „Łodygi fasoli z Nairobi” podczas swoich podróży. W powieści Kim Stanley Robinson z 1993 roku „ Czerwony Mars” koloniści budują windę kosmiczną na Marsie, która pozwala zarówno na przybycie większej liczby kolonistów, jak i wydobywanie tam surowców naturalnych, aby móc odlecieć na Ziemię. W powieści Davida Gerrolda z 2000 roku, Jumping Off The Planet , rodzinna wycieczka na ekwadorską „łodygę fasoli” jest w rzeczywistości porwaniem dziecka. Książka Gerrolda analizuje również niektóre przemysłowe zastosowania dojrzałej technologii dźwigowej. Koncepcja windy kosmicznej, zwanej Łodygą Fasoli , jest również przedstawiona w powieści Johna Scalziego z 2005 roku, Wojna starego człowieka . W wersji biologicznej powieść Joana Słończewskiego z 2011 r. Najwyższa granica przedstawia studenta wspinającego się windą kosmiczną zbudowaną z samoleczących się kabli pałeczek wąglika. Zmodyfikowane bakterie mogą odrosnąć kable po przecięciu przez kosmiczne śmieci. Analemma Tower to zamieszkały wariant windy kosmicznej, zaproponowany jako „najwyższy budynek na świecie”.

Fizyka

Pozorne pole grawitacyjne

Kabel windy kosmicznej Ziemi obraca się wraz z obrotem Ziemi. Dlatego kabel i dołączone do niego przedmioty będą podlegać działaniu siły odśrodkowej skierowanej w górę w kierunku przeciwnym do siły grawitacji skierowanej w dół. Im wyżej na kablu znajduje się obiekt, tym mniejsze przyciąganie grawitacyjne Ziemi i tym silniejsza siła odśrodkowa skierowana w górę z powodu obrotu, dzięki czemu większa siła odśrodkowa przeciwstawia się mniejszej grawitacji. Siła odśrodkowa i grawitacja są zrównoważone na geosynchronicznej orbicie równikowej (GEO). Powyżej GEO siła odśrodkowa jest silniejsza niż grawitacja, co powoduje, że przyczepione do kabla przedmioty ciągną go w górę .

Siła wypadkowa dla obiektów przyczepionych do kabla nazywana jest pozornym polem grawitacyjnym . Pozorne pole grawitacyjne dla przyczepionych obiektów to grawitacja (w dół) minus siła odśrodkowa (w górę). Pozorna grawitacja doświadczana przez obiekt na kablu wynosi zero w GEO, w dół poniżej GEO i w górę powyżej GEO.

Pozorne pole grawitacyjne można przedstawić w ten sposób:

Siła rzeczywistej grawitacji spada wraz z wysokością: ${\ Displaystyle g_ {r} = -GM/r ^ {2}}$

Siła odśrodkowa skierowana w górę spowodowana obrotem planety wzrasta wraz z wysokością:${\displaystyle a=\omega ^{2}r}$

Razem pozorne pole grawitacyjne jest sumą dwóch:

${\ Displaystyle g = - {\ Frac {GM} {r ^ {2}}} + \ omega ^ {2} r}$

gdzie

W pewnym momencie w górę kabla te dwa czynniki (grawitacja skierowana w dół i siła odśrodkowa skierowana w górę) są równe i przeciwne. Przedmioty przymocowane do kabla w tym miejscu nie obciążają kabla. Ta wysokość (r ₁ ) zależy od masy planety i jej prędkości obrotowej. Ustawienie rzeczywistej grawitacji równej przyspieszeniu odśrodkowemu daje:

${\ Displaystyle r_ {1} = \ lewo ({\ Frac {GM} {\ omega ^ {2}}} \ prawej) ^ {\ Frac {1} {3}}}$

To jest 35 786 km (22 236 mil) nad powierzchnią Ziemi, wysokość orbity geostacjonarnej.

Na kablu poniżej orbity geostacjonarnej grawitacja skierowana w dół byłaby większa niż siła odśrodkowa skierowana w górę, więc pozorna grawitacja pociągnęłaby obiekty przymocowane do kabla w dół. Każdy obiekt uwolniony z kabla poniżej tego poziomu początkowo przyspieszał w dół wzdłuż kabla. Następnie stopniowo odchyla się na wschód od kabla. Na kablu powyżej poziomu orbity stacjonarnej siła odśrodkowa skierowana w górę byłaby większa niż grawitacja skierowana w dół, więc pozorna grawitacja pociągnęłaby obiekty przymocowane do kabla w górę . Każdy obiekt uwolniony z kabla powyżej poziomu geosynchronicznego początkowo przyspieszałby w górę wzdłuż kabla. Następnie stopniowo odchyla się na zachód od kabla.

Sekcja kablowa

Historycznie, głównym problemem technicznym była zdolność kabla do utrzymania ciężaru samego siebie z napięciem poniżej dowolnego punktu. Największe napięcie na kablu windy kosmicznej występuje w punkcie orbity geostacjonarnej, 35 786 km (22 236 mil) nad równikiem Ziemi. Oznacza to, że materiał, z którego wykonany jest kabel, w połączeniu z jego konstrukcją musi być wystarczająco mocny, aby utrzymać ciężar własny z powierzchni do 35 786 km (22 236 mil). Kabel, który jest grubszy w przekroju na tej wysokości niż na powierzchni, mógłby lepiej utrzymać swój ciężar na dłuższym odcinku. To, jak pole przekroju poprzecznego zwęża się od maksimum przy 35786 km (22 236 mil) do minimum na powierzchni, jest zatem ważnym czynnikiem projektowym dla kabla windy kosmicznej.

Aby zmaksymalizować użyteczną nadwyżkę wytrzymałości dla danej ilości materiału kabla, powierzchnia przekroju kabla musiałaby być zaprojektowana w większości w taki sposób, aby naprężenie (tj. naprężenie na jednostkę powierzchni przekroju) było stałe wzdłuż długość kabla. Kryterium stałego naprężenia jest punktem wyjścia w projektowaniu przekroju kabla, który zmienia się wraz z wysokością. Inne czynniki brane pod uwagę w bardziej szczegółowych projektach to zagęszczanie na wysokościach, na których występuje więcej śmieci kosmicznych, uwzględnienie naprężeń punktowych nakładanych przez wspinaczy oraz użycie różnych materiałów. Aby uwzględnić te i inne czynniki, nowoczesne projekty szczegółowe dążą do osiągnięcia możliwie największego marginesu bezpieczeństwa , przy jak najmniejszych zmianach wysokości i czasu. W prostych projektach z punktu wyjścia oznacza to stałe naprężenie.

W przypadku kabla o stałym naprężeniu bez marginesu bezpieczeństwa, pole przekroju poprzecznego w funkcji odległości od środka Ziemi jest określone następującym równaniem:

Kilka profili stożkowych o różnych parametrach materiałowych

${\ Displaystyle A (R) = A_ {s} \ exp \ lewo [{\ Frac {\ rho gR ^ {2}} {T}} \ lewo ({\ Frac {1} {R}} + {\ Frac {R^{2}}{2R_{g}^{3}}}-{\frac {1}{r}}-{\frac {r^{2}}{2R_{g}^{3}} }\prawo)\prawo]}$

gdzie

${\displaystyle A_{s}}$to pole przekroju kabla na powierzchni Ziemi (m ² ),

${\ Displaystyle R_ {g}}$ jest promieniem orbity geosynchronicznej,

Margines bezpieczeństwa można obliczyć dzieląc T przez żądany współczynnik bezpieczeństwa.

Materiały kablowe

Korzystając z powyższego wzoru możemy obliczyć stosunek przekroju na orbicie geostacjonarnej do przekroju na powierzchni Ziemi, znany jako współczynnik stożka:

${\ Displaystyle A (R_ {g}) / A_ {s} = \ exp \ lewo [{\ Frac {\ rho} {T}} \ razy 4,85 \ razy 10 ^ {7} \ prawej]}$

Stosunek zbieżności w funkcji wytrzymałości właściwej

Stosunek stożkowe staje się bardzo duża, chyba że wytrzymałość specyficznego zastosowanego materiału zbliża się do 48 (MPa) / (kg / m ³ ). Materiały o niskiej wytrzymałości wymagają bardzo dużych współczynników stożka, co równa się dużej (lub astronomicznej) całkowitej masie kabla z powiązanymi dużymi lub niemożliwymi kosztami.

Struktura

Jedna koncepcja windy kosmicznej polega na przymocowaniu jej do mobilnej platformy morskiej.

Istnieje wiele projektów wind kosmicznych proponowanych dla wielu ciał planetarnych. Prawie każdy projekt zawiera stację bazową, linę, wspinaczki i przeciwwagę. W przypadku ziemskiej windy kosmicznej obrót Ziemi wytwarza siłę odśrodkową działającą na przeciwwagę w górę . Przeciwwaga jest podtrzymywana przez linkę, podczas gdy linka jest podtrzymywana i napinana przez przeciwwagę. Stacja bazowa zakotwicza cały system do powierzchni Ziemi. Wspinacze wspinają się po linie z ładunkiem.

Stacja bazowa

Nowoczesne koncepcje stacji bazowej/kotwicy to zazwyczaj stacje mobilne, duże statki oceaniczne lub inne platformy mobilne. Mobilne stacje bazowe miałyby przewagę nad wcześniejszymi koncepcjami stacjonarnymi (z kotwicami na lądzie), ponieważ byłyby w stanie manewrować w celu uniknięcia silnych wiatrów, burz i śmieci kosmicznych . Oceaniczne punkty kotwiczenia znajdują się również zazwyczaj na wodach międzynarodowych , co upraszcza i zmniejsza koszty negocjowania wykorzystania terytorium dla stacji bazowej.

Stacjonarne platformy lądowe miałyby prostszy i mniej kosztowny logistyczny dostęp do bazy. Miałyby również tę zaletę, że byłyby w stanie przebywać na dużej wysokości, na przykład na szczytach gór. W alternatywnej koncepcji stacja bazowa mogłaby być wieżą, tworzącą windę kosmiczną, która składa się zarówno z wieży kompresyjnej blisko powierzchni, jak i konstrukcji mocującej na większych wysokościach. Połączenie struktury ściskanej z konstrukcją naprężoną zmniejszyłoby obciążenia z atmosfery na ziemskim końcu wiązania i zmniejszyłoby odległość do pola grawitacyjnego Ziemi, którą kabel musi rozciągać, a tym samym zmniejszy krytyczne wymagania dotyczące wytrzymałości na gęstość dla materiał kabla, wszystkie inne czynniki projektowe są takie same.

Kabel

Nanorurki węglowe są jednym z kandydatów na materiał na kabel

Pełniąca funkcję morskiej stacji kotwicznej pełniłaby również funkcję głębokowodnego portu morskiego .

Kabel windy kosmicznej musiałby unieść swój własny ciężar, a także dodatkowy ciężar wspinaczy. Wymagana wytrzymałość kabla byłaby różna na całej jego długości. Dzieje się tak dlatego, że w różnych punktach musiałaby przenosić ciężar kabla poniżej lub zapewniać siłę skierowaną w dół, aby utrzymać kabel i przeciwwagę powyżej. Maksymalne napięcie kabla windy kosmicznej byłoby na wysokości geosynchronicznej, więc kabel musiałby być tam najgrubszy i zwężać się w miarę zbliżania się do Ziemi. Każdą potencjalną konstrukcję kabla można scharakteryzować współczynnikiem stożka – stosunkiem promienia kabla na wysokości geosynchronicznej do powierzchni Ziemi.

Kabel musiałby być wykonany z materiału o wysokim stosunku wytrzymałości na rozciąganie do gęstości . Na przykład konstrukcja windy kosmicznej firmy Edwards zakłada, że ​​kabel ma wytrzymałość na rozciąganie co najmniej 100 gigapaskali . Ponieważ Edwards konsekwentnie zakładał, że gęstość jego kabla z nanorurek węglowych wynosi 1300 kg/m ³ , oznacza to wytrzymałość właściwą 77 megapaskali/(kg/m ³ ). Ta wartość uwzględnia cały ciężar windy kosmicznej. Niezbieżny kabel windy kosmicznej wymagałby materiału zdolnego do utrzymania długości 4960 kilometrów (3080 mil) własnego ciężaru na poziomie morza, aby osiągnąć geostacjonarną wysokość 35786 km (22 236 mil) bez poddawania się. Dlatego potrzebny jest materiał o bardzo dużej wytrzymałości i lekkości.

Dla porównania, metale takie jak tytan, stal czy stopy aluminium mają długość zerwania tylko 20–30 km (0,2–0,3 MPa/(kg/m ³ )). Nowoczesne materiały włókniste , takie jak kevlar , włókno szklane i włókno węglowe/grafitowe, mają długość zrywania 100–400 km (1,0–4,0 MPa/(kg/m ³ )). Nanoinżynieria materiały, takie jak nanorurek węglowych , a w ostatnim czasie odkryto, grafenowe oczekuje się wstęgi (doskonała arkuszy dwuwymiarowe węgla) mieć zerwania długości 5000-6000 km (50-60 MPa / (kg / m ³ )), jak również są w stanie przewodzić energię elektryczną.

W przypadku windy kosmicznej na Ziemi, o stosunkowo dużej grawitacji, materiał kabla musiałby być mocniejszy i lżejszy niż obecnie dostępne materiały. Z tego powodu skupiono się na opracowywaniu nowych materiałów, które spełniają wysokie wymagania wytrzymałościowe. W przypadku wysokiej wytrzymałości właściwej węgiel ma zalety, ponieważ jest dopiero szóstym pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków . Węgiel ma stosunkowo niewiele protonów i neutronów, które odpowiadają za większość ciężaru własnego dowolnego materiału. Większość sił wiązania międzyatomowego dowolnego pierwiastka pochodzi tylko z kilku zewnętrznych elektronów. W przypadku węgla siła i stabilność tych wiązań jest wysoka w porównaniu z masą atomu. Wyzwaniem w stosowaniu nanorurek węglowych pozostaje rozszerzenie do rozmiarów makroskopowych produkcji takiego materiału, który nadal jest doskonały w skali mikroskopowej (ponieważ mikroskopijne defekty są najbardziej odpowiedzialne za słabość materiału). Od 2014 r. technologia nanorurek węglowych umożliwiła hodowlę rur do kilku dziesiątych metra.

W 2014 r. po raz pierwszy zsyntetyzowano nanonitki diamentowe . Ponieważ mają one właściwości wytrzymałościowe podobne do nanorurek węglowych, nanowątki diamentowe również szybko uznano za kandydata na materiał na kable.

Wspinacze

Koncepcyjny rysunek wspinacza kosmicznego windy wznoszącego się przez chmury.

Winda kosmiczna nie może być windą w typowym sensie (z ruchomymi kablami) ze względu na potrzebę, aby kabel był znacznie szerszy w środku niż na końcach. Chociaż proponowano różne projekty wykorzystujące ruchome kable, większość projektów kabli wymaga, aby „winda” wspinała się po kablu stacjonarnym.

Wspinacze obejmują szeroką gamę wzorów. W konstrukcjach wind, których kable są płaskimi taśmami, większość proponuje użycie par rolek do trzymania kabla z tarciem.

Wspinacze musieliby mieć optymalne tempo, aby zminimalizować naprężenie kabla i drgania oraz zmaksymalizować przepustowość. Lżejsi wspinacze mogliby być wysyłani częściej, z kilkoma jednocześnie. Zwiększyłoby to nieco przepustowość, ale zmniejszyłoby masę każdego pojedynczego ładunku.

Gdy samochód się wspina, lina lekko się przechyla z powodu siły Coriolisa. Górna część kabla porusza się szybciej niż spód. Wspinacz jest przyspieszany poziomo, gdy wznosi się dzięki sile Coriolisa, która jest wywierana przez kąty liny. Przedstawiony kąt pochylenia jest przesadzony.

Prędkość pozioma, tj. dzięki rotacji orbitalnej, każdej części kabla wzrasta wraz z wysokością, proporcjonalnie do odległości od środka Ziemi, osiągając niską prędkość orbitalną w punkcie około 66% wysokości między orbitą powierzchniową a geostacjonarną, lub wysokość około 23 400 km. Ładunek uwolniony w tym momencie wszedłby na wysoce ekscentryczną orbitę eliptyczną, ledwo pozostając poza wejściem do atmosfery, z perycentrum na tej samej wysokości co LEO, a apocentrum na wysokości uwolnienia. Wraz ze wzrostem wysokości uwalniania orbita stałaby się mniej ekscentryczna w miarę wzrostu perycentrum i apocentrum, stając się kołową na poziomie geostacjonarnym. Kiedy ładunek osiągnie GEO, prędkość pozioma jest dokładnie prędkością orbity kołowej na tym poziomie, więc po zwolnieniu pozostanie w sąsiedztwie tego punktu na kablu. Ładunek może również dalej wspinać się po kablu poza GEO, co pozwala na uzyskanie większej prędkości przy zrzucaniu. W przypadku uwolnienia z odległości 100 000 km ładunek miałby wystarczającą prędkość, aby dotrzeć do pasa asteroid.

Gdy ładunek zostanie podniesiony do windy kosmicznej, zyska nie tylko wysokość, ale także prędkość poziomą (pęd pędu). Moment pędu pochodzi z obrotu Ziemi. Gdy wspinacz się wspina, początkowo porusza się wolniej niż każda kolejna część liny, po której się porusza. Jest to siła Coriolisa : osoba wspinająca się „ciągnie” (na zachód) po linie podczas wznoszenia się i nieznacznie zmniejsza prędkość obrotową Ziemi. Odwrotny proces miałby miejsce w przypadku zstępujących ładunków: kabel jest przechylany na wschód, co nieznacznie zwiększa prędkość obrotową Ziemi.

Ogólny efekt działania siły odśrodkowej na kabel spowodowałby, że stale próbowałby on powrócić do korzystnej energetycznie orientacji pionowej, więc po uniesieniu przedmiotu na kablu, przeciwwaga przesunęłaby się z powrotem w kierunku pionu, trochę jak wahadło. Windy kosmiczne i ich ładunki zostałyby zaprojektowane w taki sposób, aby środek masy zawsze znajdował się wystarczająco wysoko ponad poziomem orbity geostacjonarnej, aby utrzymać cały system. Operacje podnoszenia i opuszczania musiałyby być starannie zaplanowane, aby utrzymać pod kontrolą ruch wahadłowy przeciwwagi wokół punktu mocowania.

Prędkość wspinacza byłaby ograniczona siłą Coriolisa, dostępną mocą oraz koniecznością zapewnienia, że ​​siła przyspieszająca wspinacza nie zerwie liny. Wspinacze musieliby również utrzymywać minimalną średnią prędkość, aby przesuwać materiał w górę iw dół ekonomicznie i sprawnie. Przy prędkości bardzo szybkiego samochodu lub pociągu 300 km/h (190 mph) wzniesienie się na orbitę geosynchroniczną zajmie około 5 dni.

Wspieranie wspinaczy

Zarówno moc, jak i energia są istotnymi problemami dla wspinaczy — wspinacze musieliby jak najszybciej uzyskać dużą ilość energii potencjalnej, aby oczyścić kabel do następnego ładunku.

Zaproponowano różne metody dostarczenia tej energii wspinaczowi:

• Przekaż energię wspinaczowi poprzez bezprzewodowy transfer energii podczas wspinaczki.
• Przekaż energię wspinaczowi przez jakąś strukturę materialną podczas wspinaczki.
• Przechowuj energię we wspinaczce przed jej rozpoczęciem – wymaga bardzo wysokiej energii specyficznej, takiej jak energia jądrowa.
• Energia słoneczna – Po pierwszych 40 km możliwe jest wykorzystanie energii słonecznej do zasilania wspinacza

Bezprzewodowe przesyłanie energii, takie jak wiązka laserowa, jest obecnie uważane za najbardziej prawdopodobną metodę, przy użyciu laserów na swobodnych elektronach lub półprzewodnikowych o mocy megawatów w połączeniu z lustrami adaptacyjnymi o szerokości około 10 m (33 ft) i układem fotowoltaicznym na podnośniku dostrojonym do częstotliwości lasera dla wydajności. W przypadku konstrukcji wspinaczkowych zasilanych wiązką mocy ta wydajność jest ważnym celem projektowym. Niewykorzystana energia musiałaby zostać ponownie wypromieniowana za pomocą systemów rozpraszania ciepła, co zwiększa wagę.

Yoshio Aoki, profesor inżynierii maszyn precyzyjnych na Uniwersytecie Nihon i dyrektor Japan Space Elevator Association, zasugerował włączenie drugiego kabla i wykorzystanie przewodnictwa nanorurek węglowych do zapewnienia zasilania.

Przeciwwaga

Kosmiczna winda ze stacją kosmiczną

Jako przeciwwagę zaproponowano kilka rozwiązań:

• ciężka, przechwycona asteroida ;
• dok przestrzeń , stacja kosmiczna lub port kosmiczny umieszczony na orbicie geostacjonarnej przeszłość
• dalsze wydłużenie samego liny w górę, tak aby naciąg netto w górę był taki sam jak równoważna przeciwwaga;
• zaparkowane zużyte wspinacze, które zostały użyte do zagęszczenia kabla podczas budowy, inne śmieci i materiały podniosły kabel w celu zwiększenia przeciwwagi.

Przedłużenie kabla ma tę zaletę, że zadanie jest uproszczone, a ładunek, który dotarł do końca kabla przeciwwagi, nabrałby znacznej prędkości względem Ziemi, co umożliwiłoby jego wystrzelenie w przestrzeń międzyplanetarną. Jego wadą jest konieczność produkowania większej ilości materiału kablowego, w przeciwieństwie do używania wszystkiego, co ma masę.

Aplikacje

Wejście w głęboką przestrzeń

Obiekt przymocowany do windy kosmicznej w promieniu około 53 100 km po zwolnieniu miałby prędkość ucieczki . Orbity transferowe do punktów Lagrange'a L1 i L2 można osiągnąć poprzez uwolnienie odpowiednio na 50630 i 51240 km, a przeniesienie na orbitę księżycową z 50960 km.

Pod koniec kabla 144 000 km (89 000 mil) Pearsona prędkość styczna wynosi 10,93 km na sekundę (6,79 mil / s). To więcej niż potrzeba, aby uciec z pola grawitacyjnego Ziemi i wysłać sondy przynajmniej tak daleko, jak Jowisz . Po dotarciu do Jowisza manewr wspomagania grawitacyjnego mógłby umożliwić osiągnięcie prędkości ucieczki Słońca.

Windy pozaziemskie

Winda kosmiczna mogłaby być również zbudowana na innych planetach, asteroidach i księżycach.

Martian pęta może być znacznie krótszy niż jeden na Ziemi. Grawitacja powierzchniowa Marsa wynosi 38 procent grawitacji Ziemi, podczas gdy Mars obraca się wokół własnej osi mniej więcej w tym samym czasie co Ziemia. Z tego powodu orbita stacjonarna Marsa znajduje się znacznie bliżej powierzchni, przez co winda mogłaby być znacznie krótsza. Obecne materiały są już wystarczająco mocne, aby zbudować taką windę. Budowa marsjańskiej windy byłaby skomplikowana przez marsjański księżyc Fobos , który znajduje się na niskiej orbicie i regularnie przecina równik (dwa razy w każdym okresie orbitalnym 11 godz. 6 min). Phobos i Deimos mogą stanąć na drodze geostacjonarnej windy kosmicznej, jednak mogą wnieść do projektu przydatne zasoby. Przewiduje się, że Phobos będzie zawierał duże ilości węgla. Jeśli nanorurki węglowe staną się wykonalne jako materiał na uwięzi, w lokalnym regionie Marsa pojawi się obfitość węgla. Mogłoby to zapewnić łatwo dostępne zasoby dla przyszłej kolonizacji Marsa.

Fobos może być również dobrą przeciwwagą dla windy kosmicznej. Jest na tyle masywny, że niezrównoważone siły wytworzone przez windę kosmiczną nie wpłyną na orbitę planety. Ale ponieważ Fobos nie znajduje się na orbicie geostacjonarnej, linka nie byłaby w stanie zakotwiczyć się na ziemi. Koniec liny musiałby znajdować się w atmosferze zewnętrznej i przechodzić przez to samo miejsce dwa razy dziennie na Marsa.

Księżyc Ziemi jest potencjalną lokalizacją dla księżycowej windy kosmicznej , zwłaszcza że specyficzna siła wymagana do uwięzi jest wystarczająco niska, aby użyć obecnie dostępnych materiałów. Księżyc nie obraca się wystarczająco szybko, aby winda była podtrzymywana siłą odśrodkową (bliskość Ziemi oznacza, że ​​nie ma efektywnej orbity księżycowo-stacjonarnej), ale różnice sił grawitacji oznaczają, że winda może być zbudowana przez punkty Lagrange'a . Winda z bliskiej strony rozciągałaby się przez punkt L1 Ziemia-Księżyc od punktu kotwiczenia w pobliżu środka widocznej części Księżyca Ziemi: długość takiej windy musi przekraczać maksymalną wysokość L1 wynoszącą 59 548 km i byłaby znacznie dłuższa w celu zmniejszenia masy wymaganej przeciwwagi wierzchołkowej. Winda księżycowa po drugiej stronie przeszłaby przez punkt Lagrange'a L2 i musiałaby być dłuższa niż po stronie bliższej: ponownie długość wiązania zależy od wybranej masy kotwicy wierzchołkowej, ale może być również wykonana z istniejących materiałów inżynierskich.

Szybko obracające się asteroidy lub księżyce mogą używać kabli do wyrzucania materiałów do dogodnych punktów, takich jak orbity Ziemi; lub odwrotnie, wyrzucać materiały w celu wysłania części masy asteroidy lub księżyca na orbitę Ziemi lub punkt Lagrange'a . Freeman Dyson , fizyk i matematyk, zasugerował użycie takich mniejszych systemów, jak generatory energii w punktach oddalonych od Słońca, gdzie energia słoneczna jest nieekonomiczna.

Według Francisa Grahama z Kent State University można zbudować windę kosmiczną przy użyciu obecnie dostępnych materiałów inżynieryjnych między wzajemnie powiązanymi światami, takimi jak Pluton i Charon lub elementy podwójnej asteroidy 90 Antiope , bez odłączenia końca. Jednak ze względu na eliptyczność orbit należy stosować zwinięte kable o zmiennej długości.

Budowa

Budowa windy kosmicznej wymagałaby zmniejszenia pewnego ryzyka technicznego. Wymagane są pewne postępy w inżynierii, produkcji i technologii fizycznej. Po zbudowaniu pierwszej windy kosmicznej, druga i wszystkie inne będą korzystały z poprzednich, aby pomóc w budowie, co znacznie obniży ich koszty. Takie kolejne windy kosmiczne zyskałyby również dzięki znacznemu zmniejszeniu ryzyka technicznego osiągniętego dzięki budowie pierwszej windy kosmicznej.

Przed pracą Edwardsa w 2000 r. większość koncepcji budowy windy kosmicznej wymagała wykonania kabla w kosmosie. Uważano, że jest to konieczne w przypadku tak dużego i długiego obiektu oraz tak dużej przeciwwagi. Wytwarzanie kabla w kosmosie odbywałoby się w zasadzie przy użyciu asteroidy lub obiektu znajdującego się w pobliżu Ziemi jako materiału źródłowego. Te wcześniejsze koncepcje budowy wymagają dużej istniejącej infrastruktury do lotów kosmicznych, aby manewrować asteroidą na potrzebnej orbicie wokół Ziemi. Wymagały również opracowania technologii wytwarzania w przestrzeni dużej ilości wymagających materiałów.

Od 2001 roku większość prac skupiała się na prostszych metodach budowy, wymagających znacznie mniejszej infrastruktury kosmicznej. Wyobrażają sobie uruchomienie długiego kabla na dużej szpuli, a następnie rozmieszczenie go w kosmosie. Szpula byłaby początkowo zaparkowana na orbicie geostacjonarnej nad planowanym punktem kotwiczenia. Długi kabel zostałby zrzucony „w dół” (w kierunku Ziemi) i zostałby zrównoważony przez masę zrzuconą „w górę” (z dala od Ziemi), aby cały system pozostał na orbicie geosynchronicznej. Wcześniejsze projekty wyobrażały sobie masę równoważącą jako kolejny kabel (z przeciwwagą) rozciągający się w górę, z główną szpulą pozostającą na pierwotnym poziomie orbity geosynchronicznej. Większość obecnych projektów podnosi samą szpulę, ponieważ główny kabel jest wypłacany, co jest prostszym procesem. Gdy dolny koniec kabla jest wystarczająco długi, aby dotrzeć do powierzchni Ziemi (na równiku), zostanie zakotwiczony. Po zakotwiczeniu środek masy byłby bardziej uniesiony (poprzez dodanie masy na górnym końcu lub przez wypuszczenie większej ilości kabla). Zwiększyłoby to napięcie całego kabla, który mógłby być następnie wykorzystany jako kabel windy.

Jeden plan budowy wykorzystuje konwencjonalne rakiety do umieszczenia początkowego kabla nasiennego „minimalnego rozmiaru” o wadze zaledwie 19 800 kg. Ta pierwsza bardzo mała wstążka byłaby wystarczająca do utrzymania pierwszego 619 kg wspinacza. Pierwszych 207 wspinaczy podniosło i przymocowało więcej kabla do oryginału, zwiększając jego przekrój poprzeczny i poszerzając początkową wstęgę do około 160 mm szerokości w najszerszym miejscu. Rezultatem byłby 750-tonowy kabel o udźwigu 20 ton na wspinacza.

Kwestie bezpieczeństwa i wyzwania konstrukcyjne

W przypadku wczesnych systemów czas przejścia z powierzchni na poziom orbity geosynchronicznej wynosiłby około pięciu dni. W tych wczesnych systemach czas spędzony na przechodzeniu przez pasy radiacyjne Van Allena wystarczyłby, aby pasażerowie musieli być chronieni przed promieniowaniem za pomocą osłon, co zwiększyłoby masę wspinacza i zmniejszyło ładunek.

Winda kosmiczna stanowiłaby zagrożenie nawigacyjne, zarówno dla samolotów, jak i statków kosmicznych. Samoloty mogą zostać przekierowane przez ograniczenia kontroli ruchu lotniczego . Wszystkie obiekty na stabilnych orbitach, które mają perygeum poniżej maksymalnej wysokości kabla, które nie są zsynchronizowane z kablem, w końcu wpłyną na kabel, chyba że zostaną podjęte działania zapobiegające. Jednym z potencjalnych rozwiązań zaproponowanych przez Edwardsa jest użycie ruchomej kotwicy (kotwicy morskiej), aby umożliwić uwięzi „unikanie” wszelkich kosmicznych śmieci wystarczająco dużych do śledzenia.

Uderzenia obiektów kosmicznych, takich jak meteoroidy, mikrometeoryty i orbitujące szczątki stworzone przez człowieka, stanowią kolejne ograniczenie konstrukcyjne kabla. Kabel musiałby być zaprojektowany tak, aby manewrował z dala od gruzu lub pochłaniał uderzenia małych gruzu bez pękania.

Ekonomia

W przypadku windy kosmicznej materiały mogą być wysyłane na orbitę za ułamek obecnych kosztów. Od 2000 r. konwencjonalne projekty rakiet kosztowały około 25 000 USD za kilogram (11 000 USD za funt ) za przeniesienie na orbitę geostacjonarną. Obecne propozycje wind kosmicznych przewidują ceny ładowności zaczynające się już od 220 dolarów za kilogram (100 dolarów za funt ), podobnie do szacunków 5–300 dolarów/kg dla pętli startowej , ale wyższe niż 310 dolarów za tonę do 500 km orbity, którą podał dr Jerry Pournelle dla systemu sterowców orbitalnych.

Philip Ragan, współautor książki Leaving the Planet by Space Elevator , stwierdza, że ​​„Pierwszy kraj, który wdroży windę kosmiczną, będzie miał 95 procent przewagi kosztowej i może potencjalnie kontrolować wszystkie działania kosmiczne”.

Międzynarodowe Konsorcjum ds. Wind Kosmicznych (ISEC)

International Space Elevator Consortium (ISEC) to amerykańska korporacja non-profit 501(c)(3), utworzona w celu promowania rozwoju, budowy i eksploatacji windy kosmicznej jako „rewolucyjnego i wydajnego sposobu na podróż w kosmos dla całej ludzkości”. Powstała po konferencji Space Elevator w Redmond w stanie Waszyngton w lipcu 2008 roku i stała się organizacją stowarzyszoną z National Space Society w sierpniu 2013 roku. ISEC organizuje coroczną konferencję Space Elevator w Seattle Museum of Flight .

ISEC koordynuje działania z dwoma innymi głównymi stowarzyszeniami zajmującymi się windami kosmicznymi: Japońskim Stowarzyszeniem Elewatorów Kosmicznych i EuroSpaceward. ISEC co roku wspiera sympozja i prezentacje na Międzynarodowej Akademii Astronautyki i Kongresie Międzynarodowej Federacji Astronautycznej.

Pojęcia pokrewne

Obecna konwencjonalna koncepcja „windy kosmicznej” ewoluowała od statycznej konstrukcji ściskającej sięgającej poziomu GEO do nowoczesnej podstawowej idei statycznej konstrukcji rozciągliwej zakotwiczonej w ziemi i rozciągającej się znacznie powyżej poziomu GEO. W obecnym użyciu przez praktyków (i w tym artykule) „Kosmiczna Winda” oznacza typ Ciolkowski-Artsutanow-Pearson, jak uważa International Space Elevator Consortium. Ten konwencjonalny typ jest konstrukcją statyczną przymocowaną do ziemi i rozciągającą się w kosmos na tyle wysoko, że ładunek może wspinać się po konstrukcji z ziemi do poziomu, na którym proste zwolnienie spowoduje umieszczenie ładunku na orbicie .

Niektóre koncepcje związane z tym nowoczesnym punktem odniesienia zwykle nie są określane jako „kosmiczna winda”, ale są w pewien sposób podobne i czasami są określane jako „kosmiczna winda” przez ich zwolenników. Na przykład Hans Moravec opublikował w 1977 roku artykuł zatytułowany „A Non-Synchronous Orbital Skyhook ” opisujący koncepcję wykorzystującą obracający się kabel. Prędkość obrotowa dokładnie odpowiadałaby prędkości orbitalnej w taki sposób, że prędkość wierzchołka w najniższym punkcie wynosiłaby zero w porównaniu z obiektem, który ma być „podnoszony”. Dynamicznie chwytałby, a następnie „podnosił” wysoko latające obiekty na orbitę lub nisko orbitujące obiekty na wyższą orbitę.

Pierwotna koncepcja wymyślona przez Cielkowskiego była konstrukcją kompresyjną, podobną do masztu lotniczego . Chociaż takie struktury mogą dotrzeć do kosmosu (100 km, 62 mil), jest mało prawdopodobne, aby osiągnęły orbitę geostacjonarną. Zaproponowano koncepcję wieży Ciołkowskiego połączonej z klasycznym kablem windy kosmicznej (sięgającej ponad poziom GEO). Inne pomysły wykorzystują bardzo wysokie wieże ściskające, aby zmniejszyć wymagania dotyczące pojazdów nośnych. Pojazd jest „podnoszony” w górę wieży, która może sięgać nawet ponad atmosferę i wystrzeliwany z góry. Różni badacze proponowali taką wysoką wieżę, aby uzyskać dostęp do wysokości w pobliżu kosmosu 20 km (12 mil).

Inne koncepcje spacelaunch nie rakietowego związane przestrzeni podnoszących (lub części przestrzeni windy) zawiera pierścień orbitalnej , pneumatyczny przestrzeń wieżę, fontannę przestrzeń , do pętli uruchamiania , w funkcji Skyhook , a linę przestrzeni i wypornościowe „SpaceShaft ”.

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Posłuchaj tego artykułu ( 54 minuty )

Ten plik audio został utworzony na podstawie rewizji tego artykułu z dnia 29 maja 2006 r. i nie odzwierciedla kolejnych edycji. ( 2006-05-29 )

( Pomoc audio  · Więcej artykułów mówionych )

• The Economist: Waiting For The Space Elevator (8 czerwca 2006 – wymagana subskrypcja)
• CBC Radio Dziwactwa i kwarki 3 listopada 2001 Jazda kosmiczną windą
• Times of London Online: Idę w górę… a następne piętro to kosmos
• Kosmiczna winda: „eksperyment myślowy” czy klucz do wszechświata? . Autorstwa Sir Arthura C. Clarke'a. Przemówienie na XXX Międzynarodowym Kongresie Astronautycznym, Monachium, 20 września 1979 r.
• Strona internetowa konsorcjum międzynarodowego konsorcjum ds. wind kosmicznych
• Wpis dotyczący kosmicznej windy w The Encyclopedia of Science Fiction