Ein Weltraumaufzug… auf dem Jupiter?

Ein 100% originelles Konzept.

Ein Weltraumaufzug auf Jupiter würde sich stark von einem auf einem festen Planeten errichteten unterscheiden (Bildnachweis: Jack Rometty).

Das Konzept

Ich muss sauber kommen. Als ich zum ersten Mal darüber nachdachte, einen Beitrag über Weltraumaufzüge auf Medium zu schreiben, wollte ich dies über die Anwendungen und Verwendungen erdbasierter Weltraumaufzüge tun. Nach weniger als einer Stunde Recherche stellte ich jedoch fest, dass dieses Thema bereits ziemlich gut erforscht war und meine weitgehend spekulativen, meinungsbasierten Beiträge zu diesem Thema nicht erforderlich waren. Ich wollte immer noch einen Beitrag über Weltraumaufzüge schreiben, aber ich wollte etwas Neues machen.

Daher habe ich über den Bau von Weltraumaufzügen auf anderen Planeten und Monden des Sonnensystems nachgedacht, von denen ich zu meiner Bestürzung festgestellt habe, dass sie ebenfalls sehr gut erforscht und dokumentiert sind. Weltraumaufzüge auf dem Mond können zu Lagrange-Punkten zwischen Erde und Mond gebaut werden, an denen sich die Schwerkraft der Erde und des Mondes gegenseitig aufheben, und Mars-Weltraumaufzüge sind so praktisch, dass sie aufgrund der geringen Schwerkraft des Planeten mit der heutigen Technologie und den heutigen Materialien gebaut werden können und immer noch relativ schnelle Spinrate.

Ein Mars-Weltraumaufzugskonzept.

Ich fühlte mich ziemlich nutzlos. Ich dachte mir: "Welche anderen felsigen Planeten oder Monde sind noch im Sonnensystem, die die praktischen Anwendungen eines Weltraumaufzugs nutzen könnten?!" Und dann habe ich die Frage geändert. "Warum muss es ein felsiger Planet sein?"

Warum Jupiter?

Raumschiffe der Zukunft müssen wahrscheinlich nichtflüchtige Kraftstoffe mit geringer Masse verwenden, um maximale Abgasgeschwindigkeit und maximalen Schub zu erreichen. Ein Beispiel für ein solches Raumschiff wäre ein Schiff, das einen Fusionsantrieb verwendet, bei dem zwei Isotope von Wasserstoff, Deuterium und Tritium, zu Helium kombiniert werden, um einen Schub zu erzielen. Deuterium und Tritium sind fantastische Treibstoffquellen für zukünftige Raumfahrzeuge, aber wir finden sie nicht oft auf der Erde, da die Anziehungskraft der Erde nicht stark genug ist, um diese Atome mit geringer Masse aufzunehmen.

Jupiter betreten. Jupiter ist buchstäblich 9/10 Wasserstoff und 1/10 Helium. Zu diesem Zeitpunkt dachte ich darüber nach, wie es möglich sein könnte, einen Weltraumaufzug zu entwerfen, um einen Teil der Jupiter-Atmosphäre an einem Ende zu „schöpfen“ und einen Teil dieser Masse durch den Aufzugsschacht zu einer Orbitalstation weit über Jupiters Atmosphäre zu transportieren dienen als Tankstelle für interplanetare (oder vielleicht sogar interstellare) Raumschiffe.

Eine Nahaufnahme von Jupiters Atmosphäre vom Juno-Raumschiff.

Diese Anwendung könnte wahrscheinlich für jeden der Gasriesen verwendet werden, aber Jupiter ist einfach die naheliegendste und praktischste Auswahl. Wenn Sie weiter aus dem Sonnensystem herausreisen, sind Sie bereits dem größten Teil der potenziellen Gravitationsenergie der Sonne entkommen. Zu diesem Zeitpunkt könnte sich ein interstellarer Reisender fragen, warum er so viel Treibstoff verwendet hat, um sich nur auf die Umlaufgeschwindigkeit von Neptun zu verlangsamen wieder beschleunigen müssen, um ihre Reise fortzusetzen.

Das Design

Ein traditioneller Weltraumaufzug besteht aus vier Hauptbestandteilen; ein Anker als Basis, eine Orbitalstation (oder ein massives Objekt) als Gegengewicht, ein Schacht oder eine Leine, die die beiden verbindet, und ein Kletterer oder eine Aufzugskabine, die den Schacht hinauf- und hinunterfährt. Ein Weltraumaufzug muss so ausgelegt sein, dass der Schwerpunkt der gesamten Struktur auf der geostationären Umlaufbahn umkreist, sodass die Zentripetalkraft des Gegengewichts genau der Schwerkraft auf den Anker entspricht, der an einer Planetenoberfläche befestigt ist. Das Seil ist immer unter Spannung, so dass der Aufzug kein Gewicht auf der Erde verursacht und die Umlaufbahn keine zusätzliche Energie benötigt (über das Manövrieren von Triebwerken hinaus), um den Weltraumaufzug stabil zu halten.

Ein erdgestützter Weltraumaufzug, der keinen Energieeintrag benötigt, um stabil zu bleiben.

Das Design eines Weltraumaufzugs, der in Jupiters Atmosphäre betriebsbereit ist, wird ganz anders sein. Da Jupiter keine feste Oberfläche hat, muss der „Anker“ eine atmosphärische Struktur sein, die mit der Spannung des Kabels und den aerodynamischen Kräften in der Luft bleibt. Das Fehlen einer festen Oberfläche durch Jupiter bedeutet auch, dass es technisch keine geostationäre Umlaufbahn hat. Dies verbietet jedoch nicht den Bau eines Weltraumaufzugs, solange der Schwerpunkt den Jupiter in einer stabilen, kreisförmigen Umlaufbahn umkreist. Dies ist das gleiche Konzept wie das Verlegen von Kabeln gleicher Masse aus beiden Enden der ISS, eines zur Erde und eines von der Erde weg. Der Schwerpunkt wird immer die ISS sein, so dass ihre Umlaufbahn weiterhin stabil bleibt. Das heißt, bis das Erdende des Kabels die Atmosphäre trifft…

Hier weicht mein Weltraumaufzug am meisten von dem eines traditionellen Designs ab. Da sich ein Ende eines Jupiter-Weltraumaufzugs aufgrund seiner Konstruktion immer in der Atmosphäre befindet, erfährt dieses Ende ständig eine Rückwärtskraft, und da diese Kraft nur auf ein Ende des Weltraumaufzugs wirkt, entsteht auch ein Drehmoment. Dies erfordert Stöße sowohl vom Anker als auch von der Umlaufbahn, um diesem Kraft-Drehmoment-Paar entgegenzuwirken und eine stabile Umlaufbahn aufrechtzuerhalten.

Ein Diagramm eines Jupiter-Weltraumaufzugs, das den Luftwiderstand als Gradienten zeigt.

Das Design des Ankers könnte dem eines Staustrahltriebwerks hier auf der Erde ähneln, bei dem Überschallwasserstoff in ein Ende eintritt, mit einer Reihe von Mikrowellen oder Lasern erwärmt und dann mit noch schnelleren Geschwindigkeiten ausgestoßen wird, um den erforderlichen Schub zu erzeugen, um dem entgegenzuwirken der Widerstand aus der Atmosphäre. Auf dem Weg würde ein Prozentsatz dieser Masse gesammelt und den Aufzugsschacht hinaufgeschickt, um in der Orbitalanlage für die Tankstelle gelagert und für das entgegenwirkende Triebwerk der Station verwendet zu werden. Zuerst stellte ich mir vor, dass der Anker in Jupiters Atmosphäre eintauchen sollte, wo der Druck der gleiche ist wie auf der Erde: 1 bar.

Mein atmosphärisches

Der Schwerpunkt des Aufzugs würde wahrscheinlich relativ nahe an Jupiters „Oberfläche“ kreisen (wo der Druck der gleiche ist wie auf der Erde, 1 bar), möglicherweise nur etwa tausend Kilometer darüber. Dies bedeutet, dass die atmosphärische Geschwindigkeit des Ankers enorm sein wird. Um dies zu berücksichtigen, müssen der Anker und der Aufzugsschacht mit Diamant-Überschallprofilquerschnitten ausgeführt werden. Die gesamte Länge des Schachts besteht aus mehreren verbundenen Abschnitten, die jeweils etwa hundert Meter lang sind, um Flexibilität bei der Konstruktion zu ermöglichen.

Konzeptideen für den Aufzugsschacht mit dem Wasserstoffschacht in der Mitte und den beiden menschlichen Transportschächten außen. Beachten Sie auch die Gelenke, die in drei Dimensionen Kugelgelenke sind, um eine 360-Grad-Flexibilität zu ermöglichen.

Schließlich benötigt die Orbitalstation lediglich Andocköffnungen, um das Auftanken zu ermöglichen, und ein eigenes Triebwerk, um dem atmosphärischen Drehmoment von zuvor ein entgegenwirkendes Drehmoment bereitzustellen. Das Gesamtkonzept des Designs ist unten zu sehen.

Endgültiges Designkonzept (nicht maßstabsgetreu, lol).

Zahlen knacken

Ich wusste sofort, dass es viel zu viele Variablen gibt, um all dies von Hand zu berechnen. Deshalb habe ich ein MATLAB-Programm erstellt, mit dem ich iterativ nach einem optimalen Design suchen kann. Der erste Schritt bestand darin, einige definierende Merkmale meines Aufzugs so einzustellen, dass es nicht so viele Variablen gab. Ich habe meine große technische Intuition genutzt, um einige Anfangsparameter auszuwählen. Diese Parameter mit Begründung sind nachstehend aufgeführt:

  • Orbitalanlage auf 2000 km, wo Jupiters atmosphärischer Druck der gleiche ist wie bei Earth LEO (wo die ISS umkreist). Dies ist eine Höhe, die groß genug ist, um Raumfahrzeuge tanken zu lassen, aber auch die Länge des Aufzugs minimiert, wodurch Material- und Konstruktionskosten gespart werden.
  • Überschallwiderstandskoeffizienten der Welle und des Ankers von 0,2 bzw. 0,5, da Überschallwiderstandskoeffizienten normalerweise relativ niedrig sind.
  • Der Querschnitt der Aufzugswelle ist rautenförmig mit einer Länge von 10 Metern und einer Breite von 3,5 Metern. Dies ist groß genug, um große Nutzlasten sowie die Wasserstoffmassen auf und ab transportieren zu können.
  • Die Ankerabmessungen betragen 35 * 35 Meter Einlass bei einer Länge von 100 Metern.
  • 12 kg / s Wasserstoff werden gesammelt, um den Tank zu füllen. Dies reicht aus, um den Saturn V in ~ 46 Stunden zu füllen, was fair erscheint.

Der nächste Schritt bestand darin, die Widerstandskraft auf den Aufzugsschacht zu bestimmen. Die Formel für die Widerstandskraft lautet wie folgt:

Kraft der Widerstandsformulierung.

Wo:

  • Rho = Luftdichte
  • A = Oberfläche im Luftstrom
  • C_D = Widerstandsbeiwert
  • v = Luftstromgeschwindigkeit

Die Bestimmung der Widerstandskraft auf den Anker ist einfach, da alle diese Parameter in einer konstanten Höhe wie in einem Flugzeug konstant bleiben. Der Aufzugsschacht ähnelt jedoch weniger einem Flugzeug als vielmehr dem schnellen Schwingen eines Eimers an einem Seil um Sie herum. Der Eimer (Orbitalstation) hat die schnellste Geschwindigkeit, während die Geschwindigkeit des Seils (der Schaft) von der Entfernung zu Ihnen abhängt und eine langsamere Geschwindigkeit näher an Ihrem Körper hat. Aus diesem Grund war es so schwierig, die Widerstandskraft auf den Aufzugsschacht zu ermitteln. Buchstäblich jede Variable ändert sich. Jupiters atmosphärische Dichte wird in höheren Lagen schwächer und die Geschwindigkeit näher an der Orbitalstation schneller.

Ein Weltraumaufzug wurde so vereinfacht, dass er nur noch ein sich drehender Wassereimer ist. (* Ahnungsloser schwacher Kinderschwingeimer nicht abgebildet *)

Die Lösung der Luftdichte von Jupiter war an sich schon ein Problem, da ich online kein Modell finden konnte, das die atmosphärischen Bedingungen von Jupiter darstellt. Ich musste tatsächlich meine eigenen Formeln erfinden, um Druck und Temperatur basierend auf Daten aus Wikipedia zu modellieren, und dann das ideale Gasgesetz verwenden, um die Luftdichte zu ermitteln. Sobald ich alle diese Variablen geknackt hatte, konnte ich ein Integral bilden, um den Widerstand am Kabel zu lösen.

Jupiters atmosphärische Temperaturen und Drücke mit der Höhe.

Sobald ich die Gesamtkraft des Luftwiderstands als Integral über der Höhe hatte, konnte ich die Kraft und das Drehmoment bestimmen, die Jupiters Atmosphäre auf den Aufzug ausüben würde… Als würde ich denselben Eimer von zuvor über den Weg eines Laubbläsers schwingen, der ihn nach hinten drückt. Dies würde es mir ermöglichen, die Kraft der Motoren zu bestimmen, die die Gegenstöße gegen diesen Luftwiderstand liefern würden. Dies war eine einfache statische Gleichung:

Bild sagt alles.

Zuerst dachte ich darüber nach, einen völlig separaten Motor zu verwenden, um den Schub bereitzustellen, wie einen Fusionsantrieb oder eine aufgemotzte chemische Rakete, die einen Teil des gesammelten Wasserstoffs verwendet. Aber dann wurde mir klar, dass dieser Anker bereits wie ein gigantischer Einlass konstruiert ist, der wie ein Staustrahl Luft ansaugt, und alles, was er tun müsste, ist, den Wasserstoff zu sammeln, den er für die Orbitalanlage benötigt, und dann den Rest höllisch aufzuheizen Erhöhen Sie die Geschwindigkeit am hinteren Ende, um einen Schub zu erzeugen. Um diese Temperatur zu bestimmen, müsste ich die erforderliche Abgasgeschwindigkeit kennen und bestimmen, dass ich nach dem Massendurchfluss suchen müsste. Kinderleicht.

Massendurchflussgleichung.Schubgleichung.

"A" hier ist unser Aufnahmebereich. Okay, es gibt also das kleine Problem, dass ich meine Düse nicht auf den Umgebungsdruck ausdehne (Pe-Po in der Gleichung), was meinen Gesamtschub ein wenig beeinträchtigt, aber ich habe eine schnelle Zahlenkalkulation durchgeführt und festgestellt, dass dies nicht der Fall ist Beeinflussen Sie es sehr, wenn Sie über Stöße in der Größenordnung von 10⁸ N sprechen (Ja, so viel brauchen wir möglicherweise). Für meine Absichten und Zwecke ist der Schub also wirklich nur der Massenstrom multipliziert mit der Abgasgeschwindigkeit. Dies würde es mir ermöglichen, eine Abgasgeschwindigkeit und damit die Temperatur der Brennkammer unter der Annahme einer Standard-Staustrahlkonfiguration zu ermitteln.

Die für diesen „Staustrahl“ erforderlichen Kammertemperaturen liegen weit über den herkömmlichen Staustrahltriebwerken hier auf der Erde. Daher ist eine andere Methode als die Verbrennung erforderlich, um die einströmende Luft auf geeignete Temperaturen zu erwärmen. Zu diesem Zeitpunkt gab es nur eine Lösung; Mikrowellen. Aber Mikrowellen brauchen Strom. Um nach Strom zu suchen, müssen Sie buchstäblich herausfinden, wie Sie das einströmende Gas, das sich mit ~ 40.000 m / s bewegt, von etwa 200 K auf> 8000 K im Abstand der Innenlänge des Ankers (vielleicht hundert Meter?) Erhitzen können. Ja, wir brauchen einen leistungsstarken Kernreaktor.

Die Sonne, von der 8000 K heißer sind als die Oberfläche von…

Jetzt dreht sich ein Eimer um Jupiter mit Überschallgeschwindigkeiten, die durch die Atmosphäre schreien und allen Kräften mit eigenen Motoren entgegenwirken. Dabei wird die Masse über einen 2000 Kilometer langen Schacht zu einer Orbitalstation transportiert, die als Tankstelle dient. Dies wirft ein weiteres Problem auf… Isaac Newton vom Feinsten (oder Schlimmsten).

Wenn Sie Masse kontinuierlich über einen Aufzugsschacht transportieren, induzieren Sie eine resultierende Kraft nach unten auf die Aufzugsstruktur. Es ist nicht viel (im Vergleich zur Masse des gesamten Aufzugs), aber es würde ausreichen, um die Umlaufbahn über einige Tage oder Wochen zu destabilisieren. Dem könnte einfach entgegengewirkt werden, indem der Anker als eine Art Tragflügel in einem kleinen Anstellwinkel ausgelegt wird, um eine nach oben gerichtete Hebekraft auf den Aufzug zu erzeugen, um ihn stabil zu halten.

Alles andere wurde der Wissenschaft überlassen. Dann habe ich das Programm mehrmals mit verschiedenen Ankerhöhen ausgeführt, um herauszufinden, welche die attraktivsten Ergebnisse lieferte. Hier sind einige Beispiele:

Anker bei 0 km (1 bar atmosphärischer Druck), wobei wichtige konstruktive Einschränkungen hervorgehoben werden.

Zuerst habe ich es mit dem Anker bei 1 bar Atmosphärendruck oder 0 km versucht. Beachten Sie zunächst, dass der Schub gigantisch ist, etwas in der Größenordnung von 10³ N oder fast einer Million Saturn V-Raketen. Zweitens ist der Massendurchsatz grausam und würde wahrscheinlich ausreichen, um jede Art von Ankerstruktur in Stücke zu reißen. Die Abgasgeschwindigkeit ist ein beträchtlicher Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, und die Brennkammertemperatur ist heißer als die Oberflächen blauer Riesensterne. Schließlich entspricht die erforderliche Leistung zum Heizen dieser Kammer mit Mikrowellen und / oder Lasern in etwa der Leistung von 25.000 modernen Kernspaltungsreaktoren. Das ist einfach albern. Offensichtlich muss der Anker höher in der Atmosphäre sein, wo der Luftwiderstand geringer ist.

Nach mehreren Iterationen war ich mit den Parametern meines Aufzugs am zufriedensten, als sich der Anker auf einer Höhe von 237 km befand:

Anker bei 237 km, wobei wichtige Designbeschränkungen hervorgehoben werden.

Der Schub ist hier etwas hoch, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturn V), und die Kammertemperatur übersteigt 8000 K um einen angemessenen Betrag (heißer als die Oberfläche der Sonne), aber viele der anderen Eigenschaften sind ziemlich fair. Der Massenstrom liegt unter 2000 kg / s, was keine unglaubliche Belastung für den Anker darstellt, und die Abgasgeschwindigkeit liegt im Bereich der theoretisierten Spalt- und Fusionsraketen der nahen (ish) Zukunft. Die Leistung, die erforderlich ist, um das einströmende Gas auf die richtige Geschwindigkeit zu erwärmen, ist vergleichbar mit der von modernen mittelgroßen Spaltreaktoren, die Städte auf der Erde antreiben, und die Atmosphäre ist immer noch dick genug, um genügend Brennstoff für unseren Tankposten zu sammeln.

Fazit

Ist es machbar? Nicht mit der heutigen Technologie, nein. Wir müssen einige Sprünge in den Bereichen Antrieb, Atomkraft, Wärmekontrolle und Materialwissenschaften machen, damit diese Idee praktisch wird.

Aber ist es praktisch? Möglicherweise. Wenn Schiffe nur genug Treibstoff transportieren müssten, um zum Jupiter zu gelangen, anstatt den gesamten Treibstoff zu befördern, um ebenfalls zurück zu gelangen, könnten Schiffe größer und schneller gebaut werden, was wiederum ihre Tragfähigkeit und Reichweite erhöht.

Cloud City, Bespin, aus der Star Wars-Serie.

Wäre es endlich cool? Hölle ja würde es! Denken Sie nur daran, wie großartig es wäre, eine treibstoffsammelnde Megastruktur zu haben, die Jupiter auf dieser niedrigen Umlaufbahn umkreist! Es wäre eine gewaltige wissenschaftliche und technische Leistung. Außerdem würde es fantastisch aussehen, sich Schiffen zu nähern, wie einer dieser seltsamen schwimmenden Städte aus Star Wars auf Bespin (nur verkehrt herum?)

Habe ich zu viel Zeit mit diesem Projekt verbracht? Wahrscheinlich ja. Danke fürs Lesen!