Es kommt auf die Effizienz der Energieumwandlung und die Kosten der Technologien an, die die Umwandlung durchführen.
Wenn Sie eine bestimmte Masse an der Erdoberfläche haben, die Sie in der geostationären Umlaufbahn haben möchten, müssen Sie sie erhöhen den geostationären Radius (oder die Höhe, wenn Sie lieber in diesen Begriffen denken), und Sie müssen ihn auf die geostationäre Umlaufgeschwindigkeit beschleunigen. Beide verbrauchen Energie, eine genau festgelegte Menge pro Kilogramm Masse, die Sie loften, ~ 5,3 x 10 $ ^ 7 $ Joule pro Kilogramm für das Anheben auf den GEO-Radius und ~ 4,7 x 10 $ ^ 7 $ Joule pro Kilogramm für die kinetische Energie der Umlaufbahn. (Dies ist ein Wechsel von LEO. Bei LEO ist die kinetische Energie viel größer als die Loft-Energie. Bei GEO ist die Loft-Energie größer als die kinetische Energie.) Dies ist die grundlegende Rolle sowohl einer Rakete als auch eines Aufzugs: Bereitstellung der Energie zum Anheben die Masse an ihre gewünschte Position in der Schwerkraftquelle der Erde bringen und die Energie liefern, um sie mit Umlaufgeschwindigkeit in Bewegung zu bringen. Der Rest sind "Implementierungsdetails".
Aber wie sie sagen: "Der Teufel steckt im Detail."
Angesichts der gesamten chemischen Energie in den Treibmitteln einer Rakete übertragen Raketentriebwerke einen Teil dieser Energie auf das Fahrzeug und einen sehr kleinen Teil dieser Energie auf die Nutzlast. Der genaue Anteil hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. dem endgültigen ∆V im Vergleich zur Abgasgeschwindigkeit der Treibmittel (spezifische Impulszeiten Erdgravitationsbeschleunigung), ∆V für jede Stufe (falls abgestuft) in Bezug auf die Abgasgeschwindigkeit und den Druckkontrast zwischen der Düsenausgang und die Umgebung - viele Dinge. Eine typische gute Leistung beträgt jedoch etwa 10% der gesamten verfügbaren Energie, die auf das gesamte Fahrzeug (einschließlich Nutzlast) übertragen wird, nicht nur auf die Nutzlast. Der auf die Nutzlast übertragene Anteil ist noch viel kleiner. Die auf das Fahrzeug selbst übertragene Energie (nicht die Nutzlast) wird im Wesentlichen verschwendet. Es geht darum, die gesamte Hardware zu beschleunigen, die für die Energieumwandlung erforderlich ist (d. H. Motoren, Tanks, Pumpen, Zuleitungen, Avionik usw.) und zu jedem Zeitpunkt während des Boosts das gesamte verbleibende Treibmittel. Bis vor kurzem wurde all diese Masse entweder zu energiereichem Müll, der auf die Erdoberfläche fällt, zu energiereichem Müll in der Umlaufbahn oder zu Gasen mit hoher Entropie in der Erdatmosphäre. Irgendwo hat jemand viel bezahlt - viel! - für all die Energie, die jetzt als Wärme abgeführt wird, und all die Raketenhardware, die die chemische Energie in andere Formen umgewandelt hat. Wiederverwendbare Raketenstufen verändern dort das Gleichgewicht, aber selbst das ist mit Kosten verbunden, z. B. der Notwendigkeit, zusätzliches Treibmittel mitzuführen, um eine Landung durchzuführen.
Verwenden Sie stattdessen einen Aufzug, ein "Auto", das den Aufzug hinauffährt kann Elektrizität verwenden, um die Energie zu liefern, um zum geostationären Radius zu gelangen, und diese Energie kann aus bodengestützten oder in situ (z. B. solaren) Quellen stammen.
Um die Energie zu erhalten Wird für die Umlaufgeschwindigkeit benötigt, stiehlt es Energie aus dem Aufzugskabel.
Das ist nicht kostenlos !! Dazu später mehr.
Gegenwärtige bodengestützte Stromquellen können chemische Energie aus Kohle, Erdgas usw. mit einem Wirkungsgrad von mehr als 30% umwandeln. Keiner der Brennstoffe, Oxidationsmittel (die fast kostenlos sind: Wir beziehen sie aus der Umgebungsluft) oder Hardware für die Energieumwandlung müssen hochgeschleudert werden. Keine der beteiligten Hardware, die für eine bestimmte Nutzlast viel leichter als die erforderliche Raketenhardware ist, wird zu energiereichem Müll! Der Loft-Teil der Energie, mehr als die Hälfte der Gesamtenergie, hat also einen viel höheren Wirkungsgrad als eine Rakete.
Viele Leute gehen davon aus, dass Sie die kinetische Energie der Umlaufbahn aus derselben Quelle beziehen können. Wäre dies der Fall, würde die kinetische Energie von einem elektrischen System für den Aufzug viel effizienter geliefert als von einer Rakete.
Aber die Hardware, die die Nutzlast horizontal (senkrecht zur lokalen Vertikalen) beschleunigt, ist nicht der Antriebsmotor und der Antriebsstrang in der Aufzugskabine. Es ist das massive Aufzugskabel selbst. Je höher Sie am Kabel sind, desto schneller dreht es sich mit der Erde. An der Erdoberfläche bewegt sich die Nutzlast um 450 m / s. Bei GEO muss es sich wie das Kabel ~ 3100 m / s bewegen. Wenn Sie das Kabel hinaufsteigen, ist die lokale Horizontalgeschwindigkeit des Kabels proportional zum Radius vom Erdmittelpunkt. Wenn sich das Auto das Kabel nach oben bewegt, drückt das Kabel es vorsichtig in Richtung der Umlaufgeschwindigkeit und fügt dem Auto allmählich horizontale kinetische Energie hinzu. Aber dann drückt das Auto auch auf das Kabel, und das hat Konsequenzen.
Wenn Sie einen relativ kleinen Raketentriebwerk (oder ein anderes Mittel zum Aufbringen einer horizontalen Kraft) auf das Auto ausüben, können Sie das machen horizontale Nettokraft auf das Kabel Null. Dies würde alle Effekte aufheben, die ich diskutieren werde. Aber mit einem Raketentriebwerk müssten Sie genug Treibmittel für eine ∆V von ~ 2,7 km / s transportieren (nicht trivial!), Und jetzt verwenden Sie wieder Raketenantrieb für fast die Hälfte der benötigten Energie. Nehmen Sie vorerst kein solches System im Auto an.
Die Konsequenzen: Die kinetische Energie, die das Auto empfängt, wird dem Kabel entnommen. Das Auto verlangsamt es - nur ein wenig nach dem anderen, aber über einen langen Zeitraum hinweg die Zeit, die das Auto benötigt, um zu GEO zu gelangen. Dies verleiht dem Kabel eine nicht radiale Schwankung. Das Schwanken verhält sich nicht so, als wäre das Kabel eine starre Stange. Lokale Verschiebungen, die durch das sich vertikal bewegende Auto verursacht werden, breiten sich als Wellen auf den Rest des Kabels aus, ähnlich wie beim Zupfen einer Gitarre oder einer Klaviersaite. Schließlich wird das Kabel von seinem Ankerpunkt aus leicht nach Westen geneigt und nicht gerade aufgewickelt: Es wird ein wenig "wackeln". Ein Teil der kinetischen Energie des Kabels und ein Teil der Energie des sich bewegenden Autos wurden von Energie der Translationsbewegung in Energie der Vibration umgewandelt.
Die nicht vertikale Ausrichtung ist nicht stabil. Das Kabel, das Gegengewicht und alles, was daran angeschlossen ist, versucht, diese vertikale Ausrichtung wiederherzustellen. Dazu muss alles nach Osten beschleunigen. Das Beschleunigen erfordert Energie. Woher kommt diese Energie?
Rotationsenergie der Erde!
Wenn das Kabel leicht nach Westen geneigt ist, dann der Spannungskraftvektor auf dem Kabel zeigt meistens nach unten, aber leicht nach Osten. Wenn die Kraft auf das Kabel eine Ostkomponente hat, hat die gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Befestigungspunkt auf der Erde eine Westkomponente entgegen der Erdrotation. Die Erde beschleunigt das Kabel und das Kabel verlangsamt die Erdrotation um einen winzigen Betrag.
Das Kabel wird nicht wesentlich abfallen (durchhängen), da das Gegengewicht irgendwo hinter GEO das Kabel so stark spannt, dass es niemals vollständig durchhängt, es sei denn, ein Idiot versucht, ein Auto und eine Nutzlast anzulegen, deren Gewicht größer ist als die Zugkraft auf das Kabel. (Abgesehen davon: Wenn jedoch horizontale Bewegungen, dh unterschiedliche Bewegungen in Bezug auf die ideale Nur-Radial-Position, durch Coriolis-Kräfte zu relativ kleinen vertikalen Kräften gekoppelt werden, kommt es zu lokalen Änderungen der Zugspannung, die kleine vertikale Bewegungen ermöglichen. Auch kleine Verschiebungen von Die vertikale Position führt zu kleinen Verschiebungen in der Erdschwerkraftbohrung nach unten. Bei horizontalen Verschiebungen nach Westen oder Osten führen diese Abwärtsbewegungen zu kleinen Kräften nach Osten, was zu kleinen Korrekturkräften bei Verschiebungen nach Westen und kleinen Störkräften bei Verschiebungen nach Osten führt.
Das Kabel wird diesen horizontalen Beschleunigungskräften bis in seine vertikale (und wackelnde!) Position ausgesetzt. Was bedeutet, dass es hier nicht aufhören wird. Wie ein einfacher harmonischer Oszillator setzt er sich über diesen Gleichgewichtspunkt hinaus fort und kippt nach Osten , wobei er schließlich anhält und umgekehrt zum nach Westen geneigten Wiederherstellungsprozess eintritt. Es ist wie ein umgedrehtes Pendel! Ohne dissipatorische Prozesse (Reibung, Biegeerwärmung usw.) würde diese Schwingung auf unbestimmte Zeit andauern. In einem realen Aufzugssystem sind dissipatorische Prozesse am Werk, sodass das Kabel schließlich in eine statische vertikale Position zurückkehren würde.
Ja. In Jahren oder Jahrzehnten oder sogar mehr, je nach Kabelmaterial. Wenn Sie Autos häufig und wohl oder übel auf und ab schicken, ohne auf Timing oder Aufstiegs- / Abstiegsprofile zu achten, können sich die durch diese Bewegungen angeregten Vibrationen und Schwankungen zu dem Punkt summieren, an dem sie das Kabel überlasten. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die Überlastung des Kabels deutlich suboptimal ist.
Wie können Sie das Schwanken in einer viel kürzeren Zeitspanne stoppen?
Sie müssen externe Kräfte auf das Kabel ausüben!
Diese externen Kräfte kann zumindest teilweise aus der Aufzugskabine kommen, wenn sie wieder runter fährt. Wenn das Auto die gleiche Masse trägt wie beim Aufstieg, gibt es ein vertikales Geschwindigkeitsprofil, das das Schwanken und sogar die Vibration aufhebt. Das bedeutet nicht, dass dieses theoretische Geschwindigkeitsprofil praktisch ist. Es kann gelegentlich zu höheren Geschwindigkeiten kommen, als die Fahrzeugtechnologie bewältigen kann. Dies kann häufige Verlangsamungen, sogar Sichern und erneutes Beschleunigen beinhalten, wodurch die Abwärtsfahrt möglicherweise länger als erwünscht wird. Wenn das optimale Profil nicht implementiert werden kann, schwankt das Kabel bei der Hin- und Rückfahrt entweder oder vibriert oder (höchstwahrscheinlich) beides.
Wenn sich die Masse des absteigenden Fahrzeugs von der des Aufwärtsfahrzeugs unterscheidet Reise, dann ohne Zweifel: Es wird Restschwankungen und Wackeln von der Reise geben.
Das richtige Timing und Profilieren der Aufwärtsfahrt eines anderen Autos könnte auch einen Teil des Schwankens und der Vibration dämpfen.
Wie Brechen Sie verbleibende Schwankungen und Vibrationen auf?
Auch hier müssen Sie externe Kräfte auf das Kabel ausüben.
Wenn sich das Kabel der Gleichgewichtsposition (vertikal) nähert, müssen Sie langsamer fahren seine horizontale Geschwindigkeit in Bezug auf diese Position, so dass Sie eine Kraft in die Richtung entgegenwirken müssen, die seiner Bewegung entgegengesetzt ist. Dies funktioniert entweder für Schwankungen oder Vibrationen. Aber Sie müssen sehr vorsichtig sein, wo und wann Sie die Kräfte anwenden. Wenn Sie "Bang-Bang" -Kräfte anwenden ( Bang-Bang -Kontrolle bedeutet, dass die Kontrollkraft entweder ausgeschaltet oder zu 100% eingeschaltet ist, nichts dazwischen), beispielsweise an der GEO-Position, starten Sie Wellen, die Bewegen Sie sich von diesem Punkt aus sowohl nach oben als auch nach unten. Obwohl Sie möglicherweise niederfrequente Schwingungen dämpfen, erregen Sie höherfrequente Schwingungen noch mehr.
Sie könnten zwar die Kräfte am GEO-Punkt anwenden, aber nicht Bang-Bang. Sie müssen mit einem Profil angewendet werden, das die Summe aller Bewegungen aufgrund von Vibrationen, Wanderwellen und Schwankungen zu einem bestimmten Zeitpunkt dämpft.
Sie können die Kräfte mit jedem System anwenden, das Translationskräfte erzeugt In einem Vakuum. Sie könnten mit den Magnetfeldern oder elektrischen Feldern der Erde interagieren. Dieser Ansatz wird elektrische Energie benötigen. Da Sie die Richtung des Magnetfelds nicht wählen können, sind Ihre Optionen für die Richtung der mit einem Magnetsystem ausgeübten Kraft begrenzt. Da die Translationskraft eines Magnetfelds einen Gradienten der Feldstärke erfordert und dieser Gradient in der Erdmagnetosphäre recht klein ist, benötigen Sie viel elektrische Energie. Während magnetischer Stürme können die Richtung und Stärke des Magnetfelds stark variieren, was die Verwendung erschwert. Es gibt einige ähnliche Probleme mit dem lokalen elektrischen Feld (aber nicht mit dem für den Gradienten erforderlichen Problem), und seine Richtung und Größe sind variabler als die des Magnetfelds. Jeder Ansatz würde viel Strom verbrauchen und irgendwo muss jemand für diesen Strom bezahlen.
Oder Sie können das am häufigsten verwendete Gerät verwenden, um Translationskräfte im Vakuum aufzubringen: den Raketentriebwerk. Es müsste drosselbar sein (kein Knall!) Oder eine Anordnung vieler Kammern sein, deren kombinierte Arbeitszyklen eine grobe Annäherung an eine stufenlose Schubzeitkurve ergeben. Und weil das Schwerefeld der Erde nicht perfekt zylindersymmetrisch ist, würden sich Ost-West-Schwingungen schließlich in Nord-Süd-Schwingungen koppeln, sodass Sie Motoren oder Motorcluster benötigen, die auf die vier horizontalen Kardinalpunkte gerichtet sind, nicht nur auf Ost-West. Bei diesem Ansatz müssten die Autos, die ihre Runden drehen, als Teil ihrer Nutzlast Treibmittel für die Raketentriebwerke mit sich führen. Dies wirkt sich auf die Nutzlastkapazität eines Autos aus, und irgendwo muss jemand für die Treibmittel und den Austausch von Motoren bezahlen, wenn diese ihre Betriebslebensdauer erreichen.
Nettoergebnis: die kinetische Orbitalenergie des Aufzugs Auto und Nutzlast sind NICHT kostenlos!
Ein letzter kostenbezogener Aspekt: die Kosten der Technologien zur Erzeugung elektrischer Energie, zur Verteilung an den Ort, an dem sie benötigt wird, und zur Umwandlung es in kinetische Energie, sind deutlich weniger als die Kosten von Raketentechnologien. Da Masse für Raketen ein so kritisches Thema ist, wird viel Geld für das Rasieren relativ kleiner Massenmengen von Bauteilen ausgegeben. Dies bedeutet, dass die Herstellung dieser Komponenten mit geringeren Konstruktionsspielräumen erfolgt als bei erdgestützten Systemen. Das Laufen mit kleineren Margen bedeutet präzisere Herstellungsmethoden (die im Allgemeinen teurer sind als weniger genaue Methoden), die Beachtung der Qualitätskontrolle mit der damit verbundenen Zunahme von Inspektionen, Dokumentationen usw. und die häufigere Ablehnung eines fertigen Teils oder Bauteils. All dies macht einen Joule Energie, der von einer Rakete geliefert wird, teurer als einen Joule, der von einem Elektromotor und dem Kraftwerk, das ihn speist, geliefert wird.
Das Nettoergebnis ist, dass sobald Sie einen Weltraumaufzug installiert haben (und, hoo Junge, das ist keine triviale Aufgabe !!), die Kosten für die Umlaufbahn pro Kilogramm für das Aufzugssystem sollte erheblich geringer sein als die Kosten für Raketen. Wenn Sie jedoch die Kabeldynamik und die Maßnahmen zur Steuerung berücksichtigen, stellen Sie fest, dass der Unterschied wahrscheinlich nicht ganz so groß ist, wie Sie zuerst gedacht haben.
Der Aspekt "Durcheinander mit der Erdrotation" ist sinnvoll Wenn Sie die Erde, den Aufzug, das Auto und die Nutzlast zusammen als isoliertes, sich drehendes System betrachten. All das zusammen hat einen gewissen Drehimpuls, der sich nur ändert, wenn eine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Die Größe des Drehimpulses ist das Produkt aus Rotationsrate (Winkelgeschwindigkeit) und Trägheitsmoment. (Tatsächlich ist der Drehimpuls ein Vektor, das Produkt eines Winkelgeschwindigkeitsvektors und einer Trägheitsmatrix, aber darauf müssen wir hier nicht eingehen!). Wenn Sie eine Masse von der Erdoberfläche zur GEO-Station laufen lassen, erhöhen Sie das Trägheitsmoment des Systems um einen relativ kleinen Bruchteil. Da der Drehimpuls konstant ist, muss die Winkelgeschwindigkeit um denselben winzigen Bruchteil abnehmen. Wenn das Auto wieder herunterfährt und davon ausgeht, dass es die gleiche Masse trägt wie auf dem Weg nach oben, kehrt die Rotationsrate der Erde zur Normalität zurück.
Hmm. Wenn ich an Schwankungen und Vibrationen dachte, dachte ich über ein anderes Thema nach, das ich vorher noch nicht in Betracht gezogen hatte: Wie würden sich Mondfluten auf einen Weltraumaufzug auswirken? Es gibt einfach nicht genug Stunden an einem Tag!