Frage:
Warum ist die Verwendung eines Weltraumaufzugs billiger als Raketenantrieb?
Xavier Aaron
2018-09-05 21:36:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Warum ist Raketenleistung so viel weniger effizient? In beiden Fällen möchten Sie ein bestimmtes Gewicht um eine bestimmte Höhe heben. Was bringt Ihnen das Klettern an einer Leine, das Sie mit Raketen nicht haben? Würde eine Rakete, die dem gleichen Weg wie der Aufzug folgt, nicht auch den zentrifugalen Vorteil haben? Ich verstehe es nicht.

Ich möchte darauf hinweisen, dass ein Weltraumaufzug immer noch ein Science-Fiction-Konzept ist. Ich bin mir nicht sicher, ob jemand wirklich sagen kann, dass ein Aufzug billiger wäre, da ich mich immer gefragt habe, wie die Kraft, die der Aufzug durch das Kabel ausübt, das Kabel nicht erst auf den Boden zieht. Geschweige denn die anderen gut geäußerten Gegenargumente wie Masse, Material, Festigkeit und Aufbau eines solchen Kabels.
@anon - Ja, genau das, was ich gedacht habe. Die Aufzüge sollten das Kabel jedoch wegen der Zentrifugalkraft des Asteroiden oder was auch immer sie als Gewicht am Ende des Kabels verwenden, nicht nach unten ziehen.
Kurze Frage: Wenn Sie versuchen, vom ersten in den zweiten Stock eines Gebäudes zu gelangen, steigen Sie die Treppe hinauf oder springen Sie die gesamte Strecke? Wenn Sie die Treppe hinaufsteigen, * warum * steigen Sie die Treppe hinauf? In beiden Fällen möchten Sie ein bestimmtes Gewicht - Ihr eigenes - auf eine bestimmte Höhe heben. Was bringt Ihnen das Treppensteigen, was das Springen nicht bedeutet?
Eine ideale Übertragung von 1.000 kg auf eine bestimmte Höhe würde X Kraft erfordern. Offensichtlich werden wir höher als X sein. Überlegen Sie also, wie viel zusätzliche Energie für jede Lösung benötigt wird - oder umgekehrt, wie viel verschwendet wird. Wie viel der Gesamtenergie einer Rakete wird in Wärme verschwendet? Wie viel Luftwiderstand? Wie viel Geschwindigkeit, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten? Wie viel zusätzliches Gewicht benötigt eine Rakete für ihren Auf- und Abstieg? Überlegen Sie nun, wie viel Energie für einen Aufzug verschwendet würde. Denken Sie auch daran, dass die Kosten für den Bau und die Wartung des Aufzugs nicht unerheblich sind.
Ich liebe die Frage und ich stelle diese https://space.stackexchange.com/questions/30489/, deren-propelling-device-would-be-the-efficiant-for-a-space-elevator plus eins für alle ist!
Ich denke, einige der unter https://what-if.xkcd.com/157/ beschriebenen Punkte wären mit Sicherheit von berechtigter Bedeutung.
Es ist noch schlimmer: Ein Weltraumaufzug kann tatsächlich Objekte "kostenlos" in die Umlaufbahn bringen. Wenn der Aufzug - wie bei Aufzügen - ausgeglichen ist, zahlen Sie die minimalen Kosten für die Überwindung der Reibung und die Energie, die zum Starten und Stoppen der Bewegung erforderlich ist. Mit reibungslosen Riemenscheiben und ausgeglichenen Lasten würde der Aufzug den Rest des Auf- und Abstiegs einfach ausrollen.
@anon Diese Probleme sind alle leicht zu lösen und wurden. Das einzige Problem ist, dass wir ein Kabel noch nicht stark und leicht genug machen können.
@anon: Besorgen Sie sich ein leeres Feld, einen Stein, ein Stück Seil und eine Ameise. Binden Sie das Seil an einem Ende an Ihre Hand und am anderen an den Stein. Drehen Sie sich auf dem Feld herum und spielen Sie das Seil aus, bis der Stein in der Luft schwebt und Sie "umkreist". Legen Sie nun die Ameise auf das Seil und beobachten Sie, wie sie auf den Felsen zugeht. Ihre Frage lautet: "Warum schießt die Ameise, die auf dem Seil läuft, nicht, dass der Stein auf mich zurückschießt?" Nun, warum denkst du sollte es?
@MonkeyZeus .. great xkcd "Was wäre wenn", aber die meisten der dort beschriebenen Probleme sind darauf zurückzuführen, dass die Stange am Mond befestigt ist. Das Konzept eines Weltraumaufzugs besteht darin, dass er vom Äquator zu einer Raumstation in einer geostationären Umlaufbahn fährt, also im Wesentlichen zu einem festen Punkt darüber.
@EricLippert Es gibt andere Kräfte, die Sie nicht berücksichtigen, wie die Tatsache, dass Ihr Körper in diesem System dem System kontinuierlich Energie hinzufügt und dass Ihr Körper keine Schwerkraft auf planetarischer Ebene ausübt. Außerdem ist die Erde nicht an einen Drehpunkt gebunden. Ihr Beispiel veranschaulicht zwar das Konzept, liefert jedoch kein genaues skalierbares Modell.
In dem Buch [Soonish] (https://www.amazon.com/Soonish-Emerging-Technologies-Improve-Everything-ebook/dp/B06XBQ443G/ref=sr_1_1?ie=) finden Sie ein ganzes Kapitel über Technologien, um Dinge in den Weltraum zu bringen UTF8 & qid = 1536414479 & sr = 8-1 & keywords = bald + zehn + aufkommende + Technologien) Es werden die Vor- und Nachteile jeder Methode erörtert.
"* Warum ist die Verwendung eines Weltraumaufzugs billiger als Raketenantrieb? *" Sicher habe ich ihn irgendwo in den 16 Antworten verpasst, aber Ihre Frage ignoriert ** die Kosten für den Bau des Weltraumaufzugs **.
@ChrisBecke Eigentlich ist das falsch, oder um genau zu sein: nur teilweise wahr. Ja, der Aufstieg aus der Schwerkraft gut, * das * Bit bekommst du "kostenlos". Sie haben aber auch das Problem, die ansteigende Ladung auf Umlaufgeschwindigkeit zu beschleunigen und die absteigende Ladung von der Umlaufgeschwindigkeit abzubremsen. Diese beiden wirken sich nicht entgegen, es sei denn, der Aufzug ist unendlich starr.
@anon Die Materialanforderungen sind so hoch, dass (wie mir gesagt wurde) bald ein Weltraumaufzug folgen wird, wenn sie eine Brücke mit einer Spannweite über die Meerenge von Gibraltar bauen können.
Siebzehn antworten:
#1
+108
called2voyage
2018-09-05 21:39:48 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mit einer Rakete müssen Sie den Kraftstoff mit sich führen. Sie treiben nicht nur die Masse der Nutzlast an, sondern auch die Masse des Kraftstoffs. Die Installation eines Weltraumaufzugs ist ein einmaliges Ereignis, mit dem Nutzlasten unbegrenzt angetrieben werden können. Sie müssen den Kraftstoff nicht mehr tragen, um in die Umlaufbahn zu gelangen.

Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht. Diese Konversation wurde [in den Chat verschoben] (https://chat.stackexchange.com/rooms/82796/discussion-on-answer-by-called2voyage-why-is-using-a-space-elevator-cheaper-than) .
Wäre ein Weltraumaufzug, bei dem der Motor des Autos nicht über das Kabel elektrisch angetrieben wird, sondern durch Kraftstoff (z. B. Sauerstoff + Wasserstoff) in einem Tank angetrieben wird, so schlecht wie eine Rakete?
@PaŭloEbermann Nein, wegen der Widerstands- und Schwerkraftverluste, wie in den Antworten von Hobbes und Evan erwähnt, aber es muss immer noch seinen Kraftstoff antreiben und würde somit die Masse der Nutzlast reduzieren, die es tragen könnte.
@PaŭloEbermann Tatsächlich wäre der O-H-Verbrennungsmotor besser, da der thermische Wirkungsgrad eines Raketentriebwerks nur ~ 10% beträgt, während der eines Verbrennungsmotors (sehr grob und von Motor zu Motor unterschiedlich) ~ 30% beträgt. Wirklich große Gasturbinen können fast 40% erreichen.
Eine Sache, die bei diesen Fragen immer außer Acht gelassen wird, sind Skaleneffekte. Kraftwerke sind viel effizienter als Motoren und können das Auto mit einem Weltraumaufzug viel billiger fahren.
@TomSpilker Kinetische Energie von SSME-Abgas im Vakuum: (4436 m / s) ^ 2/2 = 9839 kJ / kg. Bildungswärme von Wasser: 15866 kJ / kg. Das sind 62% Gesamteffizienz. [Beste Gasturbinen] (https://www.powerengineeringint.com/articles/2017/12/ge-announces-gas-turbine-efficiency-record.html) erreichen heute über 60%. [Turbopumpenbaugruppe von Ariane 6] (http://www.avio.com/en/ariane/ariane-5/ariane-5-turbopomp/) hat einen Wirkungsgrad von ~ 49% (das ist der Wirkungsgrad der Gasturbine mal der Wirkungsgrad der Pumpe), wenn Sie führen die Zahlen. Könnten Sie bitte Ihre Zahlen erklären?
@Christoph Kinetische Energie im Auspuff ist nutzlos. Es ist die kinetische Energie im * Fahrzeug *, die zählt. Ich zitierte Dr. Mark Cintala von der NASA Johnson, der während seiner Schulzeit einige Arbeiten zur Verbesserung von Raketentriebwerken durchgeführt hatte. Aber Ihre Frage hat mich dazu gebracht, ein Beispiel zu betrachten, das eine bessere Zahl als 10% ergibt. Ich habe mir den Saturn V S-IC angesehen. Verbrennungsenergie des RP-1: ~ 2,9E13 Joule. Kinetische Energie des Stapels beim Herunterfahren des S-IC: ~ 6,2E12 Joule. Nettoeffizienz: ~ 21%.
@Christoph Für die Turbinenwirkungsgrade zitierte ich Daniel Sullivan, einen Energieingenieur, der mir sagte (vor ein paar Jahrzehnten zugegeben!), Dass Ingenieurbüros Millionen von Dollar ausgeben, um die Turbinenwirkungsgrade von 39,6% auf 39,8% zu steigern. Dies waren jedoch Turbinen für große Kraftwerke, nicht für Turbopumpen mit Raketentriebwerk oder dergleichen.
Vermutlich ist der Vorteil dann, dass Sie anstelle des gesamten Kraftstoffs von der "Energie" profitieren, die in der Masse des Haltegurts selbst eingeschlossen ist. Das kam ursprünglich von den erstaunlichen Prozessen, die das Material auf der Erde bildeten. Obwohl mich das immer noch verwirrt, weil Sie nichts von dieser Energie in irgendetwas umwandeln, aber Sie bekommen Arbeit daraus. Teils. Art von? Meh.
@PaŭloEbermann: Auch dann ist der Aufzug besser. Zum Beispiel können Sie "eine Pause machen", solange Sie sich am Aufzug befestigen, damit Sie nicht herunterfallen. Ohne den Aufzug geht das nicht. Dies bedeutet, dass z.B. Eine vorübergehende Notabschaltung der Motoren ist nicht unbedingt ein Missionsfehler. Eine solche Abschaltung ist noch nicht erforderlich, da sie ohne Aufzug keine praktikable Option ist. Mit dem Aufzug wird dies zu einer Option und öffnet daher die Tür zur Nutzung der Option, wenn dies von Vorteil ist.
@Tom Spilker: Das ist nicht der Wirkungsgrad des Raketentriebwerks. Dazu gehört die Arbeit zum Anheben des verbrannten Kraftstoffs. Dies lässt sich vielleicht besser an einem Startbeschleunigungsprofil wie dem eines Saturn V erkennen: https://history.nasa.gov/afj/ap11fj/pics/a11-g-force.jpg Beim Abheben beschleunigt es sich bei knapp 1,2 g, weil es volle Kraftstofftanks anheben muss. Der Motorschub bleibt gleich, aber die Beschleunigung nimmt zu, wenn Kraftstoff verbrennt, bis nach etwa 130 Sekunden fast 4 g erreicht sind und der mittlere Motor abgestellt wird, um die Kraft g zu begrenzen.
@PaŭloEbermann nein, weil Sie den Kraftstoff nicht dorthin pumpen müssen, wo Sie ihn verwenden, können Sie ihn verbrennen, um auf der Erde Strom zu erzeugen und Motoren höher am Himmel anzutreiben.
@mathreadler Meine Frage betraf den Fall, dass wir keinen Strom verbrauchen, aber trotzdem den Kraftstoff nach oben ziehen.
@Paulo Warum sollten wir Kraftstoff nach oben ziehen? Es scheint wie eine Verschwendung.
Natürlich ist es das, aber meine Frage ist, wie viel von den Vorteilen des Weltraumaufzugs durch das "Ziehen Sie Ihren Kraftstoff nicht" und wie viel durch andere Vorteile (wie das Fehlen von Schwerkraftverlusten, Luftwiderstand, ...) gegeben ist.
@TomSpilker Ich verstehe Ihre Zahlen nicht. Können Sie einen Link angeben? Die Effizienz kann [bis zu 70%] erreichen (https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket#Energy_efficiency). Die 30-40% -Werte für Verbrennungsmotoren sind bedeutungslos, es sei denn, Sie berücksichtigen alle Dinge, die Sie für Raketen berücksichtigen. Zum Beispiel wäre das Gewicht des Sauerstoffs, den Sie tragen müssen, mehr als der Kraftstoff. Wie viele mpg würden Sie vertikal in Gang bringen? Wie viel wiegt das Fahrzeug? 20 Tonnen davon wären zu Beginn Gas und Sauerstoff und es würde leichter werden, wenn Sie es verbrennen.
#2
+64
Hobbes
2018-09-05 22:25:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zusätzlich zum Verzicht auf Treibstoff:

    Eine Rakete muss auf Umlaufgeschwindigkeit beschleunigen. Das kostet viel Energie. Ein Weltraumaufzug kann mit einer niedrigen, konstanten vertikalen Geschwindigkeit klettern (wenn auch für einen sehr langen Aufstieg) und erhält seine Umlaufgeschwindigkeit fast kostenlos aus der Erdrotation (siehe Tom Spilkers Antwort für weitaus mehr Details dazu).

  1. Da eine Rakete auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, geht ein Teil der Energie als Luftwiderstand verloren. Ein weiterer Teil der Energie geht als Schwerkraftverlust verloren.

  2. Ein Aufzug ist leicht wiederverwendbar. Vollständig wiederverwendbare Raketen existieren noch nicht.

  3. ol>
"erhält seine Umlaufgeschwindigkeit kostenlos" - d. h. durch die einmalige Installation des Weltraumaufzugs
Vielen Dank für das Hinzufügen dieser Punkte! Ich wollte mich auf den großen Vorteil konzentrieren, keinen Kraftstoff mitnehmen zu müssen, aber diese Punkte sollten nicht vernachlässigt werden.
"Vollständig wiederverwendbare Raketen gibt es noch nicht." Ja, aber Aufzüge auch nicht ...
@Hobbes ist nicht besser zu sagen, dass der größte Teil der Energie verwendet wird, um den noch nicht verbrannten Kraftstoff zu beschleunigen?
Das wird durch die Antwort von called2voyage abgedeckt. Ich werde nicht berechnen, welcher Anteil für diese Antwort wohin geht.
"bekommt seine Umlaufgeschwindigkeit kostenlos" - d. h. es wird der Rotationsenergie der Erde gestohlen.
Eigentlich ist es nicht einmal ein so langer Aufstieg - nur 254 Meilen bis zur ISS, eine einfache Tagesfahrt.
@BlackThorn Genau richtig! Das ist schließlich, woher es kommt. Der Weg ist jedoch nicht ganz direkt - es gibt einige Vermittler, die Probleme verursachen. Ich diskutiere dies in meiner Antwort auf diese Frage.
Beachten Sie, dass Nutzlasten, die in einem Weltraumaufzug angehoben werden, sich während eines Großteils der Reise nicht im Orbit befinden. Sie können definitiv abfallen. Wenn Sie bis zur Höhe der ISS fahren würden, wären Sie nicht im Orbit.
@user3067860 Das Problem ist, dass wenn Sie Ihre Aufzugskabine in einer Höhe von 254 Meilen anhalten und aussteigen, Ihre horizontale Geschwindigkeit nur ~ 480 m / s beträgt, * weit * unter der Umlaufgeschwindigkeit liegt und Sie wie ein Stein fallen. Um in eine kreisförmige Umlaufbahn zu gelangen, müssen Sie den gesamten Weg bis zur GEO-Höhe zurücklegen. Um beim ersten Periapsis-Pass nach dem Absteigen nicht wieder in die Erdatmosphäre zurückzukehren, müssen Sie sich über einer Höhe von ca. 15.540 km (Radius 22.070 km) befinden. Wenn das Kabel lang genug ist und Sie in einer Höhe von ~ 71.410 km aussteigen, befinden Sie sich auf einer Fluchtbahn der Erde!
@AJHenderson Natürlich nicht - das Gegengewicht befindet sich * nicht im Orbit *. Der einzige Punkt des Aufzugs, der sich "im Orbit" befindet, ist in GEO. Vergessen Sie nicht, dass der * gesamte * Aufzug geostationär ist - es sind keine Umlaufbahnen beteiligt.
Das Gegengewicht liegt über GSO.
@AJHenderson Nein, das Gegengewicht liegt * weit * über GSO. Wenn es in GSO wäre, würde der Aufzug fallen. Auf die gleiche Weise erzeugt das System zwar sicherlich keine Energie aus dem Nichts, aber es bewegt sie von der Rotationsenergie der Erde zur Orbitalenergie der Nutzlast - denken Sie nur daran, wie das Gleichgewicht aufrechterhalten wird. Das Kabel des Aufzugs wird durch die Bewegung der Nutzlast beschleunigt, aber durch die Erdrotation um den gleichen Betrag beschleunigt. Das Gegengewicht hält das Kabel gespannt.
Wenn das Aufzugskabel nicht radial ist, zieht die Spannung im Aufzugskabel das Gegengewicht in Richtung der radialen Position (und übt eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Bodenanker aus, wodurch die Rotationsenergie der Erde eingekerbt wird). Deshalb ist der Aufzug stabil und Sie müssen das Gewicht nicht erneut beschleunigen, obwohl ein Kletterer beim Klettern daran zieht.
Downvoted - Wenn der Weltraumaufzug Ihnen bereits eine Umlaufgeschwindigkeit gegeben hätte, würde dies bedeuten, dass selbst Raketen auf dem Boden diese bereits haben, was nicht stimmt. Ich meine, wussten Sie nicht, dass die ISS etwa alle 90 Minuten umkreist, während Sie einmal am Tag umkreisen? Die einzige Ausnahme ist die geosynchrone Umlaufbahn, die selbst für einen Science-Fiction-Weltraumaufzug zu weit ist.
Raketen am Boden haben die gleiche Geschwindigkeit wie die Erde, d. H. 300 m / s am Äquator, weit unterhalb der Umlaufgeschwindigkeit. Der Weltraumaufzug hat die gleiche Winkelgeschwindigkeit wie die Erde, aber einen viel größeren Radius, also eine höhere lineare Geschwindigkeit. GEO ist die einzige Umlaufbahn, in der ein Weltraumaufzug funktioniert.
@TomášZato Je höher Sie am Kabel sind, desto schneller ist Ihre "horizontale" Geschwindigkeit. An einem Punkt ist die Geschwindigkeit die gleiche wie die Umlaufgeschwindigkeit (für diese Höhe) und Sie können einfach "in die Umlaufbahn steigen", darüber hinaus wird es noch schneller. Sie können dann etwas Treibmittel ausgeben, um in eine niedrigere Umlaufbahn zu fallen. Ein ausreichend großer Aufzug (wenn möglich - der Mond könnte auf der Erde im Weg sein) würde direkte Starts im gesamten Sonnensystem ermöglichen, nur durch die Beschleunigung durch die Erdrotation. Die einzige Grenze liegt in den verwendeten Materialien und den damit verbundenen Kosten.
downvoted: "Da eine Rakete auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, geht ein Teil der Energie als Luftwiderstand verloren." Und weitere 50% + als Energie im Abgas, da es ein sehr hohes v-Quadrat hat. Letztendlich wird sehr wenig von der Energie des Kraftstoffs zur Energie der Nutzlast.
@Luaan Wenn Sie meinen Kommentar bis zum Ende gelesen haben, heißt es wörtlich "* Die einzige Ausnahme ist die geosynchrone Umlaufbahn *". Aber das ist das 5,6-fache des Erddurchmessers. Selbst für Sci-Fi zu verrückt. Und das ist nicht scifi.SE, das ist space.SE - also sollte der Vorschlag zumindest versuchen, realistisch zu sein.
@TomášZato An diesem Punkt sind Weltraumaufzüge Science-Fiction. Aber sie sind nicht so unrealistisch, dass sie unvorstellbar sind. Sie befinden sich im Zustand "Wir wissen ungefähr, welche Entdeckungen wir machen müssten, um eine bauen zu können".
#3
+58
Heopps
2018-09-05 23:34:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Hier ist ein einfacher Grund:

Der größte Teil des Raketentreibstoffs wird nur verwendet, um den Rest des Treibstoffs zu schieben!

Es klingt seltsam für diejenigen, die mit der Raketengleichung nicht vertraut sind. Die Realität ist, wenn wir beschleunigen wollen, indem wir etwas hinter uns erschöpfen - dann haben wir ein Problem, wenn die Geschwindigkeit, die wir erreichen müssen (8 km / s Umlaufgeschwindigkeit), größer ist als die Abgasgeschwindigkeit (3-5 km / s). In diesem Fall wächst die Menge des verwendeten Treibmittels exponentiell. Aus diesem Grund beträgt die Nutzlast einer Rakete nicht mehr als 3-5% der gesamten Raketenmasse und etwa 90% Treibstoff (+ Oxidationsmittel).

Chemische Raketen sind beim Fliegen in den Weltraum eher ineffizient. Aber sie sind das einzige Arbeitsmaterial, das wir jetzt haben.

Mit einem hypothetischen Orbitallift würden wir keinen Kraftstoff benötigen, um den restlichen Kraftstoff zu schieben.

Was ist, wenn die Umlaufgeschwindigkeit niedriger als die Abgasgeschwindigkeit ist?
Die Relativgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs und des Abgases ändert sich nicht, wenn das Raumfahrzeug eine höhere Geschwindigkeit hat, aber ich denke, der Punkt, den @Heopps gemacht hat, ist, dass aufgrund der Raketengleichung, wenn die Abgasgeschwindigkeit gleich der Umlaufgeschwindigkeit ist, der beste Kraftstoff-zu-Nutzlast-Fall ist Bruchteil ist bereits 1,7: 1. Wenn die Umlaufgeschwindigkeit 2x des Abgases beträgt (ungefähr LOX / LH2), beträgt sie 6,5: 1 und bei 3x (LOX / RP1) 19: 1. Wir würden Treibmittel ungefähr 3x schneller (1300 isp) als unsere besten Chemikalien benötigen, selbst um ein Verhältnis von 1: 1 zu erhalten.
@Caridorc für die Erde ist nicht der Fall, aber für Körper mit weniger Schwerkraft - ja, wir brauchen keinen so großen Massenanteil an Treibmittel. Die Aufstiegsstufe des Apollo-Mondmoduls hatte ein Verhältnis von Kraftstoff zu Restmasse von etwa 1: 1. OSIRIS-REx und Hayabusa-2 werden sehr wenig von ihrem Seil ausgeben, um ihre Ziele zu verlassen, bei denen es sich um Asteroiden handelt, deren Schwerkraft tausendmal geringer ist als die Schwerkraft der Erde.
#4
+37
Tom Spilker
2018-09-06 04:15:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

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!

Gute Beobachtungen, aber ich möchte auf einige Dinge hinweisen, die Sie nicht erwähnt haben. Ein in Betrieb befindlicher Aufzug würde wahrscheinlich zahlreiche Autos und Sensoren auf und ab haben, die es ihm ermöglichen würden, schnell auf Schwingungen mit hoch abgestimmten Steuerungssystemen zu reagieren. Die Autos würden ihr Gewicht herumwerfen, um unerwünschte Störungen zu neutralisieren. Um den richtigen Drehimpuls / die richtige Drehgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, senden Sie einfach ein Auto mit dem entsprechenden Gewicht wie das aufsteigende Auto nach unten. Es kann Shuttles, Gesteinsproben, Erz oder Müll enthalten. Ich bezweifle sehr, dass Sie Raketen auf dem Kabel benötigen würden, um seine Haltung zu bewahren.
Außerdem wären die Schwingungen überhaupt nicht wie Gitarrensaiten, da sich das Kabel verjüngen würde ... an der Basis viel viel dicker als am Ende. Das bedeutet, dass sich das Ende wie eine Peitsche verhält, die sich nach oben ausbreitende Störungen überträgt, aber sich nach unten ausbreitende Störungen schnell von selbst absterben, sodass keine Harmonischen am Kabel anhalten können.
@BlackThorn Whoa, Sie gehen die Analogie der Gitarrensaiten viel zu weit! Ich wollte nur darauf hinweisen, dass das Starten von Wanderwellen an einem bestimmten Punkt zu Interferenzmustern führen kann, wenn sich Reflexionen von den beiden Enden treffen. Aber hier ist ein sehr wichtiger Punkt: * Das Kabel ist an der Basis nicht am dicksten! * Es ist am GEO-Radius am dicksten, wo die Aufwärtskraft aufgrund des Kabels über diesem Punkt und die Gegengewichtsbalance (mit etwas Vorspannung hinzugefügt) nach unten Kraft aufgrund des hängenden Kabels unterhalb dieses Punktes. Von GEO wird es in * beide * Richtungen dünner.
Da das untere Ende im Wesentlichen in seiner Position fixiert ist, bietet es eine effektiv Reflexionsschnittstelle mit unendlicher Impedanz. Abwärts wandernde Wellen würden an Amplitude zunehmen, am Boden im Wesentlichen vollständig reflektiert werden (es sei denn, ein Dämpfungsmechanismus wirkt), die Amplitude verlieren, wenn sie aufsteigen, während sie später abwärts wandernde Wellen stören.
Formulierung: * Keine der beteiligten Hardware, die für eine bestimmte Nutzlast viel leichter ist als die erforderliche Raketenhardware, wird zu energiereichem Müll! * Ich denke, Sie weisen darauf hin, dass Raketen im Vergleich zur Nutzlast schwer sind. Also vielleicht "welche für eine bestimmte Nutzlast ist viel schwerer als die Nutzlast selbst"? Wie auch immer, ich glaube nicht, dass Ihr aktueller Satz Ihren Standpunkt klar macht, weil ich ihn entweder vermisse oder rückwärts.
@PeterCordes Vielen Dank, dass Sie auf diese Quelle der Verwirrung hingewiesen haben. Was ich damit gemeint habe ist, dass 1) die Masse der Hardware (am Boden), die zur Erzeugung der elektrischen Energie benötigt wird, die die Aufzugskabine in den GEO-Radius treibt, viel geringer ist als die Masse einer Rakete, die dieselbe Aufgabe erfüllen würde, und 2 ) Der bodengestützte Generator wird nach Abschluss der Aufgabe nicht zerstört. es kann ein anderes Auto und ein anderes und ein anderes antreiben ... Ich werde meine Antwort bearbeiten, um das zu verdeutlichen - nochmals danke! Natürlich ist ein bodengestütztes Kraftwerk viel schwerer als eine Rakete, aber der * Anteil * des Autos an dieser Leistung und Masse ist ziemlich gering.
Oh, ich habe vermisst, dass die erste "Hardware" "Aufzugshardware" war, nicht "Raketenhardware". Macht jetzt Sinn. Der allgemeine Punkt bezüglich des Energieverbrauchs für die Trägerrakete war meiner Meinung nach bereits klar. (Ich wusste das bereits, aber ich denke, es wäre klar gewesen, selbst wenn ich es nicht getan hätte. Die früheren Sätze haben es gut erklärt.) Ich habe möglicherweise leicht überflogen, weil ich bereits verstanden habe, wohin Sie in diesem Absatz insgesamt gingen. Ordentliche Antwort darauf, wie genau sich die horizontalen Kräfte auswirken.
Betreff: * Sie würden viel Strom brauchen *. Sie würden viel * Strom * benötigen, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Aber bei supraleitenden Spulen sollte die Menge an * Leistung * nur proportional zur tatsächlich geleisteten Arbeit sein, oder? Möglicherweise einige Verluste in der Elektronik, die den Strom über die Zeit modulieren, aber keine Widerstandsverluste, wenn nur der Strom fließt.
"Eine Überlastung des Kabels ist deutlich suboptimal." - Herrliches Maß an Untertreibung für eine absolut apokalyptische Zerstörung in der gesamten Äquatorregion des Planeten.
Vielen Dank für diese hervorragende Antwort, Tom! Ich habe mich lange gefragt, wie ein Weltraumaufzug das transversale Delta-V versorgen kann.
Während Sie möglicherweise eine Art Motor benötigen, um den Aufzug zu stabilisieren, warum muss es sich um einen herkömmlichen chemischen Raketentriebwerk mit all seinen Ineffizienzen handeln? Verwenden Sie einen Ionenantrieb oder einen ähnlichen Motor mit niedrigem Schub und hohem Wirkungsgrad, um die Position viel billiger zu halten als mit herkömmlichem Raketentreibstoff
@TomSpilker Könnten Sie den Aufzug einfach an einer großen schwimmenden Plattform im Ozean verankern? Sie könnten das Wasser verwenden, um die Vibrationen zu dämpfen und tatsächlich einige Motoren auf die Plattform zu kleben und eine aktive Steuerung zu verwenden, während Sie dabei sind.
#5
+22
Evan Steinbrenner
2018-09-05 22:36:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Letztendlich wird ein Aufzug effizienter, weil er nicht mit Schwerkraftverlusten umgehen muss.

Lassen Sie mich eine Frage an Sie stellen. Was braucht es, damit eine Rakete wie New Shepard von Blue Origin an Ort und Stelle schwebt?

Wenn Sie einen ihrer Starts gesehen haben, wissen Sie, dass sie den Motor nicht vollständig abstellen, sondern sie weiter laufen lassen Während des Schwebens und selbst wenn Sie noch keinen ihrer Starts gesehen haben, ist dies die intuitive Antwort. Wenn Sie den Motor vollständig abstellen, fallen Sie auf die Erde zurück. Dasselbe passiert während der gesamten Zeit, in der die Rakete in die Umlaufbahn aufsteigt, und wir nennen diese Energie Schwerkraftverluste .

Aufgrund von Schwerkraftverlusten kann eine Rakete nicht Nehmen Sie sich Tage oder Wochen Zeit, um in die Umlaufbahn zu gelangen, da Sie die ganze Zeit über viel zu viel Kraftstoff "schweben" würden. Aus diesem Grund sind Raketen groß und mächtig, da sie ziemlich schnell in die Umlaufbahn gelangen müssen. In Minuten, nicht Stunden oder Tagen. Dies bedeutet, dass sie Motoren verwenden müssen, die diese Eigenschaften erfüllen können. Kraftvoll und leicht. Bei der Geschwindigkeit, mit der Raketen Energie verbrauchen, ist dies nicht praktikabel.

Wir haben viel effizientere Raketentriebwerke, die viel mehr Delta- v produzieren (Geschwindigkeitsänderung) für die gleiche Kraftstoffmenge und könnte mit Strahlleistung arbeiten oder tatsächlich Sonnenenergie nutzen, aber die von ihnen erzeugte Schubmenge ist viel zu gering und sie haben oft sogar ein Schub-Gewichts-Verhältnis von weniger als 1 Nur für den Motor, was bedeutet, dass sie sich nicht einmal selbst zum Schweben bringen konnten, geschweige denn eine große Rakete heben konnten. Diese Triebwerkstypen werden von Satelliten im Orbit verwendet, um Stationen zu halten oder sich auf verschiedenen Umlaufbahnen zu bewegen.

Ein Weltraumaufzug, wenn wir einen bauen könnten, eröffnet viele Möglichkeiten, um das Gewicht des Kraftstoffs von der Nutzlast zu entfernen oder einfach nur langsam, aber effizienter vorzugehen. An einem Haltegurt können Sie einfach anhalten und dort hängen und keinen Strom verbrauchen. Ein einfacher Elektromotor, der Sie an Kabel und Sonnenkollektoren hochzieht, oder ein Strahlstrom würde funktionieren. Sie benötigen nicht einmal Solar- oder Strahlstrom, um genügend konstanten Strom für den Aufstieg bereitzustellen, da Sie einige Batterien einschließen können, damit Sie eine Weile aufladen, ein wenig klettern können, während Sie die Batterien entladen, und dann anhalten, um sie wieder aufzuladen. Selbst wenn Sie einen Motor am Crawler mit einigen Benzintanks hätten, um den Kletterer anzutreiben, würde ich immer noch erwarten, dass er effizienter ist als eine Rakete.

Beamed Power: Thema eines [TED-Vortrags] (https://en.wikipedia.org/wiki/TED_ (Konferenz)) - * [Ein besserer Weg, um ins All zu gelangen: Dr. Michael Kelzenberg] (https: // www .youtube.com / watch? v = q3jAdHBCgiU) *.
Würde eine Form des Schwerkraftverlustes nicht auch für einen Aufzug gelten? möglicherweise sogar eine viel größere Nettosumme? Sie müssen eine Kraft bereitstellen, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, sei es für die Minuten eines Raketenstarts oder für die Tage eines Aufzugs.
Es ist ein bisschen wie der Unterschied zwischen dem Springen auf ein hohes Gebäude und dem Treppensteigen. Der Sprung * muss * schnell und mit einem großen Impuls gemacht werden, aber Sie können anhalten und eine Pause machen, wo immer Sie wollen, auf der Treppe.
@brichins Ich habe die vollständige Analyse nicht durchgeführt, aber ich denke, Sie haben Recht. Ja, ein Auto könnte einen ratschenartigen Mechanismus aktivieren und sich selbst ohne Energieverbrauch abstützen. Aber wenn es versucht, sich zu bewegen, muss für jeden Motor und Antriebsstrang ein bestimmtes Mindestdrehmoment bereitgestellt werden, um dem Gewicht des Autos entgegenzuwirken. sonst dreht das Auto den Motor rückwärts! Um das Auto nach oben zu bewegen, müssen Sie mehr Drehmoment liefern. Der Stromverbrauch steigt mit dem erzeugten Drehmoment, so dass der "Gewichtsaufwand" den Stromverbrauch erhöht. Klingt für mich nach einer Form von Schwerkraftverlust!
@TomSpilker theoretisch würde ein perfekt effizienter Motor keine Energie benötigen, um dieses Drehmoment bereitzustellen. Energie würde nur zum Klettern verwendet, nicht um still zu bleiben.
@immibis Es hängt davon ab, welche Theorie Sie anwenden. "Keine Energie raus -> keine Energie rein" gilt für feste Objekte wie Ziegel oder I-Träger. Bei einem idealen theoretischen Elektromotor, ob Wechselstrom oder Gleichstrom, erzeugt er jedoch kein Drehmoment, wenn Sie * keinen * Strom durch ihn laufen lassen. Wenn Sie dann ein externes Drehmoment anwenden, dreht sich der Wechselstrommotor frei und ein Gleichstrommotor mit einem Bürstenkommutator wird zum Generator. Wenn der vom Gleichstrommotor gedrehte Generator nicht belastet wird, dreht er sich ebenfalls frei. Wenn einer von beiden an den Antriebsstrang des Autos angeschlossen ist, der ein Drehmoment aufbringt, drehen sich die Motoren rückwärts und das Auto rutscht zurück nach unten.
@TomSpilker Sie können feststellen, dass ein 100% effizienter Motor aus Supraleiter besteht und kurzgeschlossen wird, wenn er sich nicht bewegen soll.
@immibis Stimmt, aber wenn Sie versuchen, den Motor mit Strom zu versorgen, um das Auto nach oben zu fahren, können Sie die Wicklungen nicht kurzschließen. * Jedoch * ... wenn Sie ein anderes Auto bergab fahren, während eines bergauf fährt, können Sie den von der Abfahrt erzeugten Strom verwenden, um den größten Teil der Energie zu liefern, die bergauf benötigt wird. Diese Abfahrt wird eine Menge Energie verbrauchen müssen, und diese Übertragung ist ein guter Weg, dies zu tun.
@TomSpilker immer noch, was auch immer "Schwerkraftverluste" sind, sind nur auf Ineffizienz im Antriebssystem zurückzuführen, und eine gute Technik kann dies reduzieren (obwohl es natürlich nie vollständig beseitigt wird). Mit einer Rakete ist es unvermeidlich.
@TomSpilker Ich mag die Idee, die Leistung im absteigenden Auto wieder aufzuladen, eine Menge potenzieller Energie, die erfasst werden kann. Aber es könnte besser sein, es im Auto aufzubewahren, als es auf das aufsteigende Auto zu übertragen. Das direkte Verbinden von gegnerischen Autos würde ein riesiges Verbindungskabel erfordern, mit einem enormen Strombedarf, um es zu bewegen. Möglicherweise sind jedoch einige Batterieknoten entlang des Aufzugs angeordnet, die beim Antrieb aufsteigender Autos helfen und durch absteigende aufgeladen werden.
@brichins Ich mag die Idee von Batterieknoten am Kabel. Auf diese Weise muss die elektrische Weglänge zwischen Quelle und Motor nicht Zehntausende von Kilometern betragen. Es kann * viel * kürzer sein, wodurch erhebliche Übertragungsverluste vermieden werden. Wir müssen analysieren, inwieweit sich das Hinzufügen der Masse an elektrischen Kabeln, Batterien usw. auf die erforderliche Querschnittsfläche des Kabels auswirkt. Im Wesentlichen verringert es das effektive Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Aber (aus der Hüfte schießend!) Ich denke nicht, dass das ein Show-Stopper ist.
#6
+7
SafeFastExpressive
2018-09-06 01:14:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wie @Evan Steinbrenner in seiner Antwort betont, benötigt ein angehaltener Weltraumaufzug keine Energie, um der Schwerkraft zu widerstehen. Eine schwebende Rakete muss eine enorme Menge an Energie verbrennen, um der Schwerkraft zu widerstehen. Der Kletterer benötigt nur genug Energie, um das Kabel nach oben zu bewegen, im Wesentlichen etwas mehr als 1 g Beschleunigung, und kann dies nach Belieben bereitstellen.

Eine Rakete muss genug Energie verbrauchen, um nicht nur dem Zug von 1 g entgegenzuwirken, sondern auch genug, um auf eine Umlaufgeschwindigkeit von mindestens 7.400 Metern pro Sekunde zu beschleunigen. 7.400 Meter pro Sekunde sind eine enorm hohe Geschwindigkeit, alles andere und eine Rakete wird nicht in die Umlaufbahn gehen. Um 7.400 Meter pro Sekunde zu erreichen, muss ein Großteil Ihrer Kraftstoffmasse ebenfalls auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die brutale Tyrannei der Raketengleichung bedeutet, dass der größte Teil des Treibstoffs benötigt wird, um den Treibstoff zu beschleunigen, der zur Beschleunigung der Nutzlast benötigt wird.

Schließlich gibt es mehrere Möglichkeiten, den Kletterer anzutreiben, ohne dass er ihn tragen muss eigener Kraftstoff. Wenn das Kabel nicht aufgeladen werden kann, ist auch Strahlung eine Sache. Ein Kletterer kann durch Mikrowellenstrahlung vom Boden oder durch Sonnenenergie angetrieben werden. Selbst wenn es seinen eigenen Kraftstoff und sein eigenes Kraftwerk verwendet, muss es diesen Kraftstoff und Motor nicht auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen, um ihn von der "Tyrannei der Raketengleichung" zu befreien.

Der aktuelle Falcon 9 v5 hat ein Startgewicht von 549.000 kg, um eine Nutzlast von 22.000 kg in die erdnahe Umlaufbahn zu bringen, und das Kraftstoffgewicht beträgt ungefähr 400.000 kg. Der sehr frühe 1C Merlin, der auf dem Falcon 1 verwendet wurde, erzeugte nur 40.000 kg Schub und verbrauchte dafür 140 kg Kraftstoff pro Sekunde.

Stellen wir uns vor, wir könnten einen 100 km hohen Betankungsturm bauen, an dessen Oberseite ein 100 km langer Schlauch hängt (an einem Auto-Retraktor, der das gesamte Gewicht des Schlauchs trägt). Jetzt benötigt Ihre Nutzlast von 22.000 kg nur noch einen einzigen archaischen Merlin 1c, um mit einer Beschleunigung von fast 2 G zu starten. Es wird die Fluchtgeschwindigkeit in ungefähr 7 ½ Minuten erreichen und nur 62.000 kg Kraftstoff verbrauchen. Wenn Sie keinen eigenen Kraftstoff mit sich führen müssen, wird der Energiebedarf um 85% reduziert!

Stellen Sie sich nun vor, Sie müssen die Nutzlast nicht auf 7.400 m / s beschleunigen. Wie viel weniger Energie wird es Ihrer Meinung nach erfordern, um es auf die Spitze Ihres 100 km langen Turms zu heben?

"Es muss diesen Kraftstoff und den Motor nicht auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen", nein, es muss nur auf hohe Gravitationspotentiale angehoben werden. In diesem Fall immer noch der "Tyrannei" unterworfen: Der Kletterer müsste Kraftstoff tragen, um den Kraftstoff anzuheben, um den Kraftstoff anzuheben.
@PhilFrost Ich gehe davon aus, dass Sie es auf dem höheren Gravitationspotential halten möchten. Ohne diese hohe Geschwindigkeit kommt alles gleich wieder runter.
Rufen Sie auch @TomSpiker, an, seine Antwort ist aufschlussreicher (und verdammt viel detaillierter) als meine. Er sollte bevorzugte Antwort sein.
Ich denke, Sie haben meinen Standpunkt verfehlt. Sie schreiben, wenn der Kletterer sein eigenes Treibstoff- und Kraftwerk verwendet, ist es von der Tyrannei der Raketengleichung befreit. Ich sehe nicht ein, wie das wahr sein kann - ob Sie heben oder beschleunigen oder beides, dies erfordert einen exponentiell höheren Energieeinsatz, wenn der Kraftstoff für den Rest der Fahrt ebenfalls beschleunigt / angehoben werden muss.
@PhilFrost Ok, ich habe deinen Standpunkt verpasst. Sicherlich gibt es immer noch eine Tyrannei, weil mehr Kraftstoff benötigt wird, um den benötigten Kraftstoff zu heben. Aber immer noch weit weniger als die Tyrannei, die gezwungen ist, den Großteil des Treibstoffs auf mehrere Machzahlen zu beschleunigen.
#7
+5
DrMcCleod
2018-09-06 15:41:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Um die obigen Antworten zu ergänzen, können Sie auch Energie abrufen, indem Sie Nutzlasten zurück in den Aufzug schicken.

Erwähnenswert ist auch, dass dies eine Voraussetzung ist. IIRC, wenn Sie nur Dinge in den Aufzug schicken, verliert es an Schwung und wird instabil. Sie werden also wahrscheinlich die Dinge, die nach oben gehen, mit denen, die nach unten gehen, in Einklang bringen wollen.
#8
+4
Pritt Balagopal
2018-09-08 19:01:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

In vielen Antworten wird erwähnt, dass Raketen das Gewicht des Treibstoffs zusammen mit der üblichen Nutzlast tragen müssen und dass zum Anheben mehr Energie erforderlich ist. Dies ist richtig, aber es gibt noch eine weitere wichtige Sache zu beachten: Raketentriebwerke sind thermodynamische Triebwerke und sind durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in ihrem Wirkungsgrad begrenzt. Selbst die idealste Wärmekraftmaschine kann einen Wirkungsgrad von nicht überschreiten:

$$ \ eta = 1 - \ frac {T_2} {T_1} $$

wobei $ T_2 $ die Temperatur ist der Brennkammer innerhalb der Rakete (hoch) und $ T_1 $ ist die atmosphärische Temperatur (niedrig). Der Motor einer tatsächlichen Rakete ist aufgrund nicht idealer Bedingungen und mehrerer anderer Verluste weitaus weniger effizient als dieser theoretische Wert.

Im Gegensatz dazu würde ein Weltraumaufzug elektromagnetisch angetrieben. Eine Technologie ähnlich wie bei Railguns oder Linearmotoren würde verwendet, um Objekte entlang des Aufzugs zu beschleunigen. Hier gibt es keine Wärme-zu-Arbeit-Umwandlungen (und daher keine Notwendigkeit, die Entropie zu bekämpfen), solche Systeme sind hocheffizient.

Ein weiterer sehr interessanter Vorteil elektromagnetischer Systeme ist: Energie kann an die zurückgeführt werden Quelle bei Verzögerung. Angenommen, bei Annäherung an die erforderliche Höhe würde eine herkömmliche Rakete Kraftstoff verbrennen und in die entgegengesetzte Richtung (vorwärts) ausstoßen, um die Rakete abzubremsen, wodurch Kraftstoff und Energie weiter verschwendet werden. Ein Weltraumaufzug kann regeneratives dynamisches Bremsen verwenden, um die Energiekinetik der Last an die Stromquelle zurückzugeben.

Aber dann müssen Weltraumaufzüge, obwohl sie elektrisch angetrieben werden, ihre elektrische Energie immer noch von irgendwoher beziehen, dessen Quelle fast immer ein thermodynamischer Motor ist.
Sie haben Recht mit @AnthonyX, aber die Energiegewinnung aus einer thermischen Anlage ist effizienter als die Herstellung eines Motors selbst. Darüber hinaus sind Wärmekraftwerke auf maximale Effizienz ausgelegt, während Raketen auf verschiedene andere Parameter ausgelegt sind, wie z. B. Zuverlässigkeit, Fluchtgeschwindigkeit und Effizienz, die eine geringere Anforderung darstellen.
#9
+3
Phil Frost
2018-09-07 21:14:48 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sehen wir uns die kinetische und gravitative potentielle Energie eines Satelliten an, der auf der Startrampe sitzt, im Vergleich zur geostationären Umlaufbahn. Es sollte intuitiv offensichtlich sein, dass es mehr Energie im Orbit hat. Wenn wir also die gesamte Energieänderung berechnen können, können wir unabhängig von der verwendeten Methode eine absolute Grenze für die Energie festlegen, die erforderlich ist, um in den Orbit zu gelangen.

Dann können wir untersuchen, wie wir diese Energie mit einem Weltraumaufzug im Vergleich zu einer Rakete versorgen können.

Mindestenergiebedarf

Die gesamte relevante Energie des Satelliten $ E $ ist die Summe seiner kinetischen Energie $ K $ und der potentiellen Gravitationsenergie $ U $.

$$ E = K + U $$

Die kinetische Energie sollte bekannt sein:

$$ K = {1 \ über 2} m_s v_s ^ 2 \ tag 1 $$

Die potentielle Gravitationsenergie ist negativ, da Energie benötigt wird, um weiter von der Erde entfernt zu sein.

$$ U = - {\ mu m_s \ over r} \ tag 2 $$

Wobei:

  • $ m_s $ die Masse des Satelliten ist li>
  • $ v_s $ ist die Geschwindigkeit des Satelliten
  • $ \ mu $ ist der Standard-Gravitationsparameter: $ 3.986 \ times 10 ^ {14} \: \ mathrm {m ^ 3 \ cdot s ^ {- 2}} $ für die Erde
  • $ r $ ist das Entfernung vom Erdmittelpunkt

Der Satellit sitzt auf der Startrampe am Äquator und hat eine Geschwindigkeit von 463,2 m / s von der Erdrotation. In der geostationären Umlaufbahn beträgt diese Geschwindigkeit 3070 km / s. Aus Gleichung 1 ergibt sich also die erforderliche Änderung der kinetischen Energie:

$$ \ Delta E = {1 \ über 2} m_s \: 3070 ^ 2 - {1 \ über 2} m_s \: 463,2 ^ 2 = (4.605 \ mal 10 ^ 6) \: m_s $$

Nun potentielle Gravitationsenergie. Der Radius der Erde beträgt 6.371 km und die geostationäre Umlaufbahn 35.786 km. Unter Verwendung von Gleichung 2 beträgt die Änderung des Gravitationspotentials:

$$ \ Delta U = - {(3,986 \ mal 10 ^ {14}) \: m_s \ über 35786000} + {(3,986 \ mal 10) ^ {14}) \: m_s \ over 6371000} = (5.14 \ times 10 ^ 7) \: m_s $$

Für jedes Kilogramm, das wir von der Startrampe am Äquator zur geostationären Umlaufbahn bewegen möchten, müssen wir uns also eine kinetische Energie von etwa 4,6 Megajoule und eine Gravitationsenergie von 51,4 Megajoule einfallen lassen.

Rakete

Um in die geostationäre Umlaufbahn zu gelangen, könnten wir einen Hohmann-Transfer verwenden.

Zuerst wird die Rakete am Horizont nach Osten gerichtet, und die Triebwerke beschleunigen die Rakete sofort. Dadurch wird die Rakete auf eine elliptische Flugbahn mit einem Apogäum geschickt, der die geostationäre Zielbahn schneidet.

Das Zeigen nach Osten und nicht gerade nach oben ist am effizientesten, da sich die Rakete aufgrund der Erdrotation bereits in diese Richtung bewegt. Wir werden uns ein andermal Sorgen um Abstürze und Luftwiderstand machen.

Am Apogäum ist das Gravitationspotential korrekt, aber die Rakete bewegt sich zu langsam. Ein zweiter Brand beschleunigt die Rakete wieder auf die Zielgeschwindigkeit und ändert die elliptische Umlaufbahn in eine kreisförmige, und wir sind fertig.

Ich habe die erforderliche Geschwindigkeitsänderung berechnet ( $ \ Delta v $) für die erste Verbrennung 9838 m / s und für die zweite Verbrennung 1503 m / s. Das sind insgesamt $ \ Delta v $ von 11.340 m / s.

Nun das Problem: Raketen benötigen Reaktionsmasse. Um zur zweiten Verbrennung zu gelangen, müssen wir nicht nur den Satelliten starten, sondern auch genügend Reaktionsmasse (Kraftstoff), um die zweite Verbrennung durchzuführen. Dies bedeutet, dass die erste Verbrennung viel mehr Treibstoff erfordert, da nicht nur der Satellit, sondern auch der gesamte Treibstoff für die zweite Verbrennung gestartet wird.

Dies führt zur Tsiolkovsky-Raketengleichung:

$$ \ Delta v = v_e \ ln {m_0 \ über m_f} \ tag 3 $$

wobei:

  • $ \ Delta v $ ist die Gesamtgeschwindigkeitsänderung, die das Fahrzeug erzeugen kann.
  • $ m_0 $ ist die Anfangsmasse des gesamten Fahrzeugs, einschließlich Nutzlast und Kraftstoff.
  • $ m_f $ ist die Endmasse nach dem Verbrennen Der gesamte Kraftstoff (Nutzlast + Müll, aber offensichtlich versuchen wir, den Müll zu minimieren).
  • $ v_e $ ist die effektive Abgasgeschwindigkeit. Es ist durch das Raketendesign begrenzt.

Von Raketen, die genug Schub erzeugen können, um die Schwerkraft zu überwinden, erreicht der aktuelle Stand der Technik ein $ v_e $ in der Größenordnung von 4400 m / s. Wenn wir also mit unserem Minimum von $ \ Delta v $ von 11.340 m / s rückwärts arbeiten, können wir herausfinden, wie viele Kilogramm Treibstoff erforderlich sind, um ein Kilogramm Satelliten mit moderner Raketentechnologie in die geostationäre Umlaufbahn zu bringen:

$$ 11340 = 4400 \ ln {m_0 \ über m_f} $$

$$ {m_0 \ über m_f} = e ^ {11340/4400} = 13,16 $$

Bedeutung, absolut Im besten Fall sind für den Start eines 1 kg schweren Satelliten in die geostationäre Umlaufbahn 12,16 kg Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich. Nicht schlecht!

Dies setzt natürlich voraus, dass alles, was nicht Nutzlast ist, Kraftstoff ist. Aufgrund dieses Logarithmus in Gleichung 3 stellt sich heraus, dass Versehen sehr wichtig ist . Wir müssen die Masse der Motoren, der Panzer, der Staging-Hardware usw. einbeziehen. Obwohl all dieser "Müll" keine Nutzlast ist, müssen wir ihn trotzdem beschleunigen.

Wir haben auch den Luftwiderstand oder den Schwerkraftwiderstand nicht berücksichtigt. In der Praxis werden ungefähr 13600 m / s $ \ Delta v $ benötigt, nicht die im besten Fall berechneten 11340 m / s. Wiederum macht die Raketengleichung diese Angelegenheit sehr , da der Kraftstoffbedarf exponentiell steigt.

Für ein reales Beispiel kann der Falcon 9 maximal starten 8300 kg Nutzlast in die geostationäre Transferbahn. Das gesamte Fahrzeug wiegt beim Abheben 549.054 kg, davon 507.500. Das sind 61 kg Kraftstoff pro kg Nutzlast. Und dies erreicht gerade die geostationäre Transferbahn - die Nutzlast muss ihren eigenen Antrieb für die endgültige Verbrennung verwenden, etwa 1500 m / s Delta-v, um die Umlaufbahn zu zirkulieren.

Weltraumaufzug

Der große Gewinn mit dem Weltraumaufzug ist, dass Sie den Kraftstoff nicht mitnehmen müssen. Sie fahren einfach mit dem Aufzug bis zur geostationären Höhe und lassen los.

Sie müssen keinen Kraftstoff mitbringen, da Sie Energie elektrisch über den Aufzug senden können.

Sie müssen nicht sehr schnell gehen. Dies bedeutet, dass der Luftwiderstand kein Problem darstellt. Dies vereinfacht auch die Konstruktion des Fahrzeugs, da es keinen starken aerodynamischen Kräften standhalten muss. Dies bedeutet auch, dass Sie keine Antriebsmethoden benötigen, die einen enormen Schub erzeugen können, was die Möglichkeit effizienterer Antriebsmethoden eröffnet.

Betrachten wir die Effizienz verschiedener Komponenten im System:

Mit moderner Technologie wäre ein Gesamtwirkungsgrad von 50% einfach .

Wir haben oben berechnet Für die geostationäre Umlaufbahn in der potentiellen Gravitationsenergie werden 51,4 MJ pro kg Nutzlast benötigt. Nach Ineffizienz betrachten wir etwas in der Größenordnung von 100 MJ pro kg Nutzlast.

Die kinetische Energie kann dem Kabel, der rotierenden Erde oder dem Gegengewicht entnommen werden. Es ist komplex, den Aufzug stabil zu halten, und die Antwort von Tom Spilker behandelt ihn ausführlich. Es erfordert zwar noch einen gewissen Energieeinsatz, ist jedoch um eine Größenordnung geringer als die Energie zum Anheben der Nutzlast, sodass wir dies als "technische Herausforderung" von Hand wegwinken können.

Mit diesen Zahlen sind es die gleichen 8300 Die kg Nutzlast des Falcon 9, die jedoch mit einem Weltraumaufzug gestartet wurde, würde 830 GJ Energie erfordern. Das ist ungefähr ein Viertel Tank in einem Airbus A330.

#10
+3
Loren Pechtel
2018-09-06 09:27:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ein weiterer Faktor, der übersehen wird:

Raketen sind extrem energiereiche Maschinen. Es müssen viele Kompromisse eingegangen werden, um die Energiedichte zu erhalten, die erforderlich ist, damit eine Rakete überhaupt die Umlaufbahn erreicht. Diese Kompromisse gehen im Allgemeinen zu Lasten der Effizienz. (Auf den ersten Blick - LH2 / LOX-Raketen lassen ihre Motoren ziemlich fett laufen, weil sie tatsächlich mehr Schub erhalten, wenn sie viel unverbrannten Kraftstoff im Abgas haben. Dies liegt daran, dass der Schub von der Abgasgeschwindigkeit kommt, nicht von der Energie und nicht von unverbranntem H2 viel leichter als der H2O-Auspuff und bewegt sich daher bei gleichem Energieniveau schneller.)

Es gibt auch das Sicherheitsproblem. Raketen sind wiederum sehr energiereiche Geräte. Es gibt einfach nicht die Masse für wirklich gute Sicherheitssysteme. Selbst die besten Vögel boomen manchmal, bei bemannten Starts versuchen wir, die Besatzung vom Boom wegzuziehen, aber das ist nicht immer möglich. Wann haben Sie das letzte Mal von einem Aufzug gehört? Das Schlimmste, was passiert, ist, dass sie stecken bleiben - und das sind Kopfschmerzen, kein Vorfall, bei dem die Besatzung verloren geht.

#11
+2
PStag
2018-09-06 01:21:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zusätzlich zu anderen Antworten.

Der Raketentreibstoff ist sehr heiß, wenn er die Rakete verlässt. Dies ist ein Energieverlust, der das System beim Schieben weniger effektiv macht.

Die Rakete komprimiert In der Luft ist es so, als würde man in Gelee springen. Ein Großteil der Energie fließt in die Bewegung des Gelees.

Es ist sicherer und erfordert weniger Kontrollen und Wetterbedenken.

Es kann billigeren Kraftstoff verwenden, wie z als Kohle und Atom anstelle teurer Raketentreibstoffe.

Kohle? Zu dem Zeitpunkt, an dem wir einen Weltraumaufzug bauen (wenn wir dies tun), haben wir wahrscheinlich bereits [Peak Coal] (https://en.wikipedia.org/wiki/Peak_coal#Hubbert's_theory) passiert und dies möglicherweise nicht Sei so billig wie du erwartest. Natürlich ist Kohle aus anderen Gründen unerwünscht, aber Sie haben nur erwähnt, dass sie billig ist.
Obwohl der Raketentreibstoff sehr heiß ist, ist er weit davon entfernt, seine Brenntemperatur zu erreichen (z. B. 3000 K um das Verbrennen von $ H_2 $). Dies liegt daran, dass es sich ausdehnt und der Antrieb so abgestimmt ist, dass er den größtmöglichen Teil seiner Wärmeenergie als kinetische Energie liefert. Ein ähnlicher Verlust aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik besteht auch bei allen nuklearen chemischen Energiequellen.
#12
+1
Anthony X
2018-09-08 20:24:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Da es beim Erreichen der Umlaufbahn (einschließlich der geostationären Umlaufbahn, die wir normalerweise als Ausgangspunkt eines Weltraumaufzugs betrachten) darum geht, eine Zielgeschwindigkeit zu erreichen, konzentriert sich das Folgende eher auf die Geschwindigkeit als auf die mögliche Energieänderung.

Betrachten Sie eine Rakete in den ersten Augenblicken des Starts. Nehmen wir an, die Masse des Fahrzeugs beim Abheben beträgt 1.000.000 kg und die Motoren haben eine ungefähr vergleichbare Leistung wie der Saturn V F-1, sodass die Abgasgeschwindigkeit etwa 2,5 km / s (2.500 m / s) beträgt.

Um die Arithmetik einfach zu halten, betrachten wir die kurze Zeitspanne vom Abheben bis zum Erreichen einer Vertikalgeschwindigkeit von 2,5 m / s und ignorieren die Schwerkraftverluste.

Um diese Impulsänderung zu erreichen, müssten etwa 1.000 kg Treibmittel ausgestoßen worden sein (Impuls = Masse x Geschwindigkeit).

Energie ist jedoch die halbe Masse mal das Quadrat der Geschwindigkeitsänderung. Die kinetische Energie dieser 1.000 kg verbrauchten Treibmittels beträgt also etwa das 1000-fache der vom Fahrzeug aufgenommenen kinetischen Energie, und das ignoriert die Schwerkraftverluste.

Wenn wir sagen, dass diese anfängliche Geschwindigkeitsänderung von 2,5 m / s in einer Sekunde stattgefunden hat, haben wir eine anfängliche Startbeschleunigung von etwa 0,25 G (Apollo Saturn war ungefähr 0,16). dann liefert dieses Treibmittel mit 1.000 kg / s nur 1/5 des tatsächlich benötigten Schubes (0,25 G tatsächliche Beschleunigung + 1 G gegen die Schwerkraft), sodass wir wirklich 5.000 kg / s benötigen - was uns zu 5.000-mal so viel Energie im Treibmittel bringt wie Wir haben die kinetische Energie des Fahrzeugs eingesetzt. In dieser ersten Sekunde haben wir diese 1.000.000 kg Rakete etwa 3 m hoch gehoben, also haben wir auch eine kleine Menge potenzieller Energie hinzugefügt.

Dies entspricht ungefähr 34,4 Millionen Joule kombinierter kinetischer und potentieller Energie, die dem Fahrzeug für ungefähr 31,25 Milliarden Joule Energie in ausgestoßenem Treibmittel verliehen werden - immer noch ungefähr 1000-fache Differenz. Natürlich wird die Rakete nach dieser ersten Sekunde 5.000 kg leichter sein, so dass sie etwas schneller beschleunigt und somit mehr kinetische und potentielle Energie für denselben Impuls erhält. Mit fortschreitendem Flug wird sich der Trend fortsetzen und die Energieeffizienz verbessern, aber es geht nur so weit.

Bei einem Weltraumaufzug könnte die im Antriebssystem verbrauchte Energie viel enger an das Potential und die kinetische Energie des Fahrzeugs angepasst werden.

Der Punkt ist, dass die Energie in verbraucht wird Das Treibmittel ist immer größer als die von der Rakete aufgenommene Energie, und in den frühen Startphasen ist es besonders schrecklich, obwohl Raketentriebwerke bemerkenswert effizient chemische Energie in kinetische Energie des Abgases umwandeln. Die Ineffizienz ergibt sich aus der Beziehung zwischen Energie und Impuls für das Fahrzeug und sein erschöpftes Treibmittel.

Ein hoher ISP (hohe Abgasgeschwindigkeit) wird in der Raketentechnik im Allgemeinen als eine gute Sache angesehen, da dies bedeutet, dass Sie weniger Treibmittelmasse tragen müssen, um ein bestimmtes Delta-V zu erreichen, aber dies hat einen Preis in Bezug auf die Energiekosten benötigt. Anders ausgedrückt, eine sehr kraftstoffsparende Rakete ist tatsächlich etwas energieeffizient, insbesondere im Vergleich zu einem Elektromotor. Hier können Weltraumaufzüge energieeffizienter sein.

Bei der letzten Frage zur Flugbahn ... dreht sich bei der Umlaufbahn alles um Geschwindigkeit. Angesichts der Tatsache, dass Sie durch die Schwerkraft ständig zu Boden gezogen werden, ist es am effizientesten, eine Rakete schnell in die Umlaufbahn zu bringen. Je weniger Zeit Sie im Kampf gegen die Schwerkraft verbringen, desto weniger Energie (Treibstoffmasse) benötigen Sie dafür. Wenn Sie also geostationär werden möchten, beschleunigen Sie so schnell wie möglich (innerhalb praktischer Grenzen), um mindestens eine niedrige Erdumlaufbahn zu erreichen. Ab diesem Zeitpunkt müssen Sie nicht mehr gegen die Schwerkraft kämpfen, und Sie können sich Zeit nehmen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, bis Sie auf eine Transferbahn gelangen (Apogäum in geostationärer Höhe). Wenn Ihre Flugbahn Sie höher bringt, verlieren Sie an Geschwindigkeit. Wenn Sie Ihre Zielhöhe erreichen, müssen Sie etwas mehr Geschwindigkeit hinzufügen, wodurch die Umlaufbahn zirkuliert und Sie dort sind. Eine Rakete, die entlang einer radialen Linie durch eine feste Position auf dem Boden aufsteigt, würde die Schwerkraft auf dem ganzen Weg bekämpfen, mit mehr oder weniger der Effizienz, die ich für ihre erste Sekunde des Starts beschrieben habe.

#13
+1
user27107
2018-09-06 05:00:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Es gibt auch ein "Power" -Problem. Die Energie, die benötigt wird, um X nach oben zu bringen, ist konstant, aber die benötigte Zeit ist flexibel. Mit dem richtigen Getriebe bringt ein kleiner Motor X nach oben, es dauert nur lange, lange. Und wie gesagt, Sie müssen den Motor nicht auf die Reise schicken. Interessanterweise müssen Sie nicht einmal den größten Teil des Schiffes senden. Stellen Sie sich einen vertikalen Skilift für die Mathematik vor. Stecke die Astronauten in ihre Anzüge und versende sie. Die fallenden Stühle gleichen die angehobenen Stühle aus. An der Raumstation ziehen sie ihre Anzüge aus, setzen sie auf einen fallenden Stuhlsitz und verwenden sie unten wieder. Im Durchschnitt muss der Motor nur die Reibung überwinden.

#14
+1
marshal craft
2018-09-07 20:40:18 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ein Weltraumaufzug benötigt keine kinetische Energie, um seine Höhe zu halten. Eine Rakete muss ständig Treibstoff verbrauchen, um nicht wieder in Richtung Erde zu beschleunigen.

Aerodynamische Kräfte nehmen mit zunehmender Geschwindigkeit zu. Eine Rakete muss die Zeit minimieren, in der sie eine Kraft gegen die Schwerkraft ausübt, was eine Erhöhung der Vertikalgeschwindigkeit impliziert. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit verringert jedoch den Wirkungsgrad aufgrund des Luftwiderstands.

Ein Weltraumaufzug ist nicht den durch die Schwerkraft verursachten Verlusten ausgesetzt und kann daher aerodynamische Verluste viel besser minimieren. Es scheint mir, dass dies die beiden Hauptmechanismen sind, mit denen ein hypothetischer Weltraumaufzug die Kosten senken kann.

#15
+1
WhatRoughBeast
2018-09-07 04:49:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Andere Antworten konzentrieren sich hauptsächlich auf die Energie des Erreichens der Höhe. Obwohl dies zutrifft, schlage ich vor, dass diese Bedenken stark überbewertet werden.

Ich würde sagen, dass jeder die enorm reduzierten Fahrzeugkosten übersieht. Orbitalraketen sind nicht nur auf dem neuesten Stand, sie sind auch auf dem neuesten Stand. Die Notwendigkeit, gleichzeitig extrem hohe Leistung, geringes Gewicht und hohe Zuverlässigkeit zu zeigen. Darüber hinaus werden sie in solchen Stückzahlen hergestellt, dass jede im Wesentlichen handgefertigt ist.

Betrachten Sie jedoch einen Aufzugskriecher. Lassen Sie uns eine SWAG (Scientific Wild-Ass Guess) durchführen und sie auf 50 Tonnen mit einer Nutzlast von 50 Tonnen und einer Aufstiegsrate von 10 bis 20 Meilen pro Stunde spezifizieren.

Dies ist bei weitem nicht so optimistisch, wie es scheinen mag . Es muss nur ein relativ kleiner Besatzungsraum unter Druck gesetzt werden: Der größte Teil der nicht verderblichen Fracht kann im Wesentlichen in CONEXs gestapelt werden, die an den Seiten des Fahrzeugs angebracht sind. Die G-Kräfte sind extrem niedrig, und vermutlich werden die Vibrationen nicht annähernd Raketenstartniveaus erreichen. Es ist nicht nur keine Straffung erforderlich, der Laderaum muss nicht einmal umschlossen sein. Unter der Annahme einer Startgeschwindigkeit von 10 Meilen pro Stunde beträgt die Höhe am Ende einer Stunde 50.000 Fuß, wobei im Wesentlichen keine Atmosphäre zur Erzeugung von Wind vorhanden ist. Wenn Sie an diesem Punkt auf 32 km / h beschleunigen, beträgt die Gesamtfahrzeit für die ISS-Umlaufbahn etwa 13 bis 14 Stunden. Ein Sonnenschutz für die Ladung könnte eine gute Idee sein, aber dieser könnte ein paar Stunden nach dem Start fast ohne Gewicht eingesetzt werden.

Der Leistungsbedarf für 100 Tonnen vertikal bei 10 Meilen pro Stunde beträgt etwa 10 MW oder 15.000 PS. Dies würde auf kleine Traktormotoren verteilt, mit ein paar zusätzlichen Redundanzmotoren. Bei einer bescheidenen Dichte von 3 PS / lb würde das Motorgewicht etwa 5.000 lb oder etwa 1% des projizierten Fahrzeuggewichts betragen. 2% für 20 Meilen pro Stunde. Wikipedia schlägt vor, dass Elektromotoren bis zu 1,6 MW laufen können, sodass die technologische Basis offensichtlich nicht fehlt. Zugegeben, Kühlung wäre eine Herausforderung, wie immer im Weltraum, sowie Herausforderungen, die durch den Betrieb im Vakuum entstehen. Diese werden dem Leser als Übung überlassen.

Ebenso wichtig wäre, dass solche Crawler enorm einfacher und billiger als eine Rakete wären. Kein Versuch, sich selbst auseinander zu reißen. Keine heiklen kryogenen Kraftstoff- / Oxidationssysteme, die darauf warten, ein Leck zu entwickeln und zu explodieren. Kein Lageregelungssystem. Kein Wiedereintrittsschild. Einfache, effiziente Geometrie (ohne Optimierungsprobleme) erleichtert die Konstruktion. Es gibt keine Möglichkeit, die Kompromisse ohne ein Kandidatendesign einzugehen, aber Materialien mit hoher Festigkeit und hohem Gewicht sind wahrscheinlich nicht erforderlich. Ich würde vorschlagen, dass es so aussieht, als ob ein sehr kleines RORO-Frachtschiff am Ende steht.

Außerdem ist die Bodenunterstützungsinfrastruktur weitaus billiger. Kein Kraftstoffspeicher- / Transfersystem, kein Radarverfolgungssystem. Keine Startkontrolle. Es wird vermutlich andere, für den Aufzug einzigartige Kosten geben.

Unter der Annahme von Geschwindigkeiten von 32 km / h und einem Turnaround-Tag im Orbit betragen die LEO-Missionszeiten etwa 2 Tage. Es gibt keinen offensichtlichen Grund, die Bodensanierung als "Sanierung" zu betrachten, wie dies bei Raketen der Fall ist, eher wie die Wartung von Langstrecken-LKWs. Sagen wir ein paar Tage. Dann erhalten Sie alle 4 Tage eine Mission.

Nehmen Sie als Beispiel für ein Kontrastsystem den Falcon 9. Eine Nutzlast von 15 Tonnen und eine Bearbeitungszeit von etwa 2 Wochen. Das Fahrzeug selbst ist weitaus teurer. sowohl zu bauen als auch zu betreiben.

Sind Sie überhaupt besorgt darüber, dass ein Weltraumaufzug, der nur ein Stück Fracht zu einem LEO hebt, nutzlos ist? Damit die Ladung im LEO * bleibt *, müssen Sie ihr eine horizontale Geschwindigkeit von einigen Kilometern / Sekunde geben, was das Aufzugskabel nicht kann. AFAIK der Weltraumaufzug würde verwendet werden, um Fracht zu einem GEO über 20000 Meilen von hier zu heben. Das ist eine sechswöchige Reise (einfache Fahrt) in Ihrem gemächlichen Tempo von 32 km / h. Auf jeden Fall hat der Aufzugsanker bei einem GEO eine ausreichende Seitwärtsgeschwindigkeit und kann mit geeigneter Technik verwendet werden, um der Ladung die gleiche horizontale Geschwindigkeit zu verleihen.
#16
+1
Peter Green
2018-09-11 22:42:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Weltraumaufzüge profitieren von der Tatsache, dass die Erde im Wesentlichen ein rotierendes "unbewegliches Objekt" * ist.

Um Ihr Fahrzeug vorwärts zu beschleunigen, müssen Sie etwas anderes mit demselben Impuls rückwärts beschleunigen. Der Impuls ist proportional zur Geschwindigkeit, aber die kenetische Energie ist proportional zur Geschwindigkeit im Quadrat.

Ein Großteil der von einer Weltraumrakete verbrauchten Energie fließt in die Rückwärtsbeschleunigung des Treibmittels und nicht in die Vorwärtsbeschleunigung der Rakete. Das meiste, was übrig bleibt, wird zum Anheben des Treibmittels verwendet. In die endgültige Orbitalenergie (Kinetik und Potential) der Endstufe geht relativ wenig.

Das Drücken gegen ein unbewegliches Objekt ist weitaus effizienter. Fast die gesamte Energie fließt in das Heben des Kletterers und seiner Nutzlast.

Besser noch, die Erde dreht sich. Wenn Sie also einen vertikalen Turm besteigen, der an der Erde befestigt ist, und effizient an Höhe gewinnen, erhalten Sie im Wesentlichen kostenlos horizontale Geschwindigkeit. In einer Höhe, die wir "geostationäre Umlaufbahn" nennen, können Sie den Turm loslassen und auf derselben Höhe bleiben. Gehen Sie hoch genug und das Loslassen des Turms würde bedeuten, in den Weltraum geworfen zu werden.

Das einzige Problem ist, wie der Turm aufgebläht wird. Wir können nicht einfach einen Turm von unten bauen, die Materialien, die benötigt würden, sind einfach unplausibel. Ein Kabel, das durch Zentrifugalkraft an Ort und Stelle gehalten wird, ist praktikabler, aber dennoch eine massive Herausforderung, die Materialien erfordert, die am Rande der Machbarkeit liegen.

* Das ist nichts, was wir mickrigen Menschen tun, wird einen signifikanten Einfluss auf seine Geschwindigkeit haben oder Rotation.

#17
-3
Acccumulation
2018-09-06 02:21:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Andere Antworten haben die Notwendigkeit angeführt, einen eigenen Kraftstoff zu transportieren, aber ein weiterer Faktor ist die Notwendigkeit einer Reaktionsmasse. Der Treibstoff für eine Rakete wird sowohl als Treibstoff als auch als Reaktionsmasse verwendet. Etwas, das einen Weltraumaufzug hinauffährt, könnte den Aufzug als Reaktionsmasse verwenden, wodurch die effektive "Abgas" -Geschwindigkeit viel niedriger wird und somit weniger Energie benötigt wird.

Sobald wir Energie in die Umlaufbahn eines Fahrzeugs bringen, Der einzige Weg, wie wir es wieder runterholen können, besteht darin, diese Energie abzulassen. Mit einem Aufzug kann alles, was wir auf die Erde zurückbringen wollen, als Gegengewicht verwendet werden, um eine neue Nutzlast in die Umlaufbahn zu heben.

"Ignorieren der Tatsache, dass es bei Umlaufbahnen um Geschwindigkeit und nicht nur um Höhe geht" - und das ist ein ziemlich großer Faktor. Das Beschleunigen der Nutzlast auf 8000 m / s erfordert weitaus mehr Energie als das Anheben auf 200 km.
@Hobbes Ich glaube, es ist ein Faktor von $ \ sqrt 2 $. Kein "ziemlich großer Faktor".
Sie haben gerade einen Treibstoffmassenanteil von 10% berechnet, um etwas in die Umlaufbahnhöhe zu bringen. Reale Raketen haben einen Massenanteil von 95%, ein Unterschied von eher mehr als 1,4.
Und "Die Schwerkraftbohrung der erdnahen Umlaufbahn liegt etwa 10 - 5 m über der Erdoberfläche", nein, LEO ist 10 ^ + 5 m, Ihre Berechnung ist also um 10 Größenordnungen niedriger.
@Hobbes Das Minuszeichen ist eindeutig ein Tippfehler, und meine Berechnungen verwendeten +5. Was Ihre Aussage betrifft, dass Raketen einen Massenanteil von 95% haben, wirft dies nur die Frage auf, ob etwas, das in einen Aufzug fährt, weniger Treibmittel benötigt.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 4.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
Loading...