Mis on Google'i kosmose liftiprojektiga?

Siin on tõde ühe paljutõotavama Google X projekti kohta kosmosesüsteemide insenerilt, kes on neid uurinud: need on liiga aeglased. Kuid on üks võimalik lahendus.

Mis on Google

Nagu paljud Kiire ettevõte lugejad, olin huvitatud mainimisest kosmose lifti kontseptsioonist, mida arendatakse välja Google'i skunkworks laboris, mida tuntakse lihtsalt kui Google X.



Kas teate, mis on kosmose lift, eks? Küsib DeVaul. Ta märgib ära olulised faktid - kaabli, mis on kinnitatud kosmosesse fikseeritud satelliidi külge, kümnete tuhandete miilide kõrgusel Maast. DeVaulile vastaks see kahtlemata X-kriteeriumidele millegi kohta otse ulmest.

Kosmoseliftid muudaksid elektrit või mootoriga lendu. Insenerina, kes on kavandanud Boeingi kosmosesüsteemide divisjoni jaoks kosmose liftide kontseptsioone, ja aeg-ajalt FastCoLabsi kaastöötajana, arvasin, et lisan sellele paljutõotavale miraažilaadsele kontseptsioonile mõned üksikasjad.



Kosmos on juba 304 miljardi dollari suurune äri, kuid sellel on potentsiaali olla palju suurem, kui sinna jõudmine poleks nii ülikallis. Kõik tulevased ettevõtted, nagu kosmoseturism (mis hõlmab inimeste saatmist) või asteroidide kaevandamine (mis nõuab tooraine saatmist), lähevad praeguste kuludega, et midagi kosmosesse toimetada.

mida teeb 222



SpaceX pakub kõige odavamad käivitushinnad hinnaga 2550 dollarit/kg ehk umbes neli korda rohkem kui hõbe. Kui teie kulusid mõõdetakse väärismetalli kordades, peate kulusid vähendama. Nii otsivad minusugused insenerid odavamaid viise asjade kosmosesse viimiseks.

Kosmoselifti disainiprobleemid

Üks ahvatlev viis kauba ja inimeste kosmosesse saatmise kulude vähendamiseks on kosmose lift.

Ja see oleks arvatavasti ümberkujundav, vähendades kosmosesõitu murdosani oma praegustest kuludest: transpordilaevad klammerduvad kaabli külge ja sõidavad kosmosejaama. Üks võis üles tõusta, kui teine ​​allapoole suundus. DeVaul ütleb, et see oleks tohutu kapitaliinvesteering, kuid pärast seda võib see viia teid maapinnalt orbiidile põhimõtteliselt nullenergia võrguga. See vähendab ruumile juurdepääsu kulusid operatiivselt uskumatult madalateks.



Täpselt - see kosmose lifti idee on lihtne, ahvatlev, kuid tõenäoliselt vale. Et näha, miks see on vale - ja kuidas saame kontseptsiooni osi päästa -, peame uurima nende disaini ja majandust sügavamalt, et näha, milline lähenemisviis on kõige mõttekam ja millal võiksime sellise asja hiljem sellel sajandil üles ehitada. Nagu tükk ütleb:

Pole üllatav, et meeskond sattus komistuskivini. Kui hõljuklauad maapinnale tõid mastaabiprobleemid, kukkusid materjaliteaduslikud probleemid kosmoseliftiga kokku. Meeskond teadis, et kaabel peab olema erakordselt tugev - Piponi arvutuste kohaselt vähemalt sada korda tugevam kui meie tugevaim teras. Ta leidis ühe materjali, mis võiks seda teha: süsiniknanotorud.

Süsinik-nanotorude kaablid on teoreetiliselt 12 korda tugevamad kui parim teras, kuid 5 korda kergemad, seega 60 korda paremad tugevuse ja kaalu suhtes, mis on kosmoseliftide jaoks oluline. Nael naela kohta, mis on 60 korda tugevam.



Mis tahes konstruktsiooni, olgu see siis pilvelõhkuja, sild või kosmoselift, projekteerimisel valitseb vajadus toetada kõiki igas punktis esinevaid koormusi. Kõrghoones, mis ei sisalda mitte ainult sisu, vaid ka vaadatava punkti kohal olevaid tugisambaid. Nii et alumised korrused peavad olema tugevamad, et kanda nende kohal oleva kaalu.

Kui hoonet hoidev teras või betoon on kogu ulatuses sama tugevusega, on ainus võimalus veerge tugevamaks muuta, muutes need suuremaks. Alt ülespoole kitsenev on kõige paremini nähtav Burj Khalifas ja Eiffeli tornis, kuid see jätkub ka boxy kontorihoonete naha all.


Lugege seda vastust inspireerinud mängu lugu: Tõde Google X kohta: eksklusiivne pilk salajase labori suletud uste taha


Kosmoselifti konstruktsioon peab ka koormusi kogu pikkuses kandma, kuid selle asemel, et seda maapinnalt toetada, ripub see enamasti sünkroonne orbiit . Sellel kõrgusel on gravitatsioon ja orbiidi tsentrifugaalkiirendus tasakaalus; see kehtib iga stabiilse orbiidi kohta, mistõttu asjad jäävad orbiidile ega kuku alla.

Siin on selgitatud suur probleem

Kuid liftiga allapoole liikudes tugevneb gravitatsioon ja tsentrifugaalkiirendus väheneb; liigute Maale lähemale jõudes aeglasemalt. Liftistruktuur näeb seda erinevust ka kaaluna, mida see peab toetama suurema konstruktsiooniga.

inglite numbrid 111

Liikuva autoga saab demonstreerida puhasjõudu: tunnete alati Maa gravitatsiooni, kuid kui kiirendate edasi, tunnete ka seda jõudu. Midagi tahavaatepeegli küljest rippuvat asja ripub kombineeritud jõu tõttu tahapoole. Kosmoseliftis tõmbab gravitatsioon teid alla ja tsentrifugaalkiirendus tõmbab teid üles ning teie näiline kaal on erinevus.

Teisisõnu, see rippuv lifti konstruktsioon peab maapinna lähedalt sünkroonorbiidile minnes kandma üha suuremat kaalu kõige altpoolt. See hõlmab struktuuri ennast ja igasugust sisu, nagu kaubakapslid, rööpad, toitekaablid või lennuki hoiatustuled.

Kui kasutame tugevaimat saadaolevat materjali, praegu süsinikkiudu, peab lift üles minnes paksemaks muutuma, et kanda kogu raskust alla selle kõrguse. Kui palju paksemaks see peab saama, saab teada mis tahes materjali kahest omadusest: tugevus ja tihedus. Tugevus ütleb teile, kui palju peate antud koormust toetama, ja tihedus näitab, kui palju koormust lisab materjal ise. Suhet nimetatakse spetsiifiliseks tugevuseks. Parima süsinikkiu, mõistliku disaini varuga turvalisuse ja üldkulude jaoks on see 150 km.

Kui teete matemaatikat, tuleb see välja, peate suurendama kaabli pinda ja kaalu e võrra (2,718…) iga 150 km koormuse kohta, et kaabli pinge ei ületaks teie kavandatud piiri. Kahjuks võrdub Maa gravitatsioon maapinnast sünkroonorbiidile 6230 km. Seetõttu on kaabli mass tegur e 41,5 korda (e41.5) või 1,1 miljonit triljonit korda suurem kui kauba mass. Sellise massiivse kaabli õigustamiseks ei saa te kunagi saata piisavalt kaupa.

Me vajame tugevamat materjali või muudame lifti lühemaks, nii et sellel pole nii ekstreemset massi. Nagu algne artikkel ütleb, pole süsinikkiud ainus võimalus. Samuti on olemas süsiniknanotorusid.

Kuid keegi pole tootnud süsinik -nanotorude kiudu, mis on pikem kui meeter. Ja nii pandi liftid sügavkülma, nagu ütleb Heinrich, ja meeskond otsustas jälgida süsiniknanotorude valdkonnas tehtud edusamme.

Niisiis, kas need toimivad?

Süsiniknanotorudel on erakordne teoreetiline tugevus, kuid tegelikult ei suuda see defektide tõttu jõuda nendeni. Uuring ennustab kaabli tegelik tugevus, mis võimaldab kavandatud varu, 623 km ehk umbes 4 korda parem kui praegune süsinikkiud. See on nüüd 1/10 Maa gravitatsioonikaevust ja kaabli mass langeb järsult e10 = 22 000 korda lasti massist.

Kas see tähendab, et kosmose lift on teostatav, kas see idee on tulevikus?

Kaabli mass, mis on 22 000 korda suurem kui lasti, on tohutu paranemine üle miljoni triljoni, kuid pole siiski piisavalt madal, et teha elujõuline lift. Hetkel ignoreerime, et täna saame süsiniknanotorusid valmistada ainult mikroskoopilistes kiududes. Eeldame, et teadlased suudavad lõpuks lifti konstruktsiooni jaoks piisavas koguses ja kaabli paksuses valmistada.

kui palju tellijaid disney plussil on

Kuid on veel üks probleem: lifti tasuvusaeg.

Kosmoselifti kiiruse probleem

Kaabli ja selle kaasas oleva kaubakapsli massisuhe on kindla materjali ja disaini jaoks fikseeritud. Kui teil on transpordil mitu kaubakapslit, vajate nende toetamiseks ka mitut kaablikogust. Lihtsuse huvides võime siis kaaluda ühte kapslit ja ühte kaabliühikut.

Kapslite maapinnalt sünkroonkõrgusele (35 000 km) tõstmiseks peab olema mingi mehhanism. Tavalisi lifte tõstetakse kaablitega, kuid seda on liiga aeglane kaaluda. Kiireim lift, mis asub Taipei 101 tornis, võtaks aega 24 päeva. Oletame, et kasutate magnetilist levitatsiooni sama kiiresti kui kiireim olemasolev maglevrong (581 km/h). Nii jõuaksite tippu 60 tunniga.

22 000 kauba - või umbes sama massi kui liftikabiin ise - kohaletoimetamiseks kuluks siis 150 aastat. See on õige. Kui me alustaksime täna, kuluks oma kaalu tarnimiseks kuni 2164. aastani.

Kuna peate kosmosesõiduki ise kosmosesse laskma, soovite, et see tooks rohkem lasti kui tema enda mass. Vastasel juhul miks mitte jätta lift vahele ja lasta lasti lihtsalt otse vette?

Nii et kui selleks kulub 150 aastat, on teie tasuvus 0,6% protsenti aastas, mis pole lihtsalt majanduslikust seisukohast elujõuline. Aga kuidas oleks nende väiksemaks muutmisega?

Kas me kunagi ehitame mõistlikke kosmose lifte?

Esialgset ideed kosmosesõiduki rajamiseks maapinnast sünkroonorbiidile ühe hiiglasliku struktuurina kirjeldas esmakordselt raketipioneer Konstantin Tsiolkovsky aastal 1895. See pidi olema teoreetiline, nagu Isaac Newtoni illustratsioon suurtükist mäel, mis tulistas orbiidile. See ei olnud mõeldud praktiliseks kujunduseks.

Ja tõepoolest, see ei ole: 60 tundi ehk 2,5 päeva, et tarnida 1/22 000 lifti massist kaubana, tähendab, et selle tarnimiseks piisab kaua - 150 aastat. Analoogiana kujutlege traktori haagist (suurt veoautot), mis suudab iga 2,5 päeva tagant tarnida 3 naela. Pole eriti kasulik, kas pole?

Nii et loobume [esialgses] idees kahest eeldusest: et see peab olema üks hiiglaslik struktuur ja et ta peab tegema kogu orbiidile jõudmise töö.

Siin on suurem õppetund see, et ükski Google X idee, mis sõltub materjaliteaduse mingist uuest arengust, ei saa edasi minna. Elektroonika puhul see nii ei ole-X võiks edasi minna seadmega, mis sõltub arvutusvõime lähiajalistest täiustustest, sest Moore'i seadus ennustab arvutusvõimsuse eksponentsiaalset kasvu. Seetõttu on DeVauli meeskond kindel, et Google Glass muutub iga aastaga vähem ebamugavaks. Kuid pole mingit võimalust täpselt ennustada, millal uus materjal või tootmisprotsess leiutatakse. See võib juhtuda järgmisel aastal või 100 aastat.

See on üks koht, kus kosmose liftide uurijate kogukond erineb Google X -i inimestest. Me kõik tahame tugevamaid materjale, sest see muudab kaabli palju kergemaks, kuid Maa jaoks on isegi ideaalsete materjalide puhul liiga raske teha ühes tükis täielikku lifti.

Kuul ja Marsil on väiksemad gravitatsioonikaevud, seega võime kaaluda üheosalisi lahendusi, kuid Maa jaoks peame selle väiksemateks tükkideks jagama ja osa tööst raketile laadima.

Meil on rohkem kontrolli kosmose lifti elujõulisuse üle, kui me arvame, seades kaht ülaltoodud eeldused kahtluse alla.

vaadake eurovisiooni 2019 USA -s

Näete, tavalistel rakettidel on ka massisuhte probleem. Sünkroonse orbiidi saavutamiseks on need umbes 100 korda raskemad kui nende pakutav koormus. Suurem osa sellest on kütus ja ülejäänud on siiani olnud kallis kosmosetööstuse riistvara, mis visati pärast ühekordset kasutamist minema. Seega on mõistlik jagada töö raketi ja lifti vahel. See vähendab mõlema massisuhteid ja kombineeritud massisuhete summa on väiksem.

Rakettide ja kosmoseliftide kombineerimine

Samuti võime jagada kosmoselifti kaheks osaks, millest üks on madalal orbiidil ja teine ​​sünkroonsel orbiidil. Alumine suunab kaubakapsli ülemisele, kasutades orbitaalmehaanikat, mitte magleelrööpa. Nende vahelise lõhe ületamine, kasutades ainult füüsikat, on odavam kui maglevi raudtee - need pole odavad. Väiksematel liftidel on ka eksponentsiaalselt madalamad massisuhted kui ühel sama tööd tegeval liftil.

Mõningate numbrite lisamiseks tarnib rakett 4600 m/s (pluss mitmesuguseid kadusid, näiteks takistus), alumine lift varustab lasti 4800 m/s ja ülemine lisab veel 1500 m/s. Kuna rakett teeb tööd palju vähem, on selle massisuhe nüüd 100 asemel 10-15. Täpne arv sõltub sellest, kui palju säästudest kasutatakse, et see kestaks palju rohkem kui lennuk (20 000 lendu) ühekordselt kasutatav rakett.

Alumise lifti, mis kasutab olemasolevat riiulil olevat süsinikkiudu-mitte mõnda tulevast nanotorust valmistatud materjali-massisuhe on 14 ja ülemise 1,4. Need on palju mõistlikumad numbrid. Need arvud ei pruugi olla optimaalsed, need sõltuvad paljudest disaini kompromissidest, mida keegi pole veel teinud, kuid need on palju julgustavamad kui üks suur lähenemine liftile.

Kokkuvõtteks võib öelda, et kosmose lift on võimatu, kuid väiksemad raketid, mida abistavad kosmoseliftid, võivad meie elu jooksul tõepoolest juhtuda.