¿Cuál es la forma más plausible de reducir el costo de la órbita?

De las opciones generales que existen en términos de hipotéticos sistemas de lanzamiento espacial, ¿cuál es la opción más plausible para un entorno de ciencia ficción en un futuro relativamente cercano? El enfoque aquí está en la Tierra a LEO, ya que el nivel de desarrollo espacial implicaría que este acceso más barato también reduciría los costos al proporcionar una infraestructura de reabastecimiento en órbita.

Los pocos obvios que vienen a la mente son:

Los ascensores espaciales serían la mejor opción en general en términos de reducción de costos, pero existe la pregunta de si realmente podríamos lograr esto en un sentido práctico. Además de la cuestión de encontrar un material lo suficientemente fuerte, una falla tendría un alcance catastrófico. Probablemente también requeriría un pronóstico literalmente perfecto de los rayos, ya que el material más probable son los nanotubos de carbono que serían muy conductores de la electricidad.

El lanzamiento láser a la órbita funciona de manera similar a un ascensor espacial en términos de descargar la masa del combustible, pero intercambia los problemas. Si bien no requeriría una física imposible en el límite, requeriría un almacenamiento o producción de energía absolutamente masivo en el sitio de lanzamiento. También sería un sistema de armas extremadamente potente que pondría nerviosas a otras naciones y posiblemente cegaría a cualquiera que mirara el lanzamiento.

Mejorar el combustible a través de hidrógeno metálico también es una posibilidad, ya que probablemente sea el combustible para cohetes de mayor energía y alto empuje que no implique la activación de armas nucleares. No es el mismo nivel de ahorro extremo que algo así como un ascensor espacial, pero potencialmente podría conducir a ahorros, ya que permitiría desarrollar diseños de SSTO maduros adecuados con grandes cargas útiles. Si los cohetes de fusión pudieran producir suficiente empuje para despegar, también serían una excelente opción en aproximadamente la misma categoría, pero eso no es probable.

Diseños reutilizables y sus descendientes. Obviamente, esto es lo que ya está sucediendo en términos de diseño, pero incluso las proyecciones más optimistas (y probablemente poco realistas) no se acercarían ni siquiera a las proyecciones conservadoras de los conceptos más avanzados. Otro posible enfoque relacionado es el del motor SABRE (o RAPIER para jugadores de KSP) en el que utiliza un estatorreactor/cohete híbrido, si es que alguna vez se puede hacer que funcione.

De estos u otros con los que no estoy familiarizado, ¿cuál es la solución general más plausible para brindar un acceso significativamente más barato a la órbita dentro del próximo siglo?

Si nos pide que predigamos el futuro de la Tierra real, eso parece fuera de lugar. Si está preguntando sobre un planeta ficticio similar a la Tierra, entonces 'plausible' depende del narrador, no de la tecnología. Las naves espaciales de Futurama funcionan con caca, pero es lo suficientemente consistente internamente y se vende bastante bien, por lo que a la audiencia no le importa.
@ user535733 A menos que se indique lo contrario, 'plausible' significa basado en la ciencia al nivel de la tecnología de este mundo. Esta pregunta no está bien enfocada, algo como "¿Cuál de los sistemas de lanzamiento espacial sin cohetes es el más realista en el nivel tecnológico actual" sería mejor, en mi humilde opinión.
probablemente todos tengan sus propias preferencias y elogiarán su elección. Podría decirse que el bucle de lanzamiento es algo bueno, su mayor defecto es la confiabilidad: tiene que ser a prueba de balas en un sentido técnico, sin fallas durante décadas y más. de lo contrario es un concepto bastante sólido. de lo contrario, la reutilización por mucho, ya que otras cosas pueden necesitar suposiciones de todo tipo y es una cuestión de si su entorno/visión tiene esas capacidades. Hay ideas menos conocidas, pero es por una razón en la mayoría de los casos.
En mi opinión, la plausibilidad se puede evaluar en función del estado actual del desarrollo de cada tecnología, incluidas las piezas de ingeniería y construcción. Sin embargo, se debe suponer que no ocurrirán cambios significativos y repentinos en campos relacionados de la ciencia y la tecnología. Esto no se puede garantizar, por supuesto. Sin embargo, no podemos garantizar que en los próximos 100 años aparezca alguna tecnología/investigación revolucionaria que haga que todo nuestro conocimiento y entendimiento actuales sean completamente irrelevantes. Por lo tanto, con la suposición de que no hay grandes cambios, la pregunta puede tener respuestas no especulativas.
El costo de energía del uso de Laser Launches no es tan malo como parece. Un sistema de almacenamiento de energía de volante combinado con un reactor nuclear podría impulsar dicho sistema. Los parques solares modernos más grandes podrían incluso alimentar directamente una matriz de lanzamiento láser.
Los ascensores espaciales son incluso peores de lo que piensas. He leído varias propuestas y la capacidad de carga útil promedio es de alrededor de 15 toneladas por semana. Sospecho que los ascensores espaciales son un concepto tan popular porque son fáciles de entender. Hacen que las cosas suban alto. Ni siquiera hay necesidad de entender los mecanismos orbitales. El soporte activo, el lanzamiento láser o el skyhook son mucho más complicados de explicar.
@TheDyingOfLight Creo que tienes toda la razón sobre los ascensores espaciales. Realmente solo los incluí en aras de la exhaustividad porque son una idea muy común.
"Los ascensores espaciales serían la mejor opción en general en términos de reducción de costos", a menos que sean REALMENTE CAROS de construir.
VTO ​​sobre la base de su utilidad y reutilización para otros autores.

Respuestas (7)

Elija uno o más para satisfacer sus necesidades de narración de historias.

Como se mencionó, el artículo de Wikipedia sobre lanzamiento espacial sin cohetes brinda una buena descripción general de los sistemas de lanzamiento espacial más baratos propuestos.

A eso también agregaré, Big Dumb Boosters. Quizás haya oído hablar del SpaceX BFR : este es un ejemplo del efecto de la ley del cubo cuadrado en los sistemas de lanzamiento de cohetes (lo que resulta en una mayor relación combustible/peso) a medida que los cohetes se hacen más grandes. Hay rendimientos decrecientes en cohetes más grandes, por lo que no estarás lanzando montañas pequeñas de esta manera. El Sea Dragon fue el propulsor más grande jamás considerado en ese momento y, aunque anticuado, sigue siendo un diseño de ejemplo válido.

Muchos de los sistemas son o pueden ser complementarios. por ejemplo, combine un sistema de cañón de riel como Star Tram para mejorar la eficiencia de la etapa inicial y algo más para ayudar a poner su nave en órbita, como un sistema de gancho aéreo.

En la vida real, si tuviera muchos miles de millones de sobra para eso, no estaría buscando un ascensor espacial como mi solución porque querría algo que estaba seguro de poder lograr, y todavía no sabemos si es posible. para construir realmente un ascensor espacial en la Tierra, aunque estoy seguro de que se podría construir otro sistema, sin necesidad de nuevos avances científicos o tecnológicos. Los superconductores a temperatura ambiente podrían hacer que su arma de riel sea más deseable, pero no es necesario que los tenga para que el plan funcione.

También puede combinar cohetes con la mayoría de estos sistemas, por ejemplo, cañón de riel para una buena ventaja inicial con cohetes para completar la inserción orbital, o tal vez cañón de riel y luego cohetes para llevar el resto del gancho al cielo.

Sin embargo, la plausibilidad no requiere certeza. Se trata de lo que hace que su historia funcione.

¡Gancho celestial!

Ok, no sé si es la más plausible, pero hasta que una de estas tecnologías se realice, nadie sabrá cuál era la más plausible. Y me gustan los skyhooks, así que voy a rodar con eso.

La idea básica de un skyhook es poner una cuerda en órbita con un gancho en un extremo y un peso en el otro, y luego hacerla girar. El extremo del gancho se sumerge periódicamente en los confines más altos de la atmósfera, donde las naves pueden unirse a él y ponerse en órbita. La física de esto es realmente muy simple, pero por supuesto hay algunos problemas (todos superables).

Primero, materiales. A diferencia de un ascensor espacial, en realidad no necesitaríamos ningún avance revolucionario en la ciencia de los materiales para hacer que un skyhook funcione. La mayoría de los diseños de skyhook funcionarían bien con los materiales existentes, aunque la producción de estos materiales de alta resistencia tendría que ampliarse y hacerse económica. Este es en realidad uno de los desafíos más fáciles con el diseño de skyhook.

Otro problema fácil es la conservación de la cantidad de movimiento. Esencialmente, cada vez que agarras y lanzas una nave a la órbita, estás extrayendo un poco de energía/impulso del gancho. Hay dos formas de resolver esto. El primero es equipar el skyhook con pequeños cohetes químicos o de iones que impulsarían y ajustarían periódicamente su órbita, evitando que caiga a la atmósfera. Estos necesitarían un reabastecimiento de combustible periódico y, en general, son inferiores a la segunda solución: enviar cosas de vuelta. Un skyhook funciona en ambas direcciones, y si atrapa cosas fuera de la órbita y las baja de vuelta a la Tierra con el skyhook, recuperará energía / impulso de ellas, manteniendo todo el skyhook en el cielo de forma "gratis". Probablemente se requeriría una pequeña cantidad de mantenimiento de la estación,

El problema más difícil de resolver con un skyhook es el problema de la nave espacial que realmente necesita atrapar el gancho. En su punto más bajo, seguirá moviéndose bastante rápido en relación con el suelo, y ese punto más bajo todavía se encuentra en la atmósfera superior. Por lo tanto, necesitará naves especializadas diseñadas para acelerar hasta la velocidad del gancho, y estas naves deben poder encontrarlo y engancharse. Esto probablemente se pueda resolver con alguna combinación de orientación por computadora, programación cuidadosa y asistencia del propio gancho (el video Kurzgesagtsobre el tema sugiere tener drones en el extremo del gancho del skyhook para ayudar a atrapar naves espaciales; el video vinculado es un gran recurso, por cierto, pero tenga en cuenta que se centra en el uso de skyhooks para facilitar el viaje interplanetario en lugar de viajar a LEO).

La velocidad relativa al suelo en su punto más bajo se puede ajustar con compensaciones, se puede establecer en cero m/s durante unos segundos. Pero a costa de una frecuencia de disponibilidad mucho menor, como una vez cada 48 horas (o más). Permitiendo así una plataforma dirigible/globo. Un conjunto de ganchos espaciales configurados para sumergirse secuencialmente cada 15-30 minutos haría que esto sea más viable.
¿Qué ahorras realmente en comparación con los cohetes normales? Todavía tienes que impulsar el skyhook. Esto significa que tiene combustible de transporte, luego acelera todo. La única ventaja es que puede impulsar más lentamente, por lo que los propulsores de iones podrían ser factibles.
Pensando en los motores... si el skyhook está equipado con motores nucleares (quizás incluso usando fusión en lugar de fisión) en realidad podría ser bueno. El reabastecimiento de combustible requeriría menos masa y gran parte de la masa y el costo están en los motores que pueden permanecer en órbita.
@Michael Según tengo entendido, teóricamente puede capturar la energía potencial y cinética de los retornos, en lugar de quemarla en la atmósfera con aerofrenado. Efectivamente, el skyhook puede actuar como una "batería" que almacena la energía orbital de un orbitador que regresa y la usa para lanzar otro más tarde, lo que reduce el costo total de los frecuentes viajes de ida y vuelta. Es particularmente atractivo si tiene un flujo descendente neto, por ejemplo, de la minería de asteroides.

¡Rockoons!

rockon https://www.semanticscholar.org/paper/Development-of-a-Rockoon-Launch-Platform-and-a-Fuel-Johnson-Roberson/aa576b73f3b9ebe1f1201b8d7119e4707e9d595c

  1. Flota por encima del gas pegajoso y pegajoso con un globo y un cohete adjunto.

  2. ¡Lanza cohete!

  3. Bombee cosas flotantes en el cilindro para que el globo descienda.

  4. Consigue un nuevo cohete.

  5. IR A 10.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rockoon

Un rockoon (de cohete y globo) es un cohete sonoro de combustible sólido que, en lugar de encenderse inmediatamente mientras está en el suelo, primero es transportado a la atmósfera superior por un globo lleno de gas, luego se separa del globo y se enciende. Esto permite que el cohete alcance una mayor altitud, ya que el cohete no tiene que moverse con potencia a través de las capas inferiores y más gruesas de la atmósfera.

https://www.livescience.com/47692-high-altitude-balloons-floating-satellites.html

Los globos de gran altitud, algunos de los cuales pueden alcanzar altitudes de hasta 100 000 pies (30 500 metros) o 19 millas (30,6 kilómetros), se han utilizado para observar patrones meteorológicos desde al menos principios del siglo XX, y la NASA ha estado utilizando estos tipos de globos para realizar experimentos científicos durante los últimos 70 años, dijo Crites...

"Creemos que la clave es construir una plataforma para que la gente explore allí", dijo Crites. "Lo que queremos ver es que los estudiantes y empresarios usen nuevas aplicaciones en esta plataforma y se vuelvan realmente creativos".

Sin embargo, mi favorito personal es el cañón de riel rockeloonannon en el que un cañón de riel en una plataforma flotante de gran altitud dispara el cohete hasta la altitud orbital y el cohete luego alcanza la velocidad lateral para permanecer en órbita. ¡Rock Rock, Rockeloonannon!

+1 por sutil homenaje a BASIC a través de su convención de numeración de líneas
Los rockoons son geniales, pero en términos de delta-v, básicamente no es por el esfuerzo porque son mucho más difíciles de lanzar y, en general, muy complicados. De todos modos, la mayor parte de la energía que gasta un cohete se destina a la velocidad horizontal, y hay una razón por la cual los sistemas de lanzamiento aéreo nunca despegaron realmente.
La mayor ventaja de los cohetes lanzados desde aviones es que un avión puede volar fácilmente cientos de kilómetros, por lo tanto, cambiar el "lugar de lanzamiento" con bastante facilidad. Los ahorros delta-v para el lanzamiento real a la órbita son pequeños. Un globo no podría moverse, por lo tanto perdería esta gran ventaja.

Fuentes espaciales y bucles de lanzamiento

Una fuente espacial es esencialmente un ascensor espacial que podría funcionar con los materiales actuales. En lugar de depender de la fuerza del material, la fuente espacial se sustenta en el movimiento activo de las babosas de hierro que circulan a través de ella, de forma similar a un chorro de agua que sale de una manguera.

Un bucle de lanzamiento es una versión posiblemente más práctica de la fuente espacial que no intenta ir directamente hacia arriba. En cambio, se extiende horizontalmente por cientos de millas, proporcionando una pista de aterrizaje de 50 millas desde la cual lanzar barcos y actuando como una enorme catapulta de portaaviones. Una gran ventaja es que las babosas de hierro pueden tener más espacio para girar cuando tocan la tierra, por lo que puedes usar muchas millas de electroimanes para girarlas gradualmente. Una desventaja es que el bucle de lanzamiento es más vulnerable a los ataques terrestres, porque cubre más territorio y un daño suficiente en cualquier punto podría destruirlo.

Iba a optar por un anillo orbital con torres de apoyo activas. Dado que las torres son la parte que responde directamente a esta pregunta, y son prácticamente solo fuentes espaciales con otro nombre, +1.

Pregunta tal como se planteó: ¿Cuál es la forma más plausible de reducir los costos de la órbita?

Solo espera.

No se han dado estipulaciones sobre cuánto deben bajar los costos, solo lo que es más plausible. Sin embargo, es plausible (incluso probable) que veamos una reducción sustancial en los costos de lanzamiento durante nuestra vida, a través de tres mecanismos...

  1. Empresas del sector privado reemplazando monopolios gubernamentales ineficientes.
  2. Adopción de energía más verde que reduce el precio del petróleo crudo y, por lo tanto, del queroseno.
  3. Economía de escala, en tecnología y producción.

Como se indica en la pregunta, las empresas privadas han logrado desarrollar cohetes reutilizables, con ahorros de costos muy considerables. También están mucho más motivados para reducir los costos, ya que la disminución de los costos da como resultado un aumento de las ganancias, no una disminución de los presupuestos. ¿Qué hemos visto hasta ahora? Las empresas privadas han llevado el costo de puesta en órbita de 18.500 USD/kg a 2.720 USD/kg, una reducción del 85% en el costo. ( https://theconversation.com/how-spacex-lowered-costs-and-reduced-barriers-to-space-112586 ) Como estas empresas están impulsadas por las ganancias y el futuro de la sociedad (en el caso de Musk), tienen razón continuar reduciendo estos costos en la medida de lo posible.

Sin embargo, aun cuando estas compañías queman cantidades alucinantes de combustible para entrar en órbita, podemos esperar que el costo de ese combustible baje en el próximo siglo, debido al reemplazo del petróleo crudo por electricidad. Incluso si solo los automóviles se vuelven eléctricos (generados de forma renovable), es razonable esperar que el costo del petróleo crudo baje drásticamente y, con él, los combustibles como el RP-1 que ayudan con el lanzamiento. Los lanzamientos de cohetes pueden ser el único lugar donde los hidrocarburos tienen más sentido, por su densidad de energía (tanto en MJ/kg como en MJ/L).

Finalmente, a medida que la exploración espacial se vuelve más común, la economía de escala comenzará a activarse. Cuando las empresas privadas encuentran diseños que funcionan muy bien, pueden pasar de lanzamientos esencialmente experimentales a la producción en masa, con enormes ahorros de costos asociados. Las empresas privadas más grandes ya están jugando con esta idea, pero tienen un largo camino por recorrer en las próximas décadas.

¿Cuánto tiempo llevará todo esto? Al ritmo actual, y viendo que dos de las personas más ricas de la historia están compitiendo para lograr estos mismos objetivos, estamos viendo una escala de décadas, si es que eso es así.

Puede que esta no sea una respuesta particularmente extravagante, pero eso también la convierte en la más plausible , en mi humilde opinión. Y no hay razón para esperar que las empresas privadas, que producen en masa cohetes altamente reutilizables para lanzarlos con un combustible probablemente cada vez más barato, tengan problemas para reducir los costos de lanzamiento a la órbita.

Todo esto toma es tiempo. Entonces, en resumen... solo espera.

Esta es definitivamente la respuesta más plausible, jajaja, ya que aborda factores y elige tecnologías, respuesta sólida.
El costo es el costo energético fundamental, no algo que pueda ser eludido por economías de escala o cualquier otro pensamiento mágico capitalista.
@R..GitHubSTOPHELPINGICE: el costo fundamental de la energía es solo un factor entre varios que actualmente hacen que el lanzamiento espacial sea costoso: ya hemos visto reducciones significativas en el costo de la órbita gracias al trabajo de SpaceX para no arrojar cohetes a la basura todo el tiempo. tiempo :P y sin duda hay más que se puede hacer en ese frente
Pero la parte difícil es el costo fundamental de la energía.
@Shalvenay, el costo de la energía sigue siendo dominante. Los lanzamientos de cohetes cuestan aproximadamente 1000 dólares por kg, los ascensores espaciales 100 dólares; dado que todos los demás costos son aproximadamente lineales, esto significa que el costo del combustible para las naves espaciales propulsadas por cohetes es ampliamente dominante. (Además, no hay razón para suponer que las economías de escala no cambiarán el costo de los ascensores espaciales. La alternativa más barata se comerá sin piedad a la más cara).
@R..GitHubSTOPHELPINGICE según Elon Musk, la energía es solo el 5% del costo de un lanzamiento. Todo lo demás es (vuelo y tierra) hardware, software, control, etc.
@RonJohn: Elon no tiene idea de lo que está hablando. No es una fuente de respuestas basadas en la ciencia.
@R..GitHubSTOPHELPINGICE pero él sabe cuánto cuestan sus cohetes, los fabrica, cuánto combustible + oxidante se requiere y cuánto cuestan.
@R..GitHubSTOPHELPINGICE En mi respuesta, proporcioné una pista probable para disminuir el costo del combustible ("el costo de energía fundamental", como usted dice). Cuando la demanda de combustible baje, su costo también lo hará. El capitalismo es mágico. ;)
@RonJohn: Muy poco probable. La mitad del tiempo está completamente drogado. Las personas inteligentes que trabajan para él se encargan de esas cosas. Él no.
@R..GitHubSTOPHELPINGICE Reconozco esa posibilidad y espero ansiosamente su evidencia sólida de que los costos de combustible son (mucho) más del 5% de los costos de lanzamiento.
Las otras cosas que citó son gastos generales de inicio fijos independientemente de la cantidad de lanzamientos. No escalan con el número de lanzamientos o la masa total de carga útil.

Cañón de riel ecuatoriano

Elige una montaña alta cerca del ecuador. Construye un cañón de riel en la ladera de la montaña. Coloque una estación de energía nuclear y un gran banco de capacitores cerca para producir la sobretensión fenomenal requerida para energizar todos esos imanes a la vez. Y lanza tu carga a la órbita.

Por supuesto, la carga debe ser lo suficientemente resistente para soportar unas pocas docenas de Gs. Los humanos blandos deben continuar montando petardos de gran tamaño en órbita.

Necesitará un remolcador espacial en el apogeo para evitar que la carga vuelva a entrar, por supuesto. La capacidad de su cañón de riel estará limitada por la cantidad de remolcadores, por la cantidad de lanzamientos que su planta de energía puede soportar y por la cantidad de inspectores empleados por la ONU que se aseguran de que un "error" no arruine una ciudad. Por lo tanto, la cafetería en la base del cañón de riel también debe ser impresionantemente grande.

Más lecturas , pero tenga en cuenta que no es una lectura especialmente alentadora. Este es un problema en el que debe resolver problemas de ingeniería masivos solo para llegar al punto en el que pueda lidiar con los otros problemas de ingeniería masivos.
He leído "limitado por... el número de inspectores desempleados" y me molestó de inmediato. Sí, esto limitará la capacidad, pero en el sentido opuesto al que piensa el autor, a saber, cuanto más burocracia agregue al proyecto, menor será su eficiencia. En lugar de alcanzar la órbita, los lanzamientos se hundirán lenta y repugnantemente en un pantano de caca burocrática.

Lanzador de inducción lineal

Una alternativa mucho más factible a un cañón de riel, el Lanzador de inducción lineal no solo no tiene un límite de velocidad fundamental, sino que también levita la armadura para un viaje relativamente sin fricción (aparte de la resistencia del aire) por el cañón.

El principio de funcionamiento es apilar axialmente muchas bobinas de alambre para crear un barril. Cada bobina posterior tendrá cada vez menos vueltas. Cuando se pulsa en una secuencia acelerada, se creará una onda magnética viajera (y acelerante) que, por el principio de inducción, creará una fuerza en la misma dirección de viaje en cualquier objeto conductor dentro del barril.

¿Cuál es la forma más plausible de reducir el costo de la órbita?
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