¿Funcionaría un 'ascensor espacial' / honda en un asteroide giratorio?

Los pozos de gravedad poco profundos con una velocidad angular saludable son mucho más aptos para los ascensores espaciales. Los ascensores pueden ser mucho más cortos. El estrés es mucho menor, por lo que la correa podría ser un material ordinario como Kevlar.

PK Aravind describió las ecuaciones para la longitud y la relación de conicidad de un ascensor: La física del ascensor espacial .

Intenté incorporar sus ecuaciones en una hoja de cálculo. Conectando el radio del cuerpo, la masa y la velocidad angular para varios cuerpos, obtuve estos números:

La altitud estacionaria es la distancia sobre la superficie del cuerpo a la que una órbita circular tendría la misma velocidad angular que el cuerpo.

La altitud máxima es la longitud de amarre necesaria para mantener el amarre tenso y vertical. Para equilibrar la longitud por debajo de la órbita síncrona, se necesita una longitud por encima. Si se emplea un contrapeso, no es necesario que sea tan alto.

La relación de conicidad es la relación entre el grosor de la correa en la órbita síncrona y el grosor de la correa en la superficie del cuerpo. Cuando la correa soporta mucha tensión, la relación de conicidad es alta.

Como puede ver, Vesta y Ceres tienen longitudes y relaciones de conicidad mucho menos desafiantes que los ascensores de Marte o la Tierra.

Si alguna vez llegamos al cinturón principal, creo que Ceres será un cuerpo de recursos importante. Hay alguna razón para creer que tiene mucha agua debajo de su superficie. Con suerte sabremos más sobre Ceres cuando Dawn llegue allí en abril de 2015 .

Como usted dice, un ascensor puede arrojar cargas útiles y, por lo tanto, proporcionar velocidad para la inyección a una órbita de transferencia. El elevador Ceres de ~2000 km mencionado anteriormente solo podía proporcionar ~.5 km/s. Posiblemente lo suficiente para llegar a los asteroides vecinos, pero no lo suficiente como para lanzar una carga útil hacia la Tierra. Un ascensor Ceres de 26.000 kilómetros de altura podría proporcionar unos 5 km/s, suficiente para Trans Earth Injection.

Hay otras ventajas también.

Para asteroides más grandes, la gravedad de la superficie excluye los motores iónicos. Si bien los motores de iones tienen un gran ISP, tienen un empuje muy escaso. Incluso en cuerpos como Ceres o Vesta, el peso de una nave espacial superaría el diminuto empuje de un motor de iones. Cuando la relación empuje-peso es menor que uno, una nave espacial no puede despegar. Sin embargo, un motor de iones podría acoplarse con un elevador de asteroides.

Tengo más información sobre los ascensores espaciales en mi publicación de blog: Beanstalks, Elevators, Clarke Towers

Hay un gran problema con la propuesta como se indica en el OP, y no creo que nadie más haya alcanzado este punto lo suficiente. Estoy citando, con énfasis mío aquí:

Si este esquema funcionara, entonces los paquetes de material extraído del asteroide podrían lanzarse sin el uso de combustible para cohetes, requiriendo solo la electricidad para escalar el cable (lo cual no sería bueno, ya que no hay una gravedad real contra la cual escalar, de hecho principalmente sería el frenado lo que sería necesario ya que el cable intentaría arrojar las orugas prematuramente). Esencialmente , el cable transferiría el momento angular del asteroide a los lanzamientos de paquetes.

Un cable no es un miembro rígido. Tiene resistencia a la tracción pero puede doblarse. A menudo se puede enrollar. Los cables son estructuralmente muy útiles, pero solo tienen un papel específico que desempeñar. En este caso, la propuesta intenta sobreutilizar los cables.

Miré un esquema de este tipo hace un tiempo, y aquí hay una breve maqueta de lo que estamos viendo:

Notarás que la línea más oscura a lo largo de la cual se mueve la carga útil corresponde a la noción convencional de un ascensor espacial. Otros ya han señalado que la gravedad se vencerá muy fácilmente. Sin embargo, el "columpio" en la correa no es tan fácil de manejar.

Un ascensor espacial de la Tierra estaría alineado directamente con el centro de la Tierra cuando no hay cargas útiles viajando hacia arriba o hacia abajo. Comience a mover mucho material al espacio (después de todo, ese es el punto) y la cuerda será arrastrada en la dirección de rotación de la Tierra. La correa entonces estará descentrada. Puede considerar este concepto para un asteroide dibujando el elevador principal fuera del centro o agregando cables adicionales como lo hice para los "soportes de Coriolis" anteriores. Me gusta el esquema anterior porque el sistema de manera confiable no se balanceará ni se moverá. Matemáticamente no importa.

Encontrará fácilmente que el tiempo para escalar la cuerda está limitado por el radio del asteroide . También la velocidad de rotación. Esto se sigue directamente del triángulo simple en el diagrama.

¿Dónde encontraríamos útil tal tirachinas? Bueno, Eros es uno de los asteroides más grandes del sistema solar interior. Muy pocos asteroides grandes tienen un semieje mayor dentro del territorio marciano y Eros es una pequeña excepción a la regla. El requisito útil mínimo que podríamos esperar de él es una transferencia Hohmann hacia/desde la órbita terrestre. Hice los cálculos antes, pero puedes armarlos tú mismo fácilmente si quieres. Incluso siendo máximamente generoso, el tiempo para escalar la cuerda es del orden de meses. Dado que estas transferencias solo deberían tomar alrededor de 8 meses en primer lugar, ¡esto es un gran problema logístico!

¿Qué pasa con los asteroides más grandes? Para Ceres, Vesta, etc. podría funcionar absolutamente. Es posible que tenga muy pocas restricciones en el límite de la tasa de escalada. Para estos pocos gigantes podría ser práctico lanzar cosas alrededor del cinturón de asteroides.

Para un enfoque más práctico en un asteroide como Eros, es posible que necesite una estructura extravagante como esta:

Aquí, estamos agregando miembros adicionales que no son cables. Para una honda de asteroide, estos tendrían que ser completamente rígidos, o tendría que combinar la resistencia a la compresión con suficiente masa para que su peso sobre el asteroide sea suficiente para mantenerlo en su lugar. Algo así como ese puente colgante en la Tierra. Al hacer esto, está aumentando el radio en el que está tirando de la carga útil de escalada, que es una forma de aumentar el par (fuerza x radio).

Sin embargo, una vez que haya agregado todos estos elementos, tendrá casi todo lo que necesita para un trabuquete espacial de todos modos. Es cierto que una honda motorizada necesitaría su propia fuente de energía (a diferencia de usar el giro del asteroide), pero hacer esto reduciría enormemente la masa total de la estructura. Por esta razón, creo que el uso de la rotación de asteroides para el transporte es poco probable, excepto en algunos casos muy seleccionados.

Lo que estás describiendo no es un ascensor espacial, el objetivo de uno de esos es llegar a una órbita donde hay un pozo de gravedad significativo. Tu idea es más una honda de momento angular. No es una mala idea, sin embargo, hay consideraciones:

• Aunque los rastreadores no necesitarían mucha energía para subirse a la eslinga, necesitarían mucha para volver, ya que luchan contra la fuerza hacia afuera desarrollada por el giro.
• Perderás el giro cuanto más lances desde el cabestrillo. Nada es gratis: la energía que impartes a la carga que lanzas saldrá del giro del asteroide. Esto puede no ser mucho, pero para los asteroides más pequeños puede ser un factor con el tiempo. Podría recuperar el impulso capturando naves espaciales u otros objetos para equilibrar las cosas.
• La eslinga tendría que ser muy fuerte para contener las fuerzas involucradas, y necesitaría un ancla fuerte, por lo que no es una simple obra de ingeniería. La tecnología va mucho más allá de lo que tenemos ahora.
• Si su asteroide gira lo suficientemente rápido, simplemente permanecer en la superficie será un desafío, sus operaciones mineras tendrán que lidiar con esto.
• Encontrar un asteroide que tenga el tamaño correcto, con el giro correcto y en una ubicación que lo haga adecuado para la minería puede no ser posible.
• Puede que en realidad no valga la pena. La honda tendrá que ser fuerte y probablemente no se pueda construir en el asteroide a partir de materiales obtenidos allí, por lo que es probable que se tenga que enviar. El costo involucrado en construir la eslinga, transportarla, montarla, mantenerla, proporcionar energía a los rastreadores y lidiar con los efectos adversos del giro en las operaciones mineras puede no valer la pena por los ahorros de combustible.

Un ascensor espacial no se puede construir sin la gravedad; para que el sistema sea estable, debe tener más tensión en el cable que la mayor fuerza ejercida por todos los escaladores sobre el cable en cualquier instante.

Si bien el peso de los escaladores no es un problema realista, la inercia es otra cuestión si tiene un cable en algo que es realmente pequeño; podría terminar tirando del cable un poco hacia abajo a medida que su masa se acelera.

En la práctica, no hay razón para un ascensor per se en objetos realmente pequeños; de todos modos, puede tirar cosas. La única razón por la que se construiría uno es como una eslinga: si el objeto tiene suficiente rotación, un cable lo suficientemente largo giraría bastante rápido en el extremo exterior.

Es una ciencia ficción realista. Algo que técnicamente se podría hacer pero que es poco probable que se haga.

El problema principal es una división entre economía y seguridad:

• Si está apuntando a un asteroide solitario, encontrar uno con suficientes recursos para que valga la pena tal construcción, y rotar en el plano correcto a la velocidad correcta será extremadamente difícil, en particular la primera parte, recursos que vale la pena extraer, en cantidades que hacen todo el concepto económicamente viable. Hacer esto por varios cientos de toneladas de hierro, no creo que lo encontremos económicamente viable en medio milenio.

• Ahora el asunto es diferente si estamos trabajando en un enjambre de meteoritos. Sería viable encontrar los que contendrían recursos raros y costosos, y entregar estos recursos a la "estación de lanzamiento", el asteroide específico con el elevador (o llamarlo "honda" sería más adecuado), lentamente, solo para arrojarlos hacia la Tierra a alta velocidad sería bastante bueno... excepto que, actuando en un enjambre de meteoritos, el ascensor que gira rápidamente estaría en riesgo constante de daño, mucho más alto que en el espacio abierto.

Entonces, estos dos son los grandes obstáculos que lo hacen poco probable.

Ahora, varios obstáculos en el camino...

• el material para la correa. Actualmente, solo buckytubes, que son increíblemente caros en tales cantidades. Entregándolos desde la Tierra (sería difícil encontrar suficiente carbono en el espacio). Tendría que ser similar a la correa del ascensor espacial planificada actualmente, obviamente mucho más corta, por lo que la ganancia en longitud/durabilidad podría explotarse para lanzar masas más pesadas. Sin embargo, actualmente este es el éxito absoluto (aunque con suerte a corto plazo). Hasta que podamos producir ataduras de buckytube, no hay ascensores espaciales para nosotros.

• anclaje Los asteroides, debido a la falta de gravedad, están mucho menos compactos que la roca nativa de la Tierra. Tendrá algunos equipos de minería en el sitio, pero la red de túneles de anclaje debería ser bastante extensa.

• masa, velocidad y plano de rotación. En este caso la situación no es tan mala. Hay muchos asteroides. Encontrar los que se ajusten a la factura debería ser perfectamente posible. Encontrar los que se ajusten a la factura y estén ubicados en un lugar que valga la pena o tengan recursos valiosos, bueno, mucho más complicado.

• a menos que lance más que tierra (probablemente en el escenario de la minería; incluso con la entrega desde otros asteroides, estrellaría las materias primas contra el asteroide a velocidades bastante bajas antes de levantarlas), tendría que proporcionar energía. Las orugas podrían proporcionar energía al levantar, pero consumirían cuando se usaran como captura/muelle para llegadas rápidas. En un apuro, podría fabricar energía arrojando cualquier roca nativa al azar, por ejemplo, los rastreadores nunca viajan vacíos.

• Las operaciones mineras y la entrega (gotas) de materias primas tendrían que ocurrir en las regiones polares, donde la gravedad del asteroide sería mucho mayor que contrarrestar las fuerzas centrípetas. Afortunadamente, con una gravedad generalmente baja, incluso el transporte de cargas muy pesadas no debería ser tan difícil.

• en cuanto a agotar la energía de rotación, elegir un asteroide más grande resuelve la mayoría de los dolores de cabeza. La energía cinética almacenada escala con el cuadrado de la velocidad de rotación y la quinta potencia de su radio.$E = {{4 }\over{15}} \pi \rho r^5 \omega ^2$