¿Los cohetes reutilizables harían inútil la idea de los ascensores espaciales? [cerrado]

Con los avances esperados en la tecnología de cohetes reutilizables en la próxima década, ¿dejará de tener sentido construir un ascensor espacial? ¿O seguirá siendo mucho más barato, seguro y conveniente usarlos?

Los ascensores espaciales son ciencia ficción en este momento @harsh99. No tenemos la tecnología ni los conocimientos para construir uno, entonces, ¿cómo sabríamos si va a ser más barato usar uno o no?
@GdD de acuerdo con los costos proyectados?
El primer capítulo del nuevo libro "Soonish" analiza varias tecnologías propuestas para la exploración espacial barata. Puede encontrar los pros y los contras de los cohetes reutilizables y los ascensores espaciales allí.
@ harsh99 ninguno de los materiales que hemos observado en el universo o que tienen alguna teoría sobre cómo podrían fabricarse son lo suficientemente fuertes como para hacer un ascensor espacial en la Tierra (la Luna o Marte es un caso diferente). Es posible que con más conocimiento sobre física encontremos un material que funcione (pero no podemos estimar los costos de eso porque aún no podemos imaginar tal material), y es posible que con más conocimiento sobre física podamos Descubriré que tales materiales son imposibles.
@Peteris ¿Cuántas cosas que antes pensábamos que deberían ser físicamente imposibles resultaron ser posibles? Esto es algo que estoy bastante seguro de que lograremos en unas pocas décadas.
@harsh99 ciertamente es posible que descubramos algo nuevo después de algunas décadas, pero hasta que tengamos una idea de los procesos físicos que podrían hacer materiales tan fuertes, no podemos hacer ni siquiera estimaciones remotas sobre qué actividades, recursos y, por lo tanto, qué costos serían necesarios para hacer uno. Por ejemplo, si los nanotubos de carbono pudieran ser suficientes, sería útil estimar el costo futuro de la producción masiva de nanotubos de carbono; pero dado que nunca pueden ser suficientes (el enlace molecular CC no es lo suficientemente fuerte), esa estimación no nos ayuda a decir cuánto esfuerzo podría necesitar ese material futuro.
@Peteris Sobre eso, ¿no es suficiente DNT?
Y vale la pena señalar que hay tantas cosas que pensamos que podrían ser posibles y con más conocimiento en física resultaron ser permanentemente imposibles. Las leyes de conservación de la termodinámica ponen fin a todo tipo de ideas sobre cómo lograr el movimiento perpetuo o la energía libre; la relatividad puso fin a los viajes de alta velocidad imaginados al descubrir la barrera de la velocidad de la luz.
Hay un límite en lo fuerte que puede ser el material más fuerte posible: la ciencia no mejora ese límite, la ciencia descubre dónde se encuentra el límite acercándose a él lo más cerca posible; y el verdadero límite (que aún no conocemos) podría ser suficiente para un ascensor espacial del tamaño de la Tierra, o bien podría estar por debajo de eso, hasta donde sabemos.
Según tengo entendido, no hay estimaciones actuales de que los DNT sean suficientes, eso aún debe investigarse; no encontré ninguna buena estimación de su resistencia a la tracción que sea lo suficientemente alta. Vale la pena señalar que se informa que los DNT son notablemente mejores que las fibras de nanotubos de carbono actualmente prácticas , no que sean mejores que el tubo único teórico perfecto sin defectos que se usa en las discusiones sobre la viabilidad del ascensor espacial. Los DNT son una forma de acercarse a ese hilo de unión CCCC de fuerza máxima ideal, pero no más allá de eso.
Los ascensores espaciales requieren mucha menos energía para llevar una masa dada a la órbita. A la larga será más barato. ¡Mucho!
@GdD Creo que depende de dónde se construya el ascensor espacial. Según tengo entendido, no se conoce ningún material lo suficientemente fuerte como para construir un ascensor espacial basado en tierra. Sin embargo, (según tengo entendido) los materiales disponibles comercialmente son lo suficientemente fuertes como para construir un ascensor espacial basado en Marte. Por lo tanto, confiaría más en una estimación de costos para un ascensor espacial en Marte que en uno terrestre. Dado lo que sé (que probablemente sea incorrecto), los cohetes desechables son la opción rentable.
Los cohetes no son tan rentables sin importar cómo se cuente (si alguna vez descubrimos cómo construir un ascensor espacial en la práctica).

Respuestas (7)

Un ascensor espacial seguiría siendo increíblemente útil

Los dos factores que vienen a la mente son formas de poder y escala:

Energía

Con un ascensor espacial conectado a tierra, podrías usar la energía de tu red eléctrica para levantarlo todo. Al hacer esto, podemos utilizar energías verdes y renovables.

Con los cohetes, dejando al descubierto cualquier avance masivo, estamos restringidos al uso de energía química. Entonces, no solo tenemos que fabricar específicamente el combustible, sino que todo el proceso puede ser menos eficiente. Sin mencionar los efectos ambientales de quemar millones de toneladas de metano si quieres algo grande en órbita.

Escala

Lo más probable es que podamos poner en órbita masas mucho más grandes a la vez con un ascensor espacial. Incluso con el sistema BFR de SpaceX, una gran nave en órbita tiene que repostar varias veces para llegar a cualquier parte. Con un ascensor espacial, potencialmente podríamos poner en órbita una nave completamente cargada de combustible (sin necesidad de tener propulsión en la atmósfera a bordo) de una sola vez.

Dicho todo esto, todavía necesitamos ENORMES avances en la ciencia de los materiales para que cualquier ascensor espacial sea viable.

Otra ventaja que vale la pena considerar, pero demasiado pequeña para su propia respuesta: el perfil de ascenso más lento de un ascensor espacial también tiene un entorno de aceleración/vibración mucho más amable para sus cargas útiles, lo que reduce los costos de ingeniería y construcción para varios tipos de cargas útiles.
Muchos sistemas de lanzamiento no queman metano sino oxígeno líquido + hidrógeno líquido que crea nada más que vapor de agua. Pero el argumento del uso de la energía también se aplica aquí, por supuesto.
No solo puede usar la energía de la red eléctrica para poner cosas en órbita, sino que puede recuperar la mayor parte de esa energía (menos las pérdidas por fricción, etc.) cuando la vuelve a bajar a la superficie. De hecho, podría convertirlo en un generador de energía acoplando un pequeño asteroide y bajando piezas al suelo :-)
@jamesqf ¿No funcionaría eso solo con cosas que ya estaban casi exactamente en la órbita correcta? Eso parece una ocurrencia bastante rara.
¿Qué pasa con el mantenimiento?
Los ascensores espaciales son increíblemente inútiles . Principalmente. En cuanto a poner las cosas en órbita, no ahorrarán mucha energía, ya que la elevación es una pequeña parte en comparación con la velocidad orbital. (Y requieren altas cantidades de unobtainium para empezar).
Los ascensores espaciales en realidad pueden poner cosas en órbitas, pero solo en órbitas más altas. Si dejas algo en GEO, en realidad permanecerá allí y tendrás una especie de órbita a medida que te acerques. Además, ningún sistema de lanzamiento actual utiliza metano, el más común es el queroseno o el hidrógeno.
Los ascensores espaciales deben estar en el ecuador, y no hay mucha red eléctrica, ni ninguna otra infraestructura del Primer Mundo, en realidad, en el ecuador o cerca de él.
@BeB00: Obviamente, tendrías que mover cosas (como pequeños asteroides) a la órbita correcta para acoplarse con el elevador, pero eso es bastante fácil de hacer.
@Jens: Los ascensores ahorrarían MUCHA energía. Si lanza algo con un cohete, la mayor parte de la energía se gasta levantando el combustible. Véase, por ejemplo , en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation o reflexione que el Saturno V utilizado para misiones lunares entregó alrededor del 4% de su masa de despegue a la órbita terrestre. OTOH, si su ascensor espacial usa energía eléctrica, el "combustible" es esencialmente sin masa.
@Jens Creo que un punto crucial que te estás perdiendo es que un ascensor espacial no solo levanta cosas, eso parecería algo inútil debido a que "el espacio no es alto, pero es rápido ". Un ascensor espacial eleva cosas y, al hacerlo, también las acelera, porque la frecuencia angular es constante, por lo que la velocidad depende linealmente del radio. — Incluso si solo sacara cosas del potencial de gravedad de la Tierra, eso sería muy útil: la razón por la que necesitas ser tan rápido en LEO es que todavía está muy profundo en el pozo de potencial. Más lejos, tampoco necesitas tanta velocidad.
@jamesqf pero luego estás gastando energía en forma de combustible para cohetes (que de todos modos debe ser puesto en el espacio) para capturar estos asteroides. Sospecho que nuevamente, la región donde la ganancia de energía excede la pérdida de energía es bastante pequeña, y me imagino que hay muy, muy pocos asteroides en esa región.
@BeB00: No necesitas combustible para cohetes para mover un asteroide. Todo lo que necesita es un controlador de masa o un motor de iones, con un reactor nuclear (o energía solar, si tiene paciencia :-)) para proporcionar energía. Utiliza parte del material del propio asteroide como masa de reacción.
@jamesqf está bien, pero seguirás usando energía de alguna forma. Soy escéptico de que haya más de 5 asteroides en total que podrían estar cerca de ser factibles para este método. No tengo conocimiento de ningún asteroide que orbite alrededor de la Tierra (excepto uno o dos troyanos terrestres), por lo que tendrías que llevar un asteroide de algún otro lugar del sistema solar a una órbita exacta alrededor de la Tierra. Esto parece altamente inverosímil. Tal vez esto sería útil para desorbitar satélites hechos por el hombre, pero no creo que alguna vez obtenga una ganancia neta de un asteroide.
@BeB00: No sé si habría una ganancia neta, pero ese no es realmente el punto. Cualquier cosa que hagas bajar el ascensor espacial genera electricidad. Si trae más de lo que envía, por ejemplo, minería y fabricación basadas en el espacio, genera más electricidad (ignorando las pérdidas) de la que usa enviando cosas. Justo lo contrario de un cohete, donde usas grandes cantidades de energía para levantar el cohete y el combustible, solo para ver cómo se calienta al volver a entrar.

Los cohetes sufren la tiranía de la ecuación de los cohetes. Si bien un cohete reutilizable es excelente, debe quemar una gran cantidad de propulsor por cada kg de masa para alcanzar la velocidad orbital.

Un ascensor espacial puede robar impulso del propio planeta para proporcionar la velocidad necesaria para alcanzar la velocidad orbital (o más).

En general, el gasto energético rápido es menos eficiente que el lento. Los ascensores permiten utilizar energía eficiente (energía solar o lo que sea) para levantar carga (carros trepadores eléctricos). Los cohetes requieren combustible de alta densidad de energía (combustible para cohetes) para quemarse y elevarse hasta el lugar donde lo utiliza el combustible para cohetes anterior.

La parte 'difícil' de un elevador espacial es la ciencia de los materiales requerida; carecemos de materia que tenga la resistencia a la tracción requerida en escalas humanas en un laboratorio controlado, y mucho menos en escalas industriales al aire libre. Una vez que se resuelva, tenemos el problema de construirlo en su lugar, construir una fábrica en órbita, esquivar los escombros y el clima, diseñar elevadores, etc., cada uno de los cuales son problemas de mayor escala que el Programa Apolo.

Los cohetes reutilizables reducirían el costo de llevar cosas a la órbita, pero los costos del combustible seguirían siendo altos. Esta tecnología de lanzamiento barata abriría la posibilidad de construir fábricas (costosas) en el espacio y/o mover asteroides a su posición para proporcionar el otro extremo del ascensor espacial. Así que muy posiblemente sean un requisito previo para el ascensor.

Una vez que tienes el elevador, el costo de la energía de elevarse a la órbita se desploma y se convierte básicamente en electricidad (a los precios actuales de 1 $ por kg a la velocidad orbital). Actualmente cuesta en el orden de 10000 $ por kg. Los cohetes reutilizables confiables podrían reducir eso, pero probablemente a 1000 $ o 100 $ s de dólares por kg, no a dólares individuales por kg.

Los ascensores espaciales tienen una capacidad limitada, por lo que, si bien los costos de energía pueden ser de 1 $ por kg, los precios pueden ser similares a los de la tecnología de la competencia hasta que la demanda sature la tubería. Sin embargo, el primer ascensor espacial se puede usar para construir el segundo, y tendrías algo similar a una revolución industrial, una expansión económica exponencial a medida que el costo de llegar al espacio converge con el costo de la energía.

A 100 $ -1000 $ /kg en órbita, los viajes espaciales de los humanos requieren una pequeña fortuna por persona. El espacio puede abrirse a la industria y los robots, pero no a la migración.

A 1 $ /kg para orbitar y 2 $ /kg para Lithobraking en Marte (sin incluir el tiempo de viaje), el sistema solar se convierte en nuestro patio trasero.

LOL @ litobraking! Esperemos que ese no sea el plan de desaceleración cuando enviemos humanos a Marte :)
@Brian RyanMars ofrece opciones de transporte premium a un precio más alto.
@Yakk "cada uno de los cuales son problemas de mayor escala que el programa Apollo" ¿En serio?
@harsh99 Sí, de lejos. El programa Apolo consistía en mover una sola nave pequeña a la luna, aterrizar, despegar y regresar a la Tierra. Estamos hablando de construir una megaestructura, algo en muchos sentidos más grande de lo que la humanidad haya construido jamás, principalmente en el espacio exterior (a menos que cuente sistemas como autopistas interestatales o sistemas ferroviarios como estructuras únicas). Construir un tallo de habichuelas en la Tierra (acostado, por ejemplo) sería una empresa ridículamente enorme; construirlo en órbita tiene "detalles menores" que son en sí mismos enormes.
@Yakk, esta idea puede sonar realmente ridícula en esta etapa. ¿Cómo sería para los robots autónomos que toman el carbono atmosférico y lo convierten en la estructura requerida? Solo será necesario enviarlos una vez y luego pueden deslizarse lentamente hacia abajo con el control de tierra adecuado. Por supuesto, desarrollarlos sería en sí mismo un problema de costos, pero creo que de esa manera debería ser comparativamente más barato.
También tengo algunas ideas alternativas para los escaladores después de jugar Halo 5. Mira este video: enlace
@ harsh99 La forma práctica de construir un tallo de frijol es comenzar con la masa en una órbita geosincrónica y extruir la estructura hacia abajo y posiblemente hacia arriba. En el suelo, construyes una instalación de montaje (que en sí mismo es un megaproyecto de ingeniería, pero menor como parte de este proyecto). Dificultad para agitar la mano, cuelga el cable que se estrecha constantemente hacia abajo a través de la atmósfera hasta que se conecta a la instalación de montaje. Hay precursores de este tipo de tecnología, como ganchos celestiales y fuentes de agua, que pueden ser más fáciles que un tallo de frijoles completo pero más baratos que los cohetes reutilizables.

Cualquiera que sea el concepto de ascensor espacial que quieras construir, requiere que transportes cantidades masivas de material al espacio, así que no. Tener vehículos de lanzamiento baratos es en realidad un requisito para construir un ascensor espacial. Si el ascensor podría romperse incluso dada su gran masa es otra cuestión completamente diferente.

Si usamos los recursos disponibles en el espacio o el carbono atmosférico para hacerlo, ¿entonces?
@harsh99 Se necesitaría mucho equipo de todos modos, sin importar de dónde obtenga el material.
@jkavalik Suponga que tiene una impresora 3D que procesa materiales del espacio e imprime la estructura directamente con energía solar. O algo similar con el carbono atmosférico. ¿Seguiría siendo caro?
Los comentarios se acercan a Worldbuilding.SE ;)
@ harsh99 imposible de saber: en ese momento podríamos tener cohetes impulsados ​​​​por fusión, o no. Demasiado fi para la ciencia.
Específicamente, comencé mi respuesta con "Cualquier concepto de ascensor espacial que desee construir" porque hay muchos conceptos, pero todos requieren enormes cantidades de material para ser transportados al espacio, generalmente como una compensación entre la complejidad tecnológica del enfoque. a la masa requerida. Es una pregunta difícil de responder si se permite una tecnología que aún no existe, así que no quería entrar en detalles.

Un ascensor espacial, sin importar de qué tipo de unobtanio esté construido o cómo funcione, tiene una ventaja imbatible sobre un cohete: las cabinas del ascensor no necesitan llevar su combustible consigo. La gran mayoría de la energía involucrada en el lanzamiento de un cohete se destina a transportar combustible para cohetes a velocidades y altitudes cada vez mayores; poder dejar su fuente de energía en el suelo es una gran ganancia de eficiencia.

La frase tiranía de la ecuación del cohete no es solo poesía.

Y si los "nanotubos de carbono de 22 500 millas de largo que pueden contener docenas de toneladas de peso sin ser desgarrados por la fricción de la oruga" en realidad resultan ser unobtanium, youtube.com/watch?v=iAXGUQ_ewcg un láser que obtiene como máximo, una eficiencia del 2,5% no es mucho mejor, si es que lo es, que la ecuación del cohete.
@RonJohn: No estoy seguro exactamente de cómo el video derivó eso, pero probablemente estaba considerando usar paneles fotovoltaicos controlados por láser. Investigaciones muy recientes han demostrado que es posible crear generación de energía de rectenna directa en longitudes de onda ópticas, con una eficiencia mucho mayor en una longitud de onda particular. Aquí, eso debería dar un sólido aumento de cuatro veces en la eficiencia, o al menos un 10 %, suponiendo que los otros cálculos (desconocidos) fueran correctos.
@RonJohn, ¿los láseres son la única opción?
@harsh99 tendrá que preguntar a los ingenieros y científicos que estudian qué se necesitaría para desarrollar ascensores espaciales. La razón por la que los láseres se dan como fuente de energía es que están basados ​​​​en tierra y, por lo tanto, el rastreador no tendrá que llevar consigo la enorme masa adicional de su fuente de energía (que es el propósito de deshacerse de los cohetes).

Otro punto interesante: lo difícil no es levantarse , es ir rápido .

Presumiblemente, dado que el ascensor está atado al suelo, ya va rápido, lo suficientemente rápido como para permanecer en la órbita geoestacionaria, eh...

Dado que para cuando lo que sea que estés moviendo en el espacio llegue a la parte superior del elevador, irá a la misma velocidad, debería ser mucho más fácil ya que solo necesitas seguir moviéndote.

Para cargas útiles pequeñas, lentamente, una a la vez, desde un mismo punto en la superficie en el ecuador. Logísticamente muy sensible. Las cuerdas están por diseño altamente expuestas y desprotegidas. Es una inversión demasiado grande e inflexible para que valga la pena. El poder puede ser transmitido. El combustible es muy barato y abundante. Asteroides de baja gravedad de los que uno puede saltar con un traje espacial, por lo que el concepto es inútil en baja gravedad y no se puede deshacer en la gravedad de la Tierra. La Luna sería el único candidato potencial (a menos que su excentricidad lo arruine). Si se puede construir allí sin usar nada de carbono (no disponible en la Luna).

En el libro "Las fuentes del paraíso", de Arthur C. Clarke, se menciona que un ascensor espacial puede regenerar parte de la electricidad que utiliza para mover material frenando electrónicamente a medida que baja el material, como el frenado regenerativo de los coches eléctricos. .

También existe la posibilidad de un rescate real, en caso de que algo salga mal. Hay una sección muy intensa del libro que implica una maniobra de rescate, que también implica "pensar fuera de la caja". Explicaría más, pero no quiero soltar ningún spoiler.

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

Creo que el libro también menciona que con el ascensor espacial, no necesitas alcanzar la velocidad de escape hasta llegar al final del ascensor. Dado que está en el espacio, la velocidad de escape desde ese punto debería ser considerablemente menor que desde la superficie. Menos resistencia del aire también debería hacer que sea más fácil de alcanzar.

Los cohetes funcionan con una restricción de empuje exponencial. Cuanto más quieras poner en el espacio, más combustible necesitarás para despegar. No es solo que estés levantando 10 libras en órbita, sino que también estás levantando todo el combustible para llegar allí. Las tripulaciones de cohetes tienen que tomar decisiones sobre la importancia de los artículos para una misión, porque esas 10 libras de carga pueden significar algo así como 10,000 libras más de combustible. Tal vez esto se explique por la tiranía de la ecuación del cohete, pero no tengo las habilidades para entender eso.

Debido a que hay tanto combustible en el lanzamiento de un cohete, es costoso. La electricidad, por otro lado, es relativamente barata. Los generadores renovables y nucleares prácticamente lo han garantizado. Además, con la altura adicional del ascensor espacial para atravesar la atmósfera, se podrían agregar paneles solares a la torre, lo que le permitiría generar parte de su propia energía, más allá del frenado regenerativo mencionado anteriormente.

Más allá de lanzar cosas al espacio, un ascensor espacial podría ser un punto de partida para un anillo alrededor de la Tierra, a la altura orbital. Esto a su vez podría ser una plataforma para un recinto planetario completo. Ambas ideas se mencionan en varios libros que he leído, pero no puedo recordar en este momento. Ambos tienen sus ventajas en la economía y más allá.

Volviendo a "Las Fuentes del Paraíso", habla de familias que van de turismo, incluidos los ancianos. Hacer turismo es un gran negocio, y si incluso el bebé y la generación mayor de una familia pueden unirse, entonces realmente tienes algo que atraerá a los visitantes. Bueno, ya sabes, además de poder ver una porción significativa de la tierra de una sola vez, estar "en el espacio" y muchos otros "factores geniales".

El libro también menciona la posibilidad de lanzar cápsulas en muy poco tiempo, como múltiplos al día. En este momento, eso no es posible con cohetes, incluso con cohetes lanzados desde aviones.

El libro es básicamente un ensayo sobre cómo los ascensores espaciales son bastante necesarios para que sigamos en el espacio, expresado en una novela de ciencia ficción. Es un gran libro, ganador de los premios Hugo y Nebula. He disfrutado leyéndolo varias veces.

La velocidad de escape es mayor que la velocidad geosíncrona. El asteroide o lo que sea al final de una cuerda tendría que viajar un poco más rápido que la velocidad geosincrónica, debido a que toda la masa debajo de la órbita del asteroide se mueve a una velocidad orbital más lenta (para la altitud de cada bit). Quizás esto estaría cerca, o al menos lo suficientemente cerca, de la velocidad de escape para permitir una salida fácil del pozo de gravedad de la Tierra.

Pero aun así, la atadura en sí tendría que ser muy fuerte para resistir la tensión que tendría que soportar. Mucha gente ha sugerido que los nanotubos de carbono serían la solución; Sospecho que incluso eso no sería suficiente.

E incluso si pudiéramos inventar los materiales, ¿cómo construiríamos tal cosa? Si capturamos un asteroide, lo ponemos en órbita terrestre baja y trasladamos los materiales hacia él, todavía tendríamos que hacer una conexión de alguna manera. No podemos simplemente bajar el cable a la atmósfera; estaría dando vueltas hasta que (de alguna manera) agarremos el extremo y lo conectemos a la estación terrestre.

Quizás resolvamos todos estos problemas algún día. Pero es un poco más difícil de lo que creo que la mayoría de la gente piensa.

las fuentes serían mejores que las corazonadas
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