La idea de un ascensor que llegue al cosmos cercano es muy tentadora cuando se trata de pensar en formas de salir del planeta. Una gran desventaja de esta idea es que una torre larga y delgada en la atmósfera parece un candidato muy probable para ser dañado por basura espacial, asteroides, etc.
Mi pregunta es, ¿existe una forma realmente efectiva de proteger un ascensor espacial de los elementos del espacio y cualquier otro daño que pueda sufrir?
Mi mente se desvió hacia ideas como escudos en órbita, o posiblemente torretas automatizadas en el exterior de las estructuras establecidas para apuntar y destruir proyectiles. Me encantaría aquí otras ideas.
No es necesario que destruyas los escombros, solo empújalos un poco hacia afuera . La gran mayoría de la basura espacial se rastrea, como han mencionado otros, por lo que sabrá qué es una amenaza mucho antes de que realmente llegue. Golpea los escombros con un láser para alterar ligeramente su trayectoria y podrás evitar colisiones.
Debido a que puede rastrear la mayoría de los escombros, incluso puede comenzar este proceso con mucha anticipación. Los escombros pasarán rápidamente, pero deberías poder golpear cualquier cosa peligrosa varias veces a medida que pasa con cada órbita .
Incluso puede usar este sistema siempre que no esté protegiendo directamente el elevador para volver a ingresar lentamente a los desechos espaciales a medida que pasa. Simplemente disminuya la velocidad de lo que sea que pase y eventualmente las cosas comenzarán a caer fuera de órbita. ¡Limpia el espacio y protege el ascensor, todo a la vez!
En cuanto a las cosas que no se rastrean, deberá poder detectarlas con anticipación, por lo que será necesario algún tipo de equipo de detección, pero ya lo necesitará para la orientación láser. Afortunadamente, las cosas que no se rastrean son cosas muy pequeñas, por lo que será más fácil quitarlas del camino y no necesitarás un aviso con tanta anticipación.
Afortunadamente para cualquiera que quiera un análisis científico exhaustivo de esta opción, no soy muy original y ¡se ha estudiado la reentrada láser de basura espacial! Un documento DOI en particular: 10.1016/j.asr.2012.02.003 profundiza bastante, y citaré algunos de sus hallazgos más importantes aquí.
Primero, ¿qué tan grande es el problema de la basura espacial?
Hay alrededor de objetos grandes (diámetro ≥ 100 cm, masa del orden de 1 tonelada) en LEO, y objetos pequeños (diámetro ≥ 1 cm). El flujo para los pequeños en la región de densidad máxima es de aproximadamente ... [Aplicando estas cifras], la probabilidad de que un objeto grande impacte contra un objeto grande es una vez en años, mientras que la posibilidad de que un objeto pequeño impacte contra un objeto grande es una vez en años.
Una variable parece cambiar de nombre en algún momento de sus cálculos, así que no estoy seguro de cómo se traduce esto en un objeto estacionario, pero nos da una escala de tiempo.
Entonces, si no hacemos nada, tendremos una pequeña huelga cada pocos años. ¡Pero no hagamos nada! ¡Usemos algunos láseres!
En primer lugar, ¿cómo funcionan los láseres para sacar de órbita los escombros? Básicamente, el láser golpea la superficie y sobrecalienta rápidamente el material, vaporizándolo. Sin embargo, este vapor aún se encuentra en el camino del láser, por lo que continúa siendo golpeado por el rayo láser, donde se sobrecalienta un poco más y se convierte en plasma. El plasma se descomprime rápidamente, alejando el objeto y formando esencialmente un pequeño chorro en la superficie del objeto. Después de un tiempo, agregar más energía al sistema es contraproducente, por lo que los autores de este artículo sugieren un láser pulsado, en lugar de uno continuo.
Los autores asumen un período de para el pulso láser, y usando este número, encuentre que necesitan aplicar al objeto para acelerar de manera óptima un objetivo de aluminio.
En un caso práctico donde , si , . Para entregar a un objetivo en rango, el producto debe ser por lo menos , la energía del pulso láser debe ser , y el diámetro del espejo debe ser .
¡Esto significa que los láseres ni siquiera tienen que estar en el espacio! ¡Con la tecnología más actual, puedes implementar un sistema de ellos en la superficie y salir de órbita desde allí!
Los autores encuentran que cualquier objeto con una masa inferior a 1 kg puede volver a entrar en una sola pasada. Los objetos más grandes (su ejemplo dio una masa de 1 tonelada) tardarían varios años en volver a entrar, pero, si recuerda la frecuencia de las interacciones entre objetos grandes, la posibilidad de una colisión catastrófica es muy pequeña, y podemos empujar estos objetos muy fácilmente. fuera del camino en una sola pasada.
Es probable que esto no sea un problema:
Un escudo magnético sería la forma más eficaz de proteger un ascensor espacial de fragmentos de desechos espaciales y radiación cósmica.
Un campo magnético de CC haría que las partículas de alta energía se curvaran y doblaran alrededor de la fuente del campo, protegiendo tanto a los ocupantes como a la carga.
Un campo magnético de CA "energizaría" los materiales inductivos y los "repelería" de la fuente del campo. (Ver Corrientes de Foucault).
Un gran imán superconductor proporcionaría una forma económica de producir el campo magnético. También cumpliría un segundo propósito, el transporte de energía hacia y desde la estación terrestre y la plataforma orbital del ascensor espacial.
Una central eléctrica ubicada en la base del Space Elevator proporcionaría suficiente energía para la nave orbital, el Space Elevator Elevator y el sistema de enfriamiento de imanes superconductores. De hecho, el campo en sí podría usarse para aumentar la integridad estructural del Space Tether.
La atadura en sí tendría que tener "bisagras" para permitir el balanceo, o de lo contrario la fatiga estructural daría como resultado la composición del material de la atadura. Debido a la ley de Newton de las fuerzas opuestas, el campo magnético de la cuerda actuaría sobre una pieza de basura espacial que se aleja, y también sobre la basura espacial. Sin embargo, una pieza de basura espacial que tenga una masa mayor que la propia atadura podría causar una situación de emergencia, especialmente si la atadura no puede apartarse a tiempo.
El libro de ciencia ficción "Web between Worlds" habla un poco sobre este tema.
Sí, la opción más sencilla es utilizar algún tipo de protección física en áreas de concentración de basura espacial. Esto se suma a la masa total de la correa, pero seguramente vale la pena.
Algún tipo de armadura compuesta sería ideal, una combinación de protección de separación para romper grandes pedazos de escombros, una capa amortiguadora para ralentizarlos y luego una nanomalla de carbono para limpiar cualquier cosa que aún se esté moviendo.
Necesitaría reemplazarse regularmente y agregaría una gran cantidad de peso a la correa, pero si puede construir un ascensor espacial, debería ser capaz de construir una armadura compuesta de alta resistencia y baja masa.
El principio básico sería que la armadura debe ser capaz de proteger la correa solo de la basura espacial que no puede rastrear, la basura espacial que puede rastrear podría eliminarse o redirigirse por otros medios.
También le gustaría incorporar redundancia en el diseño, por ejemplo, tener 4 amarres en lugar de 1, con la pérdida de 1 amarre sin causar una falla catastrófica
También tenga en cuenta que, en caso de que se rompa la correa, nada que esté "por encima" de la ruptura caerá a tierra, por lo que todo el costoso equipo de elevación, el puerto espacial, etc. en la parte superior del ascensor estarán a salvo de un reingreso no planificado. Sin embargo , las simulaciones muestran que el contrapeso probablemente abandonaría la órbita terrestre... lo que sería un inconveniente para cualquiera que no quiera ir al espacio exterior. Como tal, otra precaución sensata sería equipar el 'contrapeso' con suficiente combustible para impulsarse de nuevo a una órbita estable. No he calculado si esto sería factible, pero conseguir el combustible allí no sería un problema, ¡después de todo tienes un ascensor espacial! Con toda probabilidad, el puerto espacial en la parte superior se utiliza para abastecer de combustible a las naves para el viaje posterior de todos modos.
Algo que no se menciona en ninguna de las otras respuestas, que creo que debería ser sobre este tema, es la diferencia entre las colisiones entre la basura espacial y algo en órbita frente a un objetivo fijo como un ascensor espacial.
Si alguna vez has visto un gráfico de una órbita sobre el suelo, la trayectoria del suelo parece una sinusoide centrada en el ecuador. Algunas trayectorias terrestres son diferentes para las órbitas polares o geoestacionarias, pero lo único que comparten es que cruzan el ecuador en algún punto y, debido a la precesión, eventualmente su órbita cruzará todos los puntos del ecuador.
Entonces, ¿por qué nos preocupa? Para las colisiones orbitales, le preocupa que la órbita de lo que sea que le interese se cruce con las órbitas de los escombros, muchas órbitas nunca cruzarán la órbita de nuestro objetivo y pueden ignorarse y otras solo se cruzarán con poca frecuencia, y muchos de estos objetos se están moviendo en la misma dirección, por lo que las velocidades de impacto relativas se reducirán.
Un ascensor espacial tradicional debe estar ubicado en o cerca del ecuador, por lo que si se le da tiempo suficiente, cada elemento en una órbita inferior a la geoestacionaria se cruzará en algún punto con nuestro ascensor espacial, no se trata de encontrar los elementos raros en curso de colisión, literalmente todo. lo golpeará, eventualmente. En cuanto a la velocidad relativa, nuestro ascensor espacial está estacionario, por lo que cada impacto es a velocidad orbital, aquí no hay golpes de refilón (en el lado positivo, no hay colisiones frontales de velocidad orbital 2x)
Entonces, dado que todo es una preocupación, tener un ascensor espacial requerirá un programa muy intensivo para rastrear todo en órbita (dentro de ciertos límites de tamaño). No solo mapearlo, sino también realizar un seguimiento activo de los cambios y calcular las próximas colisiones potenciales con el ascensor y tomar las medidas adecuadas. Ahí tienes tres opciones; mueva el elemento a una órbita diferente que no colisione con el elevador por un tiempo, mueva el elevador fuera del camino o absorba la colisión.
Hay varias formas de hacerlo:
Si se trata de un satélite, estación o vehículo en funcionamiento con control de maniobra, necesitaría ajustar activamente su órbita ligeramente para evitar la colisión, y debido a que todas las órbitas eventualmente se cruzarán con el cable, todo en órbita baja a media ahora tiene necesidad adicional de propulsor de mantenimiento de estación. para evitar las colisiones periódicas.
Para elementos más grandes que no funcionan y escombros, querrá que los remolcadores satelitales de eliminación de basura o reabastecimiento de combustible se acoplen al elemento y lo retiren de la órbita o lo vuelvan a colocar en la primera categoría. Esto será costoso, pero debería ser un costo único, ya que finalmente eliminará la mayor parte de la basura grande (si comienza a sacar de órbita activamente los satélites al final de su vida útil).
Para desechos más pequeños, la ablación con láser hace que parte del elemento hierva para empujar el elemento a una órbita diferente que perderá su elevador o saldrá de órbita. Esto proporcionaría cantidades muy pequeñas de delta-V y, por lo tanto, deberá apuntar a los elementos mucho antes de la posible colisión.
Es poco probable que hacer estallar el elemento por completo no sea muy efectivo, solo dejará pequeños fragmentos de escombros que ahora se mueven en muchas órbitas ligeramente diferentes, lo que ahora requiere más seguimiento y evitación de colisiones.
Y si no fuera lo suficientemente difícil, sacar elementos de órbita (nuestro método normal de limpieza de chatarra) tiene algunos peligros nuevos. Estas salidas de órbita son inherentemente impredecibles debido a las complicadas interacciones con la atmósfera. Por lo general, termina con una gran ruta predicha, que debe asegurarse de que nunca cruce su ascensor.
Para que sepa dónde estarán los escombros, solo asegúrese de que el elevador esté en otro lugar:
Los ascensores espaciales no son estructuras rígidas monolíticas, son más como cuerdas realmente largas. A medida que mueve el material hacia arriba y hacia abajo en el cable, desarrollará oscilaciones en el cable, que puede controlar en función de la cantidad y la rapidez con que mueva el material hacia arriba y hacia abajo. Como mínimo, querrá monitorear estas vibraciones para evitar una acumulación peligrosa de movimiento armónico. También puede controlar el movimiento para mover el área de interés unos pocos kilómetros fuera del camino de una posible colisión.
Algunas propuestas han defendido un sitio de suelo móvil anclado a una estructura tipo plataforma petrolera flotante (la mayor parte del ecuador es océano, y en un ascensor espacial, los últimos kilómetros de una montaña en realidad no ayudan mucho). También podría tener el extremo superior o las secciones intermedias provistas de propulsores para permitir el movimiento activo de las secciones del cable. Estos movimientos tendrían límites y causarían vibraciones a lo largo del cable, pero podrían empujar una sección lo suficiente como para evitar una colisión (solo asegúrese de que su vibración no mueva otra sección hacia una colisión).
A veces no puedes moverlos, no puedes esquivarlos y tienes que recibir el golpe, pero hay formas de asegurarte de que no sea un golpe catastrófico.
La redundancia es tu amiga. Una cuerda no está hecha de una gran cuerda, está hecha de muchas, de manera similar, su elevador espacial debe estar compuesto de múltiples cables redundantes interconectados con una distancia de separación entre ellos, por lo que se necesitaría una colisión evitable muy grande para cortar todo el cables, y las roturas de cables múltiples pueden ser soportadas por secciones adyacentes.
Espesor de diseño y factores de seguridad, estos son métodos de diseño de ingeniería estándar. Si algo se va a degradar a una velocidad x y necesita durar y tiempo, lo hace lo suficientemente grueso para que sobreviva hasta que pueda recibir mantenimiento o ser reemplazado. De manera similar, cuando ha calculado qué grosor debe tener algo para no romperse, lo hace más grueso por algún factor de seguridad.
Blindaje, proporcione al cable un revestimiento exterior, similar a un Whipple Shield . Estos escudos se romperían y absorberían los impactos de los micrometeoroides y escombros más pequeños.
Reparación activa, el cable debe tener escaladores robóticos activos que suban y bajen constantemente reparando y reemplazando las secciones dañadas. Es probable que necesite este tipo de tecnología incluso para construir el ascensor espacial en primer lugar, solo tiene sentido mantenerlo en su lugar para el mantenimiento. En un nivel más teórico, podrías usar materiales activos usando nanotecnología que detecten y reparen el daño.
El método actual popular entre los investigadores para proteger un ascensor espacial es "menearlo".
La estación base debe poder mover la base de la correa para amortiguar las oscilaciones de la correa (y estirarla previamente antes de agregar una carga útil): se usaría el mismo mecanismo para configurar una onda que viaja por la atarlo para que no esté donde están los escombros cuando pasen.
Se utilizarían vehículos especializados en reparación de correas para reparar daños causados por escombros indetectables.
El JBIS vol. 69, núm. El número 6/7 se dedicó a los ascensores espaciales y podría ser un buen lugar para comenzar la investigación, si está interesado. £ 15.00 si no puede encontrarlo en una biblioteca local
No es una cuestión de si puedes, es una cuestión de si quieres que tu ascensor funcione durante un período de tiempo prolongado.
Ahora, ¿cómo hacer eso realmente?...
Cualquier cosa que adjuntemos directamente a la estructura, como grandes escudos o cualquier cosa, probablemente haría que nuestra estructura fuera totalmente inviable, agregar tanto peso y volumen realmente dificultaría nuestra capacidad para construir, mantener y usar nuestro ascensor.
No queremos usar armas o misiles para disparar escombros fuera del camino, porque las colisiones/explosiones resultantes crearían aún más escombros con los que tendríamos que lidiar.
Podríamos usar campos magnéticos como ya se sugirió, pero probablemente causarían una interferencia masiva con las comunicaciones y las computadoras a bordo de las naves que salen del elevador...
Nuestra atadura probablemente tendrá que ser muy flexible por dos razones:
Pero aun así sufriremos algún daño de vez en cuando. Por lo tanto, nuestra atadura debe construirse de manera que pueda repararse/sanarse de estos pequeños cortes sin reconstruirse por completo.
A medida que el vecindario se vuelve más concurrido (¡como definitivamente sucederá con nuestro fácil acceso al espacio en nuestro ascensor!), necesitaremos algo más que solo evitar y absorber. Necesitamos satélites capaces de interceptar desechos espaciales y sacarlos de órbita de manera segura. Actualmente, dicho satélite sería ilegal, ya que podría convertirse fácilmente en un arma. Sería trivial apuntar a otros países que operan satélites y sacarlos de órbita, negándoles así el acceso al espacio. Tener armas (o cualquier cosa que pueda armarse) en el espacio es un gran no para el derecho internacional en este momento. Pero en el momento en que seamos capaces de construir ascensores espaciales, la necesidad de recolectores de basura será tan grande que estoy seguro de que se podría llegar a algún tipo de acuerdo para su funcionamiento.
Así que, en definitiva, protege tu ascensor de tres formas:
Sugiero que el mayor problema con una atadura espacial es que cada centímetro es un punto potencial de falla catastrófica.
La solución es... hacer que la estructura tenga redundancias. Las secciones de altitud orbital deberían ser una estructura similar a una malla de diámetro mucho más ancho, o muchos cables más delgados en lugar de uno grande. Estos podrían unirse a intervalos regulares para permitir que las secciones dañadas se separen y reemplacen sin reemplazar literalmente cientos de millas de cable.
La primera regla de la ingeniería de seguridad es asumir que todas las medidas preventivas eventualmente fallarán y el sistema deberá resistir el desastre mismo.
En el caso de que un trozo de escombro golpee la correa a varios kilómetros por segundo o más, es mejor que corte parte del cable que todo.
Para hacer frente a los problemas de peso, podrías hacer que las secciones inferiores tengan físicamente menos hilos.
El peso superior adicional en realidad sería algo bueno, ya que permitiría acortar sustancialmente la longitud total de la correa, ya que actúa como un contrapeso (una función que generalmente desempeña un asteroide capturado o simplemente extiende el cable mucho más de lo necesario)
Pro: el ascensor espacial segmentado es más fácil de reparar y más fácil de construir, así como más resistente a los desastres.
Contras: es probable que los segmentos sean más débiles que un cable contiguo.
Querría combinar esto con otras medidas, como la eliminación/captura/destrucción preventiva de escombros, o empujar el ascensor para que no estorbe. pero ser capaz de reemplazar segmentos parciales de cable in situ reduciría mucho los riesgos de posibles desastres.
Puede protegerlo bastante bien con un sistema de orientación automática basado en torretas. Sin embargo, supongo que quieres algo más complejo.
¡ASI QUE! ¿Qué tal una estructura secundaria, independiente? Uno que es como una campana de panal y absorbe todo el impacto y te permite recolectar dichos escombros.
La base contiene los motores y las piezas de mando que le permiten permanecer en órbita. Creo que la estructura podría servir como una especie de base para el ascensor.
Estoy pensando que esto no es un problema.
Si tiene la tecnología para construir materiales superligeros y superfuertes, necesitaría construir un ascensor espacial práctico, haciendo que dichos materiales sean lo suficientemente fuertes para sobrevivir, o curarse a sí mismos, después de un golpe con basura espacial, o escapar de por cierto, podría ser un tema secundario y trivial.
Comencemos por admitir la derrota y supongamos que no existe una forma práctica de evitar que la chatarra espacial rompa accidentalmente la correa de un elevador espacial. Una vez que la correa está en su posición operativa, podemos esperar una falla catastrófica de la correa una vez cada N días, en promedio, para cualquier valor de N que nos proporcione nuestro análisis.
Entonces, ¿estamos condenados? No, porque siempre podemos colocar varias ataduras una cerca de la otra. Existe la posibilidad de que cualquiera de ellos sea cortado, pero las posibilidades de que todos sean cortados al mismo tiempo son mucho menores; presumiblemente, cualquier basura espacial lo suficientemente grande como para cortarlos a todos a la vez también es lo suficientemente grande como para ser fácilmente destruido. seguido y evitado.
Para facilitar la reparación de una correa cortada, puede hacer que las correas se interconecten a intervalos, de modo que una correa cortada permanezca mayormente en su lugar en lugar de caer a la Tierra (o al espacio).
El mayor problema con el cable del ascensor espacial es que no va a velocidad orbital. Eso significa que cualquier cosa que lo golpee irá a velocidad orbital en relación con el cable.
Para algunas comparaciones básicas de energía cinética, un objeto de 200 g golpeará el cable con la fuerza del cañón principal de un tanque de batalla y un objeto de 20 g golpeará con la fuerza de un automóvil de 2 toneladas a 70 mph. Cada gramo de objeto equivale a unos 10 g de TNT.
Obviamente, el daño acumulado incluso por los golpes más pequeños hará que el ascensor no sea viable.
Simplemente no puede recibir demasiados golpes de los autos de velocidad de la autopista. Afortunadamente, partículas como estas están bien catalogadas. El estándar para partículas espaciales detectadas es de 10 cm. Una esfera de 10 cm con la densidad del plástico es de unos 4 g; con la densidad del acero es de unos 35g. Las partículas de este tamaño deben eliminarse. De acuerdo con un artículo en el Vanderbilt Journal of Law (relacionado con reclamos de responsabilidad espacial, ¡me sorprendió encontrar información en una revista de derecho también!), la Fuerza Aérea está rastreando 21,000 objetos de 10 cm o más, y más de diez veces más. muchas de más de 1 cm.
La eliminación activa de desechos es una técnica que funcionará a largo plazo. Un documento de trabajo de la NASA de 2007 calcula que el factor de reducción efectivo de 200 años para eliminar una pieza de desechos espaciales es 36; eso significa que eliminar una pieza de escombros ahora elimina 36 piezas de escombros futuros (debido a las colisiones que provocan la proliferación de escombros, es decir, el síndrome de Kessler). El estudio también mostró que en lugar de un aumento exponencial de los desechos espaciales a lo largo del tiempo (nuevamente, el síndrome de Kessler), los desechos podrían limitarse a un aumento lineal eliminando solo 5 piezas de basura espacial por año, siempre que estas fueran las 5 piezas más grandes. .
Dado que la colisión en el espacio de objetos grandes simplemente no ocurre en este momento, con un crecimiento lineal de desechos espaciales, un ascensor espacial estaría a salvo de grandes impactos durante mucho tiempo. Dado que se rastrean las partículas de 10 cm y más, en un futuro con ascensor espacial se rastrearían con mayor precisión, y la advertencia avanzada podría permitir contramedidas para evitar colisiones.
En general, hay dos clases de remoción : desorbitación y absorción.
Los objetos más grandes tienen más sentido para salir de órbita. Si solo va a eliminar 5 objetos al año, puede construir un remolcador espacial para empujar suavemente estos objetos a una órbita que los envíe a la atmósfera para que se quemen. Si va a eliminar objetos más pequeños, entonces un láser para empujarlos a la atmósfera también funcionaría bien. Un láser no funcionaría bien en algo del tamaño de un satélite completo, habría demasiado peligro de que el láser generara sus propios desechos.
Para objetos más pequeños en el rango de 10 cm e inferior, puede atraparlos con aerogeles . Un remolcador espacial arrastraría un gran bloque de aerogel por el espacio. Los objetos pequeños impactarían y serían absorbidos por el gel. Esto no es muy rentable y requiere mucho barrido con el tiempo, pero cuando los riesgos son la pérdida de un ascensor espacial, que seguramente cuesta cientos de miles de millones, si no más, entonces valdría la pena.
Nunca podrá barrer todos los objetos más pequeños, incluso con un ejército de remolcadores de aerogel. El espacio es tan grande. Entonces, la última línea de defensa sería blindar el propio cable.
Toda la estructura, incluido el espacio por el que suben y bajan las cabinas de los ascensores, debe estar protegida por una protección contra latigazos . Esto es solo un parachoques para absorber impactos y romper las partículas impactantes en plasma. Como tiene un ascensor espacial, los costos de llevar materiales al espacio para reparar el escudo no son tan altos, por lo que realmente no tiene que ser mucho más que papel de aluminio. Materiales más avanzados como la fibra cerámica podrían estar disponibles y usarse para este escudo.
¡Felicitaciones, ahora tiene un ascensor espacial seguro y en funcionamiento!
Renzler
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