1) Nadie ha construido un motor de iones que pueda elevarse desde la Tierra. Su sistema podría funcionar para despegar desde un lugar como Fobos, pero nada más grande. (Y no funcionaría muy bien incluso allí).

2) Los cables más fuertes que existen no te llevarán más allá de la estratosfera antes de romperse por su propio peso. Si utiliza los cables más fuertes que podemos construir para soportar los cables, podemos llegar al espacio, pero subir allí es fácil en comparación con aumentar la velocidad para entrar en órbita.

La propulsión láser puede ser una mejor opción si se dispusiera de energía ilimitada y tecnología imaginaria.

Es decir, se apunta un láser terrestre alimentado desde tierra hacia la base del cohete, y el calor del láser proporciona la energía para calentar el propulsor que se agota para generar empuje.

Por supuesto, esto no se ha demostrado a ningún nivel serio, pero hay pequeños proyectos que lo están considerando.

Hay problemas en la construcción de láseres lo suficientemente potentes, que pueden apuntar con suficiente precisión durante la duración del vuelo de un cohete. Las etapas superiores, por supuesto, seguirán siendo necesarias, ya que la primera etapa PODRÍA permanecer en la línea de visión el tiempo suficiente para funcionar, pero las etapas superiores se perderán de vista con bastante rapidez.

Recientemente, también estoy investigando este enfoque. Parece que las fibras de nanotubos de carbono (CNT) podrían ser una opción prometedora en un futuro cercano de 'lanzamiento de cohetes por cable', debido a su excelente conductividad y alta resistencia.

--------- He aquí algunas ideas y cálculos ----------

Considere el cable eléctrico hecho de Fibras de Nanotubos de Carbono con diámetro$1mm$y longitud$600km$, apuntando a un lanzamiento espacial a la Estación Espacial Internacional (órbita$408 km$, velocidad$7.7066 km/s$). https://en.wikipedia.org/wiki/Estación_espacial_internacional

El peso del cable será$π (0.5 mm)^2 (600 km) (2100 kg/m^3) = 989.6 kg$, dónde$2100 kg/m^3$es la densidad del grafito.

Enrolle el cable y colóquelo en el cohete, con un extremo conectado a la tierra del suministro de electricidad y deje caer (suelte) el cable gradualmente del cohete durante el lanzamiento para que la velocidad relativa del cable sea cero con respecto al suelo durante el lanzamiento.

Ahora, el cálculo de la potencia necesaria .

Suponga que el peso total del cohete es$10,000kg$, con velocidad orbital$7.7066 km/s$y aceleración de$3 g$, la potencia necesaria para acelerar el cohete durante el lanzamiento es$10,000kg \times 4 g \times 7.7066 km/s = 3.018 GW$.

Esta es necesariamente la potencia máxima ya que cuando el cohete alcanza gran altura, su peso disminuirá (gradualmente) y la aceleración es mucho menor que 3g.

Veamos si el nanotubo de carbono puede permitirse este poder. Considere usar electricidad alterna con voltaje$1000kV$, que ya es posible en la realidad. https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power_transmission#Advantage_of_high-voltage_power_transmission

Necesitamos el cable para sostener la corriente eléctrica de$3.018 GW / 1000kV = 3018A$.

La ampacidad de un solo CNT es$10^9 A/cm^2$, que corresponde al máximo$2,500,000A$para nuestro cable (1 mm de diámetro), suficiente. Mientras que en la práctica, la fibra CNT probada solo da$10^5 A/cm^2$, pero con compuesto CNT-Cobre, puede ser$10^7 A/cm^2$. (Datos de "Materiales de nanotubos de carbono de alta ampacidad" https://pdfs.semanticscholar.org/4831/a85d7d32e170ab0eb3639da68aa5ed2de03c.pdf )

Además, el diámetro del cable se puede diseñar para que cuanto más cerca del suelo, mayor sea el diámetro. Luego alrededor$30km$altitud, podríamos insertar un dispositivo (caída de un cohete) en el cable para transformar el voltaje a$10MV$o incluso más grande para el cable restante. El alto voltaje para grandes altitudes podría ser una opción en términos de campo de ruptura de aire ($3 MV/m$).

Aquí hay algunos posibles problemas.

i) El calor en el cable puede ser un problema. La resistencia conductiva del nanotubo es de 1,0×10−8 Ωm, que es de 0,04 Ωm en nuestro cable (0,5 mm de diámetro). Entonces, el calor en un cable de 1 metro en un segundo es (3018A)^2*0.04Ω = 364 KJ, sin considerar la 'reactancia capacitiva'. Mi cálculo podría no ser exacto.

ii) El cable en el aire podría estar roto (posiblemente por el viento). Como el cable solo tiene un diámetro de 1 mm, no parece ser fuerte, incluso un fuerte viento podría romperlo. El cable liberado en el aire caerá con el tiempo (puede que no sea el principal problema debido a la resistencia del aire y al cable delgado), lo que implica que tenemos que dejar caer más cable que la altitud real.$600km$de longitud de cable para órbita$400km$el lanzamiento es solo una estimación, mientras que depende de muchos factores de la longitud del cable. Además, necesitamos un dispositivo adicional para recuperar el cable después del lanzamiento, tal vez podamos usar algún motor alimentado por batería para recoger el cable.

iii) La velocidad de caída del cable desde el cohete (en relación con el cohete) es demasiado alta,$7.7066 km/s$. Tal vez algunos trucos para enrollar el cable de una manera más inteligente reduzcan la velocidad de caída y se podría aplicar la tecnología del volante.

iv) Motor eléctrico para impulsar el cohete. Finalmente, creo que el mayor desafío es cómo construir un motor potente y liviano para impulsar el cohete con la electricidad del cable, especialmente en altitudes elevadas donde la densidad del aire es baja. Esto podría resolverse considerando el lanzamiento de un cohete de dos etapas, mientras que el enfoque del cable solo está destinado a la primera etapa y aplica combustible de hidrógeno para la segunda etapa. Otra forma podría ser comprimir el aire durante el lanzamiento y usar electricidad para acelerar el aire comprimido a alta velocidad en gran altitud. Además, el oxígeno podría recolectarse del aire si se adopta un cohete de dos etapas. Un poco más de discusión podría ser de interés.

v) La nube en$10km$podría ser un problema. En aire húmedo,$1000KV$el voltaje se romperá (podría) romperse. Un dispositivo adicional sobre la nube para transferir el voltaje puede ser una opción. De la tierra a la nube, aplica$100kV$voltaje pero con mayor corriente, por lo tanto, cable más grueso.

--- actualizar ----

El calor de ohmios se corrige, y ahora es$364KWm$, lo que no es posible para un cable de 0,5 mm de diámetro. La solución podría ser elevar el voltaje de$1000KV$a$20MV$y por lo tanto disminuyendo la corriente de$3018A$a$150.9A$, por lo tanto, el nuevo calor será$910Wm$.

vi) Es un desafío transferir energía con un solo cable. https://en.wikipedia.org/wiki/Single-wire_transmission_line A partir de la invención de Tesla, el principio subyacente es que el cohete podría actuar como un condensador, mientras que no es posible cuando el cohete alcanza gran altura. Además, el capacitor del cable en el aire puede afectar ese principio.