Si alguien construyera un túnel de vacío a través de la atmósfera, ¿podría tener una órbita con un perigeo al nivel del mar?

Esto es algo en lo que he estado pensando desde hace un tiempo. Mis estimaciones iniciales para la estructura se basaron en las estimaciones de la gente para un cilindro de O'Neil, pero suponiendo que pueda hacer que la estructura sea una cámara de vacío en lugar de un recipiente a presión, me pareció que la flotabilidad debería ser suficiente para hacer que todo sea bonito. luz.

Me pregunto si alguien tiene algún análisis cuidadoso que pueda empujar esto hacia o lejos de lo plausible.

Editar: lo que he aprendido hasta ahora de nuestras respuestas:

  1. Hacer coincidir una órbita con la rotación de la Tierra limita drásticamente las órbitas
  2. La órbita necesitaría despejar el diámetro de la Tierra
  3. Mantener un tubo largo despresurizado es difícil

Edición 2: me estoy divirtiendo mucho con esta discusión, gracias por seguir mi absurda idea:

  1. La precisión orbital es difícil debido a los efectos gravitacionales de otros cuerpos.
  2. La masa distribuida de manera desigual provoca turbulencias gravitacionales cerca de la superficie de la Tierra
  3. Sería muy beneficioso algún tipo de elementos activos / asistencia electromagnética a la estructura y al satélite.

EDIT 3: solucione el n. ° 5 con la aclaración que obtuve en los comentarios

La densidad del aire al nivel del mar es de aproximadamente 1,2 kg/m^3. Para ser flotante, la estructura debe tener una densidad equivalente más baja. ¿Existen materiales/diseños que puedan satisfacer eso Y resistir los 101 kN/m^2 de presión de aire? Luego, a medida que asciende, la estructura debe ser más liviana debido a la densidad decreciente.
No estoy seguro si la densidad del material está dictada por esos números, ya que están anclados en diferentes dimensiones de la estructura. Si bien ciertamente no soy un ingeniero estructural, tiene que haber algún tipo de bonificación de megaestructura si los requisitos de presión son por m ^ 2 y la flotabilidad es por m ^ 3.
Puede 'dirigir' el vehículo electromagnéticamente mientras está dentro del 'túnel' y por cualquier medio apropiado cuando está fuera del túnel. Si la estructura se ensanchó en la entrada y la salida, podría aplicar la corrección de precesión en la salida y la aproximación. Esto sería inmensamente difícil y costoso, por lo que posiblemente no sea más difícil que el resto de la tarea :-).
Una pregunta fundamental: ¡¿Para qué?!
Creo que, en última instancia, en una civilización industrial donde tanto la tierra como el espacio eran parte integral de la economía, no querrías gastar enormes cantidades de energía transportando cosas. Los enormes costos de capital de una ruta de navegación hacia el espacio pueden parecer menos absurdos.
¿No sería más fácil simplemente eliminar toda la atmósfera? :)
¿Cómo planea iniciar y detener la órbita? ¿O está destinado a permanecer en órbita indefinidamente? Para el transporte, si realiza una media órbita y acelera a 1 g, está gastando más del 50 % de su tiempo de viaje fuera de la velocidad orbital. Entonces, básicamente eres un tren de vacío que va lo suficientemente rápido como para reducir su propio peso a través de la fuerza centrífuga, pero el peso (en oposición a la masa) no es realmente una restricción para los trenes. Entonces, ¿qué problema está resolviendo la órbita?
Había imaginado un tren que pasa por debajo. El problema que está resolviendo es la resistencia del aire. Imagina que tu tren de vacío recorre un continente y sale por este túnel. Ahora tiene un tren de vacío que se puede utilizar para el transporte orbital y no orbital, y una forma de acelerar y desacelerar las cargas útiles orbitales.
Ah, creo que no entendí tu pregunta, hay dos razones por las que elegí una órbita, una es lo que mencioné en el comentario anterior (recuperación de energía de las cargas útiles entrantes), pero la otra es que no estaba seguro de que un túnel flotante sería capaz de ejercer tanta fuerza.
@CarlWitthoft - mejor ponte a cavar... (obligatorio xkcd)
Para el #5, el lugar más fácil para ver esto sería la luna. Aunque carece de una cantidad apreciable de atmósfera, las órbitas cerca de la superficie lunar decaen rápidamente debido a las discrepancias en la gravedad. Estas discrepancias son lo suficientemente significativas como para que su peso en la superficie lunar pueda variar entre un 1 y un 3 % dependiendo de dónde se encuentre.
Wow, eso es realmente interesante, ¿entonces el efecto de esto es mucha turbulencia gravitacional? ¿Hay alguna forma de cuantificarlo?
@brysgo, podría haber exagerado la diferencia (parece que está más cerca de 0.5 - 1%), pero si busca en Google 'órbitas de anomalías gravitacionales lunares' o algo así, obtendrá algunas explicaciones que varían de simples a realmente matemáticas. science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2006/… lpi.usra.edu/lunar/documents/NTRS/collection2/NASA_TP_3394.pdf icubesat.files.wordpress.com/2015/05/…
Dejaré este enlace a The Holes Around Mars aquí.

Respuestas (9)

No, a menos que su estructura esté ubicada directamente en el ecuador y su satélite siga una órbita perfectamente circular, las "órbitas" atmosféricas no son posibles, incluso en un túnel de vacío.

Debido a que la Tierra está sobre un eje de ~23 grados y gira todos los días, no es posible crear una órbita que no tenga precesión de la trayectoria terrestre, excepto las órbitas ecuatoriales. Tendrías que cubrir todo el planeta en túneles para albergar la trayectoria sinusoidal de un satélite no ecuatorial. Si lo que quieres es una órbita ecuatorial, está bien:

Si cavas un túnel alrededor de la circunferencia de la Tierra a lo largo del ecuador y lo despresurizas, podrías poner algo en órbita allí, bajo tierra.

Desafortunadamente, incluso una órbita ecuatorial elíptica no es posible porque el perigeo de la órbita tendría una precesión, lo que nuevamente requeriría cantidades ridículas de túnel.

En cuanto a los desafíos de ingeniería reales: simplemente dijo que sería muy difícil. Dado que el túnel tendría que ser perfectamente circular en todo el planeta, tendrías que lidiar con miles de kilómetros de océano y túneles a través de las montañas. Además, despresurizar (y mantenerlo despresurizado) sería difícil. Si quieres ver un ejemplo de lo difícil que es despresurizar un tubo largo, echa un vistazo a todos los problemas que tiene Hyperloop con sus tubos.

Algunos desafíos serios, gracias.
¿Está seguro de que una órbita geoestacionaria (o cuasi-geoestacionaria) elíptica no es posible con un perigeo en la atmósfera pero sobre el nivel del suelo?
@tfb Hmm, es posible que pueda encontrar una órbita elíptica ecuatorial con un período que sea un incremento de 24 horas; sin embargo, la órbita terminaría con una excentricidad extrema, llevando el apogeo mucho más allá de GEO y posiblemente hacia/más allá del espacio lunar
¡No olvides las corrientes oceánicas, las mareas y la tectónica de placas! Debería tener en cuenta las deformaciones del túnel debidas a fuerzas externas como estas.
@M.Herzkamp de manera realista, el satélite deberá hacer correcciones casi continuamente debido a las perturbaciones gravimétricas, especialmente porque está muy cerca de la Tierra
¿Estás seguro de que una órbita perfectamente circular es posible? Si bien los mascons en la Tierra no son tan drásticos como en la Luna, la masa en la Tierra aún no se distribuye de manera uniforme.
~~No lo harás con un túnel~~ (en realidad, incluso eso es falso), pero debería ser matemáticamente posible crear una órbita de 12 horas y hacerlo con solo dos túneles.
Bueno, haz el túnel realmente grande para que los diversos efectos de precesión no hagan que tu satélite entre en contacto con la pared.
No estoy seguro de cuáles son las tolerancias de precisión, pero un cilindro de O'Neil (las bases para mi estimación de viabilidad inicial) ya es bastante grande. Aunque estoy de acuerdo en que si nos comprometiéramos con un proyecto como este, no estaríamos escatimando en tamaño.
Si el satélite tiene un período de un día sideral, no creo que necesite una órbita ecuatorial. Cualquier órbita servirá, volverá sobre el mismo camino en relación con la Tierra en cada período. (Excepto que la Luna probablemente interferirá con tu órbita).
@FlorianF ¿Cómo se obtiene un período orbital de 1 día sideral en la superficie? ¿No sería el período orbital de unos 90 minutos, como en LEO?
@reirab Estaba pensando en una órbita muy excéntrica, con un apogeo alto.
La órbita del "satélite" en tal túnel podría estabilizarse electromagnéticamente. No lo veo tan imposible, aunque el costo del túnel (particularmente la parte del mar) seguiría siendo astronómico. Probablemente ni siquiera necesitaría un túnel subterráneo en toda su órbita.
Si no me equivoco, ¿no hay nada sinusoidal en un satélite no ecuatorial excepto su proyección en el mapa Mercator?

Tal túnel no es plausible por varias razones.

1. Problemas con las órbitas

En primer lugar, como han dicho otras personas, solo funcionaría para órbitas ecuatoriales que fueran circulares (túnel muy largo) o que tuvieran un período que es un múltiplo racional del período de rotación de la Tierra. Y, nuevamente, como han dicho otras personas, la Tierra real no es lo suficientemente simétrica como para poder escapar sin correcciones orbitales en curso (y hay objetos extraños como la Luna y el Sol que perturban las órbitas, por supuesto). Cualquier error significativo dará como resultado que un objeto que viaje a velocidad orbital golpee el costado del túnel y no querrá estar en ningún lugar cercano cuando eso suceda.

2. El túnel probablemente no se pueda construir

En segundo lugar, es casi seguro que no es posible construir un túnel de este tipo (si descartamos un túnel que rodee completamente el ecuador del planeta, lo que probablemente sea al menos físicamente posible, aunque tendrías que luchar con los físicos de partículas por él, ya que verán un posible uso muy diferente para un enorme túnel circular lleno de vacío).

2a. Problemas de presión atmosférica

Entonces, descartando ese tipo de túneles, considere un túnel abierto (no uno que dé la vuelta a la Tierra) y considere la presión en el extremo abierto del túnel. Cualquiera que sea la altura, habrá algo de presión atmosférica. Si el túnel se evacua inicialmente, entonces esa atmósfera obviamente comenzará a llenar el túnel, hasta que la presión en la parte superior del túnel se equilibre con la atmósfera. En ese punto, el fondo del túnel estará a una presión cercana a la atmosférica en la superficie , si asumimos que está en la superficie. Para lidiar con esto, el túnel deberá bombearse continuamente, y la parte superior deberá ser lo suficientemente alta como para que la cantidad de atmósfera que se filtre sea lo suficientemente pequeña como para que pueda bombearse .

Bueno, digamos que esto significa que la parte superior del túnel debe estar en algún lugar alrededor de la línea Kármán , que tomaré como 100 km más arriba.

2b. Otros problemas de presión

Esto significa que la parte superior del túnel debe estar sostenida por alguna estructura de unos 100 km de altura. ¿Cómo sería una estructura así? Bueno, antes que nada, consideremos la aceleración de la gravedad, gramo , para que sea constante sobre la altura de la estructura: esto es cierto en aproximadamente un 3% para la Tierra, por lo que es una aproximación razonable. Cualquier torre que soporte la parte superior del túnel tiene radio, r que es función de la altura. Y resulta que:

r = r 0 mi − gramo ρ 2 PAG h

dónde:

  • h es la altura de la torre;
  • r 0 es el radio a nivel del suelo;
  • gramo es la aceleración de la gravedad (supuesta constante con h );
  • ρ es la densidad del material del que está hecha la torre;
  • PAG es la presión a la que fluye el material del que está hecha la torre.

Además, la masa que la torre puede soportar a una altura h es:

metro = k r 0 PAG gramo mi − gramo ρ PAG h

Aquí todo es como antes excepto por k que es un factor de fudge determinado por la forma de la sección transversal de la torre, con k ≥ π y la igualdad sólo para una torre circular.

Así que esta torre se vuelve exponencialmente grande en la parte inferior y, dependiendo del material utilizado, puede ser absolutamente enorme. si consideras gramo correctamente, permitiéndole disminuir con la altura como realmente lo hace, entonces las cosas mejoran un poco, pero el cambio en gramo sobre esta altura es demasiado pequeño para ayudar significativamente.

Pero se pone peor: la torre tiene que sentarse sobre algo. Así que por muy bueno que sea el material que uses para hacer la torre, si PAG en la base de la torre es mayor que la presión a la que fluye la roca, simplemente se hundirá en la Tierra. Bueno, hay una razón por la que los planetas no tienen montañas arbitrariamente altas y es básicamente esta.

Entonces, incluso si pudieras encontrar algún material increíble con un nivel muy alto PAG y muy bajo ρ probablemente no puedas construir esta cosa. No he buscado cuáles son los mejores materiales de este tipo.

3. Si pudieras construirlo, no lo harías

Así que supongamos que hemos resuelto el problema de las torres de 100 km de altura para sostener la parte superior del túnel. De acuerdo, espera: ahora tenemos una torre de 100 km de altura en la que podemos levantar una nave espacial y luego lanzarla desde la parte superior, evitando todo el tedioso asunto de la resistencia atmosférica (obviamente, todavía necesitas el muy significativo Δ v para alcanzar la órbita, pero no tiene que preocuparse por todas las complejidades involucradas en conseguir que un cohete atraviese la atmósfera). Entonces, olvídate del túnel, ¡solo usa la torre para levantar naves espaciales y lanzarlas desde la parte superior!

Descargo de responsabilidad: he comprobado lo anterior para la cordura dimensional, pero lo escribí todo con bastante rapidez. Ciertamente, el radio es exponencial, pero puedo tener factores incorrectos.

Esto está increíblemente bien escrito, y estoy de acuerdo en que los desafíos estructurales de presión son tremendos, sin embargo, sus cálculos estructurales asumen una estructura rígida en todo su recorrido, cuando bajo la influencia de la presión del aire, la estructura podría sostenerse (tal vez no estabilizarse) con flotabilidad . La flotabilidad disminuye a medida que te acercas a la línea del carmen, pero también lo hacen los requisitos de presión.
Gran respuesta. Creo que nadie ha señalado todavía, que la tierra tiene una precesión lenta ("tumba") en su rotación, que es otra cosa que hundirá este proyecto, incluso en el ecuador. Además, creo que las perturbaciones más grandes serán diferentes densidades del terreno circundante (dependiendo del apogeo, por supuesto).
Me encanta la idea de un "túnel lleno de vacío" ;)

Este sería un túnel de un par de miles de kilómetros de largo, que se extiende desde la superficie de la Tierra hasta una altitud de órbita terrestre aproximadamente baja en ambos extremos, lo suficientemente fuerte como para mantener el vacío adentro y la atmósfera afuera al nivel del mar, de modo que sus aberturas estén en su lugar. para una estación espacial en una órbita geosíncrona altamente elíptica pasa volando a unos 10,7 km/s, una vez al día.

Y el período de la órbita debe ser un múltiplo entero del período de rotación sideral de la Tierra. Si no es así, tendrás que construir más de uno de estos, porque el primero no estará en posición cuando el satélite regrese hacia el perigeo nuevamente.

No creo que esto sea factible para una civilización excepto como arte a escala planetaria.

No pensé en hacer coincidir el período orbital con la rotación de la Tierra, eso complica un poco las cosas.
¿No crees que, suponiendo que pudiéramos obtener el material para construirlo y automatizar la construcción de manera exponencial, sería mucho más fácil alcanzar la órbita?
@brysgo Si una civilización tiene los materiales que pueden construir algo como este túnel, probablemente le resulte mucho menos complicado construir un ascensor espacial tradicional.
Es significativamente menos material para construir un ascensor espacial, pero el cable del ascensor espacial debe soportar carga, mientras que esto podría ser algo dinámico / flotante, a menos que esté sobreestimando la viabilidad de un globo de vacío. Una suposición basada en la ecuación volumen vs área de superficie de un globo de vacío.
También pensaría que incluso si pudiera resolver los problemas de ingeniería (y elegir una posición ecuatorial), el hecho de que la masa del planeta no esté distribuida uniformemente se vería enormemente magnificado por tal configuración (porque el factor de distancia se acortaría mucho ).
@brysgo una estructura flotante, aunque sin duda una idea inteligente, tendría grandes problemas para lidiar con el viento. Y hay mucho de eso allá arriba.
¿Qué pasaría si las uniones entre las secciones del túnel fueran electromagnéticas y generaran electricidad mientras no había nada en el túnel, pero se volvieran eléctricamente rígidas cuando había algo?
@SoronelHaetir - ¿Puedes dar más detalles? Parece un problema digno de mención
@brysgo: la materia no se distribuye de manera perfectamente uniforme en toda la Tierra, mantener una órbita dentro de un túnel obviamente requeriría que el objeto no toque las paredes, pero esa distribución de masa desigual tendería a desviar su satélite de la línea central del túnel.

No hay una órbita estable alrededor de la Tierra. La Tierra no es homogénea, hay mareas de la Luna, el Sol, etc... bueno, las órbitas sincrónicas con el sol suenan prometedoras, pero uno nunca puede crear una órbita que sea sincrónica con el sol y sincrónica con la luna.

Incluso las órbitas geoestacionarias requieren mantenimiento en posición o el satélite comienza a girar de norte a sur.

En el espacio, un kilómetro o dos a la izquierda o a la derecha rara vez es un problema, en su túnel necesitará un control de órbita bastante preciso de una manera que no comprometa el vacío interior. ¿Probablemente electromagnético? Los satélites más grandes también necesitarán un control de actitud preciso para orientarse al eje del cilindro y mantener un espacio anular suficiente.

Sí, si pudieras construir el túnel de vacío.

Por ejemplo, el satélite Sentinel 1A (que actualmente orbita la tierra cada hora más o menos) está diseñado para mantener su órbita dentro de un tubo virtual de 100 m de diámetro, fijo con respecto a la superficie de la tierra, durante una década. (Al igual que muchos otros satélites DInSAR de detección remota , la calidad y la utilidad de los datos que recopila dependen completamente de cómo exactamente esta órbita vuelve a visitar su propia trayectoria).

Entonces, si su tubo tiene al menos 100 m de diámetro, es posible mantener una órbita dentro de él durante años. Generalmente se elige una órbita que aproveche el achatamiento de la tierra, de modo que preceda naturalmente en sincronía con la rotación diaria de la superficie. A más largo plazo, el control preciso suele estar limitado por la cantidad de propulsor que lleva el satélite (para las maniobras de ajuste), pero si viaja a través de una estructura construida, entonces se pueden hacer ajustes externos a la órbita perpetuamente. Lanzar el satélite con una trayectoria inicial tan precisa también podría no tener precedentes, pero probablemente podría lograrse utilizando una sección del propio tubo como un cañón de bobina electromagnética.

Además, no hay razón para que el perigree (o incluso toda la órbita) no pueda estar bajo tierra, si pudieras construir el túnel de vacío. (La matemática orbital es solo un poco más complicada, ya que la atracción gravitacional neta se reduce a profundidades debajo de la superficie).

Obviamente, construir el túnel sería el mayor desafío. El vacío en sí mismo es probablemente un detalle menor; compare los detectores de ondas gravitacionales de interferómetro láser existentes (como LIGO, que evacua unos 10 km de un tubo de más de 1 m de diámetro, mantenido durante años a una presión de vacío que es aproximadamente un millón de veces más extrema que la órbita de los satélites). Un desafío de ingeniería espacial más práctico (y útil) podría ser algo así como una cinta de ascensor espacial lunar.

Me encantan los ejemplos citados aquí, creo que las preguntas del abogado del diablo aquí serían si las estructuras podrían manejar mayores perturbaciones desde la órbita inferior.

Esto pretende ser una adición a otras respuestas. Es más que un comentario, ya que (con suerte) vale la pena mantenerlo:

Puede 'dirigir' el vehículo electromagnéticamente mientras está dentro del 'túnel' y por cualquier medio apropiado cuando está fuera del túnel.

Si la estructura se ensanchó en la entrada y la salida, podría aplicar la corrección de precesión en la salida y la aproximación.

Esto sería inmensamente difícil y costoso, por lo que posiblemente no sea más difícil que el resto de la tarea :-).

Sí, así es como me imaginaba superar el problema del viento que sopla el túnel también.
También vale la pena mencionar que el satélite iría a más de 7,9 km/s mientras está en el túnel, por lo que un cambio de dirección de 1° requeriría al menos 138 m/s (497 km/h) de delta-v. Si bien debería ser posible cambiar la órbita general, dudo mucho que pueda salir de una falla espectacular si el túnel se deforma.
Con lo que estoy luchando es con la aparentemente estabilidad que proviene de tal velocidad yuxtapuesta con la imprevisibilidad debida a la turbulencia gravitatoria, si las fuerzas son tan extremas, ¿simplemente destrozarían el satélite, y si no son tan extremas, no podrían? ¿simplemente compensas con una aplicación de fuerza igualmente no tan extrema?
Cambié mi cerebro para imaginarlo como browniano y estoy empezando a entender cómo la órbita podría desviarse drásticamente, pero intuitivamente no puedo imaginar que la fuerza delta instantánea aplicada sea suficiente para que una pequeña fuerza de guía continua no sea suficiente. para corregirlo

Tal vez no estoy entendiendo la pregunta correctamente, pero me parece que estás describiendo " anillo orbital ". Puede encontrar más información sobre ellos en Orbital Rings en Wikipedia .

Hay un gran video al respecto en Orbital Rings de Isaac Arthur en YouTube . Hace un buen trabajo al describir las limitaciones físicas frente a las limitaciones de ingeniería.

Perdón por la respuesta corta, pero realmente siento que esos enlaces describen la respuesta mucho mejor que yo. Realmente parece que conocer el término " anillo orbital " debería brindarle la información que está buscando.

+1esta es una respuesta útil, pero si puede agregar al menos algo de texto a su publicación de respuesta que responda "Si alguien construyera un túnel de vacío a través de la atmósfera, ¿podría tener una órbita con un perigeo a nivel del mar?" que sería genial. En Stack Exchange, las respuestas que simplemente apuntan a enlaces donde se puede encontrar la respuesta sin responder se consideran respuestas de "solo enlace" y se desaconsejan por varias razones, una es, por supuesto, que los enlaces se rompen o se pudren y las respuestas pierden todo su valor con el tiempo. . Si bien debemos dirigir la respuesta al OP (pregunta), también debemos escribir para futuros lectores.
No creo que esta sea una respuesta a la pregunta, ya que un anillo orbital estaría sobre la atmósfera, mientras que esta pregunta se trata de una estructura dentro de la atmósfera.
Realmente no responde la pregunta, pero es un gran valor agregado para el paisaje, ya que es un punto medio entre lo que se propone en la pregunta y el concepto de ascensor espacial que inicialmente se descartó como una alternativa aparentemente más viable. Me encantaría ver la respuesta reformulada un poco para cumplir con las pautas de intercambio de pilas.

Diría que, en cierto sentido, ya existen estructuras de vacío tan grandes como, por ejemplo, el LHC . En este momento solo se usan para orbitar protones, núcleos, etc., pero se pueden usar estructuras similares para objetos más grandes, si estos últimos se cargan (o magnetizan) preliminarmente. @Russell McMahon mencionó aquí la dirección electromagnética.

Dependiendo de la marea, podría estar parcial o completamente en el agua, ya que la órbita del perigeo del nivel del mar se mide a través de su línea central de masa, a menos que su túnel de vacío también penetre en el agua, y luego están todos estos lugares con sólidos arriba. el nivel del mar.

Si alguien construyera un túnel de vacío a través de la atmósfera, ¿podría tener una órbita con un perigeo al nivel del mar?
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