¿Podemos convertir la energía de movimiento de los cuerpos (como los satélites) que se mueven alrededor de objetos de alta gravedad (como la Tierra o el Sol) en algún tipo de energía utilizable?
Considere la Tierra y la luna para empezar. Obviamente podemos extraer energía a través de la energía de las mareas (que es algo real, aunque la cuestión económica no es trivial). Esto es posible porque la Tierra gira más rápido que las órbitas lunares.
Sin embargo, esta potencia de las mareas tiene una tasa limitada. Siempre que usemos agua como fluido de trabajo, la tasa máxima teórica de conversión de energía es bastante cercana a la que obtendríamos represando todos los océanos del mundo.
¿De qué otro tipo de sistemas podemos obtener energía? Para responder a esto, sugeriría la siguiente lista de verificación general:
Puedo usar esto para responder a una serie de configuraciones.
órbitas elípticas
Me imaginaré un par de asteroides binarios en una órbita altamente elíptica entre sí. Si considera que la quema es necesaria para circularizar la órbita en el perigeo (el punto más cercano), está tratando de desperdiciar energía cinética quemando sus motores. Obviamente, podrías, en cambio, convertir esa energía extra en energía útil.
Uso los asteroides como ejemplo porque las escalas y las fuerzas pueden manejarse con materiales que realmente podemos construir. Literalmente podrías conectar los dos cuerpos mediante unas cuerdas diseñadas para el espacio. Entonces el proceso de conversión de energía consta de poleas y generadores.
Para compensar el cambio de momento angular, simplemente aceleraría la rotación de los propios asteroides. Incluso si esto resultara en una gravedad efectiva negativa en su ecuador, sabemos que algunos asteroides aún pueden mantenerse unidos. Ciertamente hay algunos sistemas de asteroides binarios donde esto es posible dentro de ciertos límites.
Circular, pero rotatorio
Este es el caso de la Tierra y la Luna. Si está interesado en un proceso más directamente mecánico (absurdo) que la energía de las mareas, entonces puede imaginar algunos. Simplemente construya ascensores espaciales alrededor del ecuador de la Tierra. Luego haga que la estación de contrapeso forme un anillo completo. A continuación, construya un ascensor espacial desde la superficie de la Luna hasta el punto L1 de la Tierra y la Luna, con una fibra que se extienda hasta el anillo de contrapeso del ascensor espacial de la Tierra.
Ahora tiene un sistema con movimiento relativo entre los ascensores espaciales de la Tierra y la Luna que se puede convertir esencialmente en energía al contacto. Las velocidades serían demasiado grandes para algún tipo de conexión mecánica directa (tren espacial), por lo que tendríamos que postular una conexión electromagnética, pero esto no es escandaloso ya que ya estamos en el espacio y (aparentemente) tenemos la tecnología para construir Ascensores espaciales para empezar.
El sistema inicial consta de 1 cuerpo bloqueado por mareas en la órbita con el otro cuerpo girando demasiado rápido. Esta es una propiedad interesante del sistema Tierra-Luna. El estado final es que la Tierra arroja la luna al espacio. Nuestro sistema de extracción de energía aceleraría este proceso. La energía de las mareas también lo hace, pero no tan rápido. La duración de un día terrestre se acortaría más rápido cuanta más energía produzcamos. Si lo hiciéramos el tiempo suficiente, la luna volaría lejos para jugar bolas de billar gravitatorias con el resto de nuestro sistema solar.
Completamente bloqueado por mareas
Esta situación fue el verdadero desafío para mí en el que pensar. No puede obtener energía del movimiento de la órbita o la rotación de los cuerpos, a menos que pueda agarrar otro marco de referencia. Por la formulación del problema, eso no está permitido (tampoco es muy práctico).
Resulta que podríamos obtener energía de este sistema si un cuerpo es más grande que el otro, pero solo energía gravitacional . Así es cómo:
Imagina el sistema Tierra-Luna. El pozo de gravedad de la Luna es bastante pequeño en comparación con el de la Tierra. Entonces, en la luna, lanza rocas a la Tierra con un cañón de riel, apuntando la órbita para que rocen LEO. En LEO, tenga algún sistema receptor que convierta la energía. Esto podría ser un anillo orbital simple (mucho más fácil que un ascensor espacial), aunque la parte de "atrapar" será difícil, todavía es físicamente defendible. Este sistema funcionará totalmente independientemente de la rotación de la Tierra. Puede arrojar rocas en órbitas este-oeste u oeste-este, y usar esto para equilibrar los cambios de impulso de la captura.
En el estado final de este sistema, te queda una gran parte de la masa de la luna orbitando cerca de la superficie de la Tierra (¿seguro? ¿a quién le importa). La órbita circular baja tiene una energía más baja que con la que comenzamos, por lo que concluimos que la energía ganada por el receptor podría ser más de lo que se necesitó para lanzar rocas desde el cañón de riel a la luna. Pero lo más importante es que esto no proviene del movimiento orbital. Proviene de la energía gravitacional .
El sistema final (nuevamente) lanzará la luna al espacio. En LEO, tendría que disipar el impulso adicional, lo que haría mediante la alternancia Este/Oeste, pero para mantener el esquema el mayor tiempo posible, preferiría estacionar la masa atrapada en la órbita Oeste -> Este porque que contiene la dirección correcta del momento angular. Sin embargo, cada carga útil que lances, independientemente de su destino en la Tierra, empujará a la Luna más lejos. La gravedad de la luna en sí misma no es un factor decisivo porque la energía de enlace gravitacional promedio de la luna es pequeña en comparación con la energía de dejar caer algo desde el infinito en una órbita LEO .
Entonces, al final, un anillo orbital gigante de roca lunar está en LEO, una luna sobrante está a punto de volverse rebelde y un grupo de políticos preguntan " ¿y ahora qué?"
La transición que estoy describiendo es una especie de maduración de planetas de Ostwald, donde la energía se minimiza al combinar todos los cuerpos pequeños en cuerpos más grandes, como una consolidación corporativa. Sin embargo, dentro de los sistemas en órbita, aún debe descargar una pequeña parte al espacio para preservar la condición de momento angular. Después de todo, ¡esa es básicamente la razón por la que tenemos una luna en primer lugar! Sería imposible combinar la Tierra y la Luna en un solo cuerpo porque la gravedad no es lo suficientemente fuerte para mantener unido ese cuerpo con su valor actual de momento angular. Al final del proceso, el planeta más grande puede quedar con algo de momento angular (por diseño), y el objeto más pequeño puede sobrepasar la velocidad de escape en cierta cantidad, dictada por la optimización del problema.
Bloqueado por mareas, masas iguales
Este es el sistema más difícil de obtener energía, porque no se puede hacer de forma diferencial . Puede arrojar parte de la masa de un objeto al otro, pero incluso con una eficiencia del 100%, alcanzará exactamente el punto de equilibrio. A efectos prácticos, esto hace que el esquema sea imposible. Tendrás que mover masas a escala planetaria antes de que puedas empezar a obtener una recompensa, y eso no tiene sentido... a menos que tal vez estemos hablando de un sistema binario de asteroides, que podría transferir masa usando una cinta transportadora (literal).
En cuanto a los sistemas a gran escala, la única forma de generar energía a partir de esto es con otro marco de referencia en la imagen.
djohnm
AlanSE