El ascensor espacial

El noveno simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas alcanzará mayores alturas en septiembre.

Nota del editor: El Dr. Bryan Laubscher del Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC) será el orador principal en el noveno Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas, que tendrá lugar en septiembre, y en una conferencia abierta de la Universidad de Northampton (UoN) la noche anterior. Laubscher hablará sobre "El concepto y la dinámica del ascensor espacial". Como vista previa, este artículo proporciona algunos antecedentes de la tecnología y las aspiraciones del proyecto. Puede encontrar más información sobre la conferencia de la UoN y el Simposio de ascensores y escaleras mecánicas en www.liftsymposium.org.

El ascensor espacial es un nuevo sueño en el ámbito de los viajes espaciales. Aunque todavía no se ha hecho realidad, ya hay suficiente tecnología para que parezca alcanzable. La idea de una conexión tangible con el espacio exterior, idea que surgió del científico ruso del siglo XVII Konstantin Tsiolkovsky, lleva siglos desarrollándose. En 17, su compatriota ruso Yuri Artsutanov propuso la idea contemporánea de una estructura imponente que no dependiera de la resistencia a la compresión, sino de la resistencia a la tracción. Un satélite en órbita geoestacionaria enviaría un cable a través de la atmósfera hasta el suelo. Desde entonces, esta idea ha encontrado múltiples hogares: una revista científica estadounidense en 1959, en la que cuatro científicos escribieron sobre un “gancho celestial”; una visión de “torre orbital” en 1966 de Jerome Pearson, que maduró la idea trabajando en las matemáticas que sustentaban la teoría; y, por último, incluso se popularizó en la novela de Arthur C. Clark de 1975 Los cimientos del paraíso.

A primera vista, parecería innecesario desarrollar una forma tan innovadora de llegar al espacio, ya que algunos argumentarían que ya se ha convertido en un hábitat: la Estación Espacial Internacional ha sido un hogar permanente para los astronautas desde el año 2000. La razón fundamental, al parecer, es mejorar la accesibilidad. El espacio está tan fuera del alcance, para casi toda la raza humana, como lo estaban la mayoría de los continentes antes de que la expansión de los ferrocarriles conectara tierras lejanas. No sólo eso, sino que los viajes espaciales aún no se han vuelto comerciales o asequibles, y el tránsito no es de calidad ni seguro. Seguramente todo esto lleva a la sugerencia de que tal vez estábamos buscando una solución en el lugar equivocado, utilizando la tecnología equivocada.

El ascensor espacial moderno se parece más a la idea de Artsutanov con el mismo principio fundamental: una delgada correa vertical que se extiende desde el suelo hasta el espacio. Aquí, sin embargo, es donde terminan las similitudes. La última visión requiere una atadura a la Tierra en el ecuador, que se extiende hasta un contrapeso mucho más allá de la órbita geoestacionaria de la Tierra. Dicha órbita está precisamente sobre el ecuador y tiene un radio que proporciona revoluciones a la velocidad correcta para garantizar que un satélite permanezca permanentemente exactamente sobre el mismo punto geográfico de la Tierra. Los vagones elevadores conocidos como "escaladores" ascienden y descienden a la velocidad de los trenes rápidos, con múltiples escaladores atados a una correa al mismo tiempo que transportan carga o pasajeros. Se estima que el viaje tomaría de 4 a 5 días antes de llegar a la órbita geoestacionaria de la Tierra, y se introduciría un nuevo escalador a diario.

Pero el ascensor espacial tiene el potencial de mucho más que simplemente transferir cargas útiles fuera de la atmósfera de la Tierra. El movimiento de rotación en el centro de esta idea podría explotarse y tener una función separada: inyectar cargas útiles en las órbitas de transferencia planetaria. Simplemente cambiando el lugar donde se arroja la carga de la correa, se puede lograr una órbita diferente. Si se libera después de 2,000 km, la carga útil obtendría una órbita terrestre baja. La liberación después de cuatro a cinco días daría una órbita terrestre geoestacionaria. Más allá de esto, permite la inyección transplanetaria, posible porque un mayor viaje a lo largo de la correa aumenta la velocidad de la carga hasta que se mueve lo suficientemente rápido como para escapar de la órbita terrestre. Los miembros del ISEC sugieren la Luna y Marte como objetivos iniciales para los viajes interplanetarios y esperan el uso del ascensor espacial como un sistema de entrega de la infraestructura requerida por los primeros colonos.

En cuanto a la física del ascensor espacial, la atadura se mantiene en posición vertical por la fuerza centrífuga que actúa a partir de la rotación de la Tierra para tirar de la atadura (alejándola de la Tierra) y la fuerza centrípeta tirando de la atadura hacia la Tierra, como una masa que se balancea en círculos en una cuerda. Esto requiere una fuerza tremenda sobre la atadura, por lo que las propiedades del material de composición de la atadura son de gran importancia; a saber, su fuerza específica. La resistencia específica de un material es una relación entre su resistencia y densidad, y los nanotubos de carbono han sido aclamados como el futuro de este proyecto (Figura 1). Una alta resistencia a la tracción y una baja densidad permiten que este alótropo de carbono soporte su propio peso en longitudes mucho mayores que cualquier otro material disponible. Los científicos de ISEC esperan una fuerza específica de 30-40 MYuri, una nueva unidad creada en homenaje a Yuri Artsutanov (1MYuri = 1 millón de Pa / (kg / m3)). Este es un valor más grande que esencial para la creación de una correa, pero, para facilitar la practicidad, los ingenieros han optado por una mayor resistencia específica, algo que se puede lograr fácilmente de acuerdo con las predicciones para los nanotubos de carbono. En cuanto al diseño de la correa, tendría que reducir su grosor hacia la Tierra desde el punto de mayor tensión (en la órbita geosincrónica de la Tierra), donde la correa sería más gruesa, hasta el punto de menor tensión (en la superficie). , donde estaría en su punto más delgado.

Los nanotubos de carbono también son muy elásticos, lo que puede permitirles la flexibilidad para lidiar con la fuerza de Coriolis producida mientras los escaladores ascienden: a medida que la velocidad de la correa aumenta con la distancia de la Tierra a medida que cada escalador asciende, viajarán alrededor. el planeta más lento que la parte de la correa sobre la que está trepando. Esto significa que a medida que la Tierra gira hacia adelante, la fuerza de Coriolis actuará hacia atrás. Este proceso será el mismo pero invertido durante la fase de descenso de cada escalador. El Dr. Bryan E. Laubscher es el fundador de Odysseus Technologies, una empresa con el objetivo de desarrollar estos materiales de nanotubos de alta resistencia. Ulises ya ha inventado una nueva forma de sintetizar tales materiales, completa con experimentos de prueba de principio. También en la junta directiva del ISEC, estamos encantados de que se presente sobre este tema en el simposio.

Se requiere un contrapeso ubicado a una distancia estimada de 100,000 km en el espacio debido a las fuerzas centrífugas y gravitacionales no uniformes que actúan sobre la correa mientras se extiende lejos de la Tierra, y ha habido múltiples sugerencias sobre lo que podría usarse, desde un asteroide capturado hasta un asteroide usado. escaladores a un muelle espacial.

El elevador espacial será impulsado por células solares en escaladores, cada una de las cuales generará electricidad a partir de la luz solar o luz láser emitida desde la base de la correa en la estación terrestre. Uno de los muchos beneficios de esta disposición de energía es que los escaladores no se ven obstaculizados por el peso del combustible que deben transportar los cohetes; mientras que el 90% de un cohete está dedicado al propulsor, el peso adicional de los escaladores solo debe considerar la carga y los pasajeros. Otro beneficio es la mayor seguridad de la empresa que se obtiene al eliminar el peligro de explosión que viene con el combustible para cohetes.

Los escaladores tienen una amplia gama de diseños sugeridos, pero la mayoría espera usar rodillos que les permitan ascender por la correa mediante fricción.

Mantener las funciones de la correa y garantizar su seguridad sería el trabajo de los escaladores de mantenimiento, que se ocuparían de los daños por escombros pequeños y realizarían inspecciones constantes. Sin embargo, todos los escaladores cuentan con sus propios sistemas de propulsión para protegerse de los inevitables satélites y grandes trozos de basura espacial. Se espera que este diseño sea suficiente para alejar la correa del daño (y que la correa se doble para adaptarse a este movimiento).

Construir el ascensor espacial es un desafío, ya que la cuestión de cómo suspender millas de cinta de sujeción desde el espacio exterior hasta la Tierra no tiene una respuesta simple (Figura 2). Requerirá múltiples etapas. La primera etapa consiste en utilizar cohetes para elevar una cinta de semillas de nanotubos de carbono que pesan 80 T a la órbita terrestre baja. A partir de ahí, la cinta de semillas se ensamblará en una cinta más larga antes de que sea impulsada por cohetes adicionales a la órbita terrestre geosincrónica y se permita que se estabilice. A partir de esta cinta inicial, se agregará más y más material, extendiendo la correa hacia el espacio exterior y hacia la Tierra hasta que el extremo de la parte más baja de la cinta se tira hacia abajo por la gravedad. Luego, la correa será capturada y anclada en la estación terrestre.

A partir de ese grosor inicial, la correa se expandirá continuamente. Tiene una capacidad de elevación tan grande que incluso un grosor de 7 cm podría conducir a la transferencia de 1,000 T de material por día, comparable a tres Estaciones Espaciales Internacionales completas cada día. La reducción del precio por kilogramo es fenomenal. Actualmente cuesta aproximadamente US $ 20,000 por kilogramo enviado al espacio para cada carga útil. El ascensor espacial podría reducir eso a meros dólares.

Sin embargo, por ahora, el proceso de desarrollo es clave. La misión de un pionero es primero, simplemente experimentar con tecnologías conocidas, por ejemplo, Kevlar®, sobre la viabilidad de mover masas hacia arriba y hacia abajo en una cinta. Esto se intentó por primera vez en 2006 por LiftPort Group, que estiró la cinta de carbono 1 mi. hacia el cielo usando globos y envió robots para ascenderlo (una prueba que se consideró un éxito, hasta cierto punto). A partir de ahí, ISEC sugiere pasar a la atadura de semillas con el objetivo de que, para 2031, se despliegue y capture una cinta de la forma descrita anteriormente. Luego, se prevé la prueba de una sola cuerda para examinar el flujo propuesto de escaladores como una simulación, mientras que la correa se refuerza continuamente. Las pruebas validarán el rendimiento del sistema según los estándares operativos y conducirán a una capacidad operativa limitada en la que el ascensor espacial realmente comienza a tomar forma. En este punto, se habrá implementado todo el hardware esencial y el personal estará listo para la evaluación. Justo antes de la plena capacidad operativa, se ampliarán los servicios del ascensor espacial; mejorado; y, el ISEC espera, se agregarán nuevas funciones.

La superestructura del ascensor espacial será expansiva (Figura 2). Una estación de tierra, conocida como el puerto de la Tierra, es un complejo que ancla el amarre al suelo y proporciona un lugar para cargar y descargar carga y pasajeros. Un nodo de la órbita terrestre geoestacionaria también se concibe como un complejo para las actividades del ascensor espacial en la parte superior de la cuerda. En el otro extremo estaría el ancla vértice, compuesta por el contrapeso y otro complejo de actividades del ascensor espacial.

Por supuesto, un proyecto de este tamaño debe tener protección, por lo que un volumen de espacio alrededor de cada puerto y nodo, y la propia columna del tether, tendrán un monitoreo similar al del espacio aéreo. La región alrededor del puerto de la Tierra se extenderá desde el fondo del océano hasta el vacío del espacio. Y, para la órbita geoestacionaria de la Tierra y los nodos ápice, habrá una región protegida que abarcará cualquier volumen barrido por la correa a medida que la Tierra gira.

Puede parecer que una de las limitaciones de esta iniciativa es la carga y descarga de mercancías y pasajeros, ya que el anclaje de la cuerda está restringido a lo largo del ecuador. Los seres humanos se han acostumbrado a la idea de que los medios de transporte, como los trenes, sean accesibles a pocos minutos de sus hogares, y los países desearían tener sus propias terminales dentro de sus propias fronteras. Esto es posible porque la única parte de la cuerda o nodo que se desea que sea estacionaria debe permanecer sobre el ecuador, por lo que es concebible tener dos o más cuerdas reflejadas a cada lado de la línea de espejo del ecuador (Figura 3).

La contaminación visual no debería ser motivo de gran preocupación. Mientras que la expansión y la construcción de terminales de trenes en muchos aeropuertos modernos pueden causar consternación, el impacto de un puerto terrestre debería ser mínimo. Sería significativamente más pequeño que un aeropuerto, y el ascensor espacial y cualquier puerto en el espacio solo serían visibles si se captaran con la luz adecuada.

Existe la visión de un ascensor espacial que puede ser un lugar de turismo o un puerto para viajes interplanetarios. Puede ofrecer la capacidad de generación de energía a partir de paneles solares totalmente accesibles o la capacidad de acceder a recursos de la extracción de la Luna. Los visionarios esperan para hospitales y fábricas. Quizás se convierta en una nueva frontera.

Referencias
[1] Aravind, PK "La física del ascensor espacial", American Journal of
Física, pág. 125-130 (2007).
[2] Arthur, I. "Upward Bound: Space Elevators" (2018, 4 de abril).
[3] Donahue, MZ "La gente todavía está tratando de construir un ascensor espacial".
Obtenido de Smithsonian Magazine (www.smithsonianmag.com/
innovación / la gente-todavía-están-intentando-construir-ascensor-espacial-180957877)
(2018, 4 de abril).
[4] Fitzgerald, M., Hall, V., Swan, PA & Swan, CW “Consideraciones de diseño
para Space Elevator Apex Anchor y GEO Node, ”Irvine (Lulu.com)
(2017).
[5] Smitherman, Jr., DV “Space Elevators: An Advanced Earth-Space
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[6] "Elevador espacial". Obtenido de Wikipedia (en.wikipedia.org/wiki/
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[7] “Space Elevator Architectures”, obtenido de ISEC (isec.org/wp-content/
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[8] "Preguntas frecuentes sobre el elevador espacial". Obtenido de ISEC (isec.org/space-elevator-faq)
(2018, 4 de abril).
[9] "¿Qué es un ascensor espacial (en 500 palabras o menos)?" Obtenido de ISEC
(isec.org/2016-05-29-06-04-13/what-is-a-space-elevator-in-500-wordsor-
menos) (2018, 4 de abril).
[10] "Por Original Hochgeladen von Schwarzm am 30". Selbst gemacht mit
C4D/Cartoonrenderer, GNU FDL - Wikipedia en alemán, carga original
29 de diciembre de 2004, por APPER, CC BY-SA 3.0 (commons.wikimedia.
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