Kosmiczna winda… Na Jowiszu?

W 100% oryginalna koncepcja.

Winda kosmiczna na Jowiszu różni się znacznie od tej zbudowanej na solidnej planecie (Źródło zdjęcia: Jack Rometty).

Koncepcja

Muszę przyjść czysty. Kiedy po raz pierwszy rozważałem napisanie postu na Medium o windach kosmicznych, zamierzałem to zrobić w aplikacjach i zastosowaniach ziemskich wind kosmicznych. Jednak po niecałej godzinie badań odkryłem, że ten temat został już dość dobrze zbadany i nie potrzebowałem w dużej mierze spekulacyjnych, opartych na opiniach opinii na ten temat. Nadal chciałem napisać post o windach kosmicznych, ale chciałem zrobić coś nowego.

Zastanawiałem się więc nad konstrukcją wind kosmicznych na innych planetach i księżycach Układu Słonecznego, co, ku mojemu przerażeniu, zostało również bardzo dobrze zbadane i udokumentowane. Kosmiczne windy na Księżycu mogą być budowane do punktów Lagrange'a Ziemia-Księżyc, w których grawitacja Ziemi i Księżyca znoszą się nawzajem, a kosmiczne windy Marsa są tak praktyczne, że można je było zbudować przy użyciu dzisiejszej technologii i materiałów, ze względu na małą grawitację planety i wciąż stosunkowo szybka prędkość wirowania.

Koncepcja windy kosmicznej Mars.

Czułem się całkiem bezużyteczny. Pomyślałem sobie: „Jakie inne skaliste planety lub księżyce zostały w Układzie Słonecznym, które mogłyby wykorzystać praktyczne zastosowania windy kosmicznej ?!” A potem zmieniłem pytanie. „Dlaczego to musi być skalista planeta?”

Dlaczego Jowisz?

Statki kosmiczne przyszłości będą prawdopodobnie musiały wykorzystywać paliwa nielotne o niskiej masie, aby osiągnąć maksymalną prędkość i ciąg spalin. Przykładem takiego statku kosmicznego byłby statek wykorzystujący napęd syntezy jądrowej, łączący dwa izotopy wodoru, deuteru i trytu, w hel w celu uzyskania ciągu. Deuter i tryt są fantastycznymi źródłami paliwa dla przyszłych statków kosmicznych, ale nie spotykamy ich często na Ziemi, ponieważ siła grawitacji Ziemi nie jest wystarczająco silna, aby pomieścić te atomy o niskiej masie.

Wejdź do Jowisza. Jowisz to dosłownie 9/10 wodoru i 1/10 helu. W tym momencie zastanawiałem się, w jaki sposób można zaprojektować windę kosmiczną, która „odbierze” część atmosfery Jowisza na jednym końcu i przetransportuje część tej masy przez szyb windy do stacji orbitalnej, znacznie powyżej atmosfery Jowisza, aby służyć jako magazyn tankowania dla statku kosmicznego międzyplanetarnego (a może nawet międzygwiezdnego).

Zbliżenie atmosfery Jowisza ze statku kosmicznego Juno.

Ta aplikacja prawdopodobnie mogłaby być zastosowana na dowolnym gazowym olbrzymie, ale Jowisz jest po prostu najbliższym i najbardziej praktycznym wyborem. Kiedy podróżujesz dalej od Układu Słonecznego, uciekłeś już większości potencjalnej energii grawitacyjnej Słońca, w którym to momencie podróżnik międzygwiezdny może zadać sobie pytanie, dlaczego użył tyle paliwa, aby zwolnić do prędkości orbity Neptuna, tylko muszą ponownie przyspieszyć, aby kontynuować podróż.

Projektowanie

Tradycyjna winda kosmiczna składa się z czterech głównych składników; kotwica służąca jako podstawa, stacja orbitalna (lub masywny obiekt) służąca jako przeciwwaga, szyb lub linka łącząca oba, oraz wspinacz lub kabina windy, która wznosi się i schodzi z szybu. Winda kosmiczna musi być zaprojektowana w taki sposób, aby środek masy całej konstrukcji krążył na orbicie geostacjonarnej, tak aby siła dośrodkowa przeciwwagi dokładnie odpowiadała sile grawitacji na kotwicy przymocowanej do powierzchni planety. Tether jest zawsze napięty, więc winda nie wywiera żadnego wpływu na Ziemię, a orbita nie wymaga dodatkowej energii (poza pędnikami manewrowymi), aby utrzymać stabilność windy kosmicznej.

Ziemna winda kosmiczna, która nie wymaga wkładu energii, aby pozostać stabilna.

Zaprojektowanie kosmicznej windy do działania w atmosferze Jowisza będzie zupełnie inne. Ponieważ Jowisz nie ma solidnej powierzchni, „kotwica” będzie musiała być konstrukcją atmosferyczną, utrzymującą się z dala od napięcia kabla i sił aerodynamicznych. Brak stałej powierzchni Jowisza oznacza również, że technicznie nie ma on orbity geostacjonarnej. Nie wyklucza to jednak budowy windy kosmicznej, o ile środek masy okrąża Jowisza na stabilnej, okrągłej orbicie. Jest to ta sama koncepcja, jak wyciąganie kabli o równej masie z dowolnego końca ISS, jednego w kierunku Ziemi i drugiego od Ziemi. Centrum masy zawsze będzie ISS, więc jego orbita pozostanie stabilna. To znaczy, dopóki koniec Ziemi kabla nie uderzy w atmosferę…

Tutaj moja winda kosmiczna najbardziej odbiega od tradycyjnego projektu. Ponieważ jeden koniec windy kosmicznej Jowisza zawsze znajdowałby się w atmosferze zgodnie z projektem, na tym końcu stale będzie działała siła wsteczna, a ponieważ siła ta występuje tylko na jednym końcu windy kosmicznej, również powstały moment obrotowy. Będzie to wymagało ciągów zarówno z kotwicy, jak i obiektu orbitalnego, aby przeciwdziałać tej parze siła-moment obrotowy, aby utrzymać stabilną orbitę.

Schemat windy kosmicznej Jowisza, przedstawiający opór atmosferyczny jako gradient.

Konstrukcja kotwicy mogłaby być podobna do konstrukcji pędnika strumieniowego na Ziemi, gdzie wodór naddźwiękowy wchodzi do jednego końca, jest podgrzewany za pomocą szeregu mikrofal lub laserów, a następnie wyrzucany z jeszcze większą prędkością w celu wytworzenia siły wymaganej do przeciwdziałania przeciągnij z atmosfery. Po drodze procent tej masy zostanie zebrany i wysłany do szybu windy w celu przechowywania go w obiekcie orbitalnym dla stacji tankowania i do wykorzystania w przeciwdziałającym pędniku stacji. Na początku wyobrażałem sobie, że kotwica zanurzy się w atmosferze Jowisza, gdzie ciśnienie będzie takie samo jak na Ziemi: 1 bar.

Mój atmosferyczny wstępny projekt „kotwicy”.

Środek masy windy prawdopodobnie krążyłby względnie blisko „powierzchni” Jowisza (gdzie jego ciśnienie jest takie samo jak na Ziemi, 1 bar), potencjalnie zaledwie tysiąc kilometrów ponad nią. Oznacza to, że prędkość atmosferyczna kotwicy będzie ogromna. Aby to uwzględnić, kotwica i szyb windy muszą być zaprojektowane z diamentowymi naddźwiękowymi przekrojami płatów. Cała długość wału będzie się składać z kilku połączonych odcinków, o długości około stu metrów, aby zapewnić elastyczność projektowania.

Pomysły koncepcyjne na szyb windy, z szybem wodoru na środku i dwoma ludzkimi szybami transportowymi na zewnątrz. Zwróć także uwagę na połączenia, które w trójwymiarze byłyby przegubami kulowymi, aby umożliwić elastyczność 360 stopni.

Wreszcie stacja orbitalna po prostu potrzebuje portów dokowania, aby umożliwić tankowanie, a także własnego pędnika, aby zapewnić przeciwdziałający moment obrotowy z wcześniejszego momentu atmosferycznego. Ogólną koncepcję projektu można zobaczyć poniżej.

Ostateczna koncepcja projektu (nie w skali, lol).

Chrupanie liczb

Od razu wiedziałem, że istnieje zbyt wiele zmiennych, aby spróbować to wszystko obliczyć ręcznie, więc stworzyłem program MATLAB, który pomoże mi iteracyjnie rozwiązać optymalny projekt. Pierwszym krokiem było ustawienie pewnych cech definiujących moją windę, aby nie było tak wielu zmiennych. Użyłem mojej szerokiej gamy intuicji inżynierskiej, aby wybrać niektóre parametry początkowe. Parametry te wraz z uzasadnieniem znajdują się poniżej:

  • Obiekt orbitalny na 2000 km, gdzie ciśnienie atmosferyczne Jowisza jest takie samo jak na Ziemi LEO (gdzie orbituje ISS). Jest to wystarczająco duża wysokość, aby umożliwić tankowanie statków kosmicznych, ale także minimalizuje długość windy, oszczędzając koszty materiałów i konstrukcji.
  • Naddźwiękowe współczynniki oporu wału i kotwy wynoszą odpowiednio 0,2 i 0,5, ponieważ współczynniki oporu naddźwiękowego są zwykle stosunkowo niskie.
  • Przekrój szybu windy ma kształt rombu o długości 10 metrów i szerokości 3,5 metra. Jest wystarczająco duży, aby umożliwić wysyłanie dużych ładunków w górę i w dół, a także mas wodoru.
  • Wymiary kotwy wynoszą 35 * 35 metrów wlotu o długości 100 metrów.
  • 12 kg / s wodoru zbiera się w celu napełnienia zbiornika paliwa. To wystarczy, aby wypełnić Saturn V w ~ 46 godzin, co wydaje się sprawiedliwe.

Następnym krokiem było określenie siły oporu na szybie windy. Wzór na siłę oporu jest następujący:

Formuła siły oporu.

Gdzie:

  • rho = gęstość powietrza
  • A = pole powierzchni w strumieniu powietrza
  • C_D = współczynnik oporu
  • v = prędkość strumienia powietrza

Określenie siły oporu na kotwicy jest łatwe, ponieważ wszystkie te parametry pozostają stałe na stałej wysokości, podobnie jak samolot. Jednak szyb windy mniej przypomina samolot, a bardziej jak bardzo szybkie kołysanie wiadrem na linie. Łyżka (stacja orbitalna) ma największą prędkość, podczas gdy prędkość liny (wał) zależy od odległości od ciebie i ma wolniejszą prędkość bliżej ciała. Dlatego rozwiązanie siły oporu na szybie windy było tak trudne. Dosłownie każda zmienna się zmienia. Gęstość atmosferyczna Jowisza staje się bardziej delikatna na wyższych wysokościach, a prędkość zbliża się szybciej do stacji orbitalnej.

Kosmiczna winda uproszczona do tego stopnia, że ​​jest to po prostu wirujące wiadro z wodą. (* Nie pokazano niczego nie podejrzewającego słabego kołysania dla dzieci *)

Rozwiązanie problemu gęstości powietrza Jowisza było samo w sobie problemem, ponieważ nie mogłem znaleźć w Internecie żadnego modelu reprezentującego warunki atmosferyczne Jowisza. Musiałem faktycznie wymyślić własne wzory do modelowania ciśnienia i temperatury na podstawie danych z Wikipedii, a następnie użyć idealnego prawa gazu do rozwiązania problemu gęstości powietrza. Gdy już wszystkie te zmienne się załamały, mogłem utworzyć całkę do rozwiązania dla przeciągnięcia kabla.

Temperatury i ciśnienia atmosferyczne Jowisza wraz z wysokością.

Kiedy już miałbym całkowitą siłę oporu jako całkę nad wysokością, mogłem określić siłę i moment obrotowy, które atmosfera Jowisza wywołałaby w windzie… Jak kołysanie tego samego wiadra przedtem przez ścieżkę dmuchawy do liści, która popycha ją do tyłu. Pozwoliłoby mi to określić siłę silników, które zapewniłyby przeciwdziałające pchnięcia tego oporu atmosferycznego. To było proste równanie statyki:

Obraz mówi wszystko.

Początkowo rozważałem zastosowanie całkowicie oddzielnego silnika do zapewnienia ciągu, takiego jak napęd termojądrowy lub zepsuta rakieta chemiczna wykorzystująca część zgromadzonego wodoru. Ale potem zdałem sobie sprawę, że ta kotwica jest już zaprojektowana jak gigantyczny wlot ssący powietrze jak strumień, i wszystko, co musiałaby zrobić, to zebrać wodór potrzebny do obiektu orbitalnego, a następnie ogrzać resztę jak diabli, aby zwiększyć prędkość na przeciwległym końcu, aby utworzyć ciąg. Aby określić tę temperaturę, musiałbym znać wymaganą prędkość spalin i ustalić, że muszę rozwiązać problem z masowym natężeniem przepływu. Bułka z masłem.

Równanie masowego natężenia przepływu.Równanie ciągu.

„A” tutaj jest naszą strefą poboru. Okej, więc jest ten mały problem, że nie rozszerzam mojej dyszy do ciśnienia otoczenia (Pe-Po w równaniu), co trochę obniży mój ogólny ciąg, ale przebiegłem szybki kryzys i okazało się, że nie ma to duży wpływ, gdy mówimy o pchnięciach rzędu 10⁸ N (Tak, tyle potrzebujemy). Zatem dla moich celów i celów ciąg jest tak naprawdę tylko masowym natężeniem przepływu pomnożonym przez prędkość wydechu. Pozwoliłoby mi to rozwiązać problem prędkości spalin, a z kolei temperatury komory „spalania” przy założeniu standardowej konfiguracji strumienia.

Temperatury w komorze wymagane dla tego „strumienia strumieniowego” są znacznie wyższe niż tradycyjne silniki strumieniowe tutaj na Ziemi, więc do podgrzania doprowadzanego powietrza do odpowiednich temperatur wymagana jest inna metoda niż spalanie. W tym momencie było tylko jedno rozwiązanie; kuchenki mikrofalowe. Ale mikrofale pobierają energię. Aby rozwiązać problem z mocą, musisz dosłownie dowiedzieć się, jak podgrzać przychodzący gaz poruszający się z prędkością około 40 000 m / s od około 200 K do> 8000 K w odległości wewnętrznej długości kotwicy (może sto metrów?). Tak, potrzebujemy potężnego reaktora jądrowego.

Słońce, z którego 8000 K jest cieplejsze niż powierzchnia…

Teraz mamy wiadro wirujące wokół Jowisza z hipersonicznymi prędkościami krzyczącymi przez atmosferę i przeciwdziałające wszystkim siłom za pomocą własnego zestawu silników, przenoszących masę na wał o długości 2000 km na stację orbitalną, która ma służyć jako stacja tankowania. Rodzi to jeszcze jeden problem… Izaak Newton w najlepszym wydaniu (lub najgorszym).

Kiedy transportujesz masę ciągle w górę szybu windy, wywołujesz siłę wynikową w dół na konstrukcję windy. To niewiele (w porównaniu z masą całej windy), ale wystarczyłoby, aby zdestabilizować jej orbitę na kilka dni lub tygodni. Można temu przeciwdziałać, projektując kotwicę jako rodzaj płata, pod niewielkim kątem natarcia, aby wytworzyć siłę podnoszącą w górę na windę, aby zachować stabilność.

Wszystko inne pozostawiono nauce. Następnie kilkakrotnie uruchomiłem program z kilkoma różnymi wysokościami kotwicy, aby ustalić, który z nich przyniósł najbardziej atrakcyjne wyniki. Oto kilka przykładów:

Zakotwicz przy 0 km (ciśnienie atmosferyczne 1 bar), z zaznaczonymi ważnymi ograniczeniami projektowymi.

Najpierw próbowałem z kotwicą przy ciśnieniu atmosferycznym 1 bar lub 0 km. Najpierw zauważ, że pchnięcie jest gigantyczne, coś rzędu 10¹ N, czyli prawie milion rakiet Saturn V. Po drugie, masowe natężenie przepływu jest okropne i prawdopodobnie wystarczyłoby, aby rozerwać na kawałki jakąkolwiek strukturę kotwiczącą. Prędkość spalin jest znaczną częścią prędkości światła, a temperatura w komorze spalania jest wyższa niż na powierzchni niebieskich gigantycznych gwiazd. Wreszcie, wymagana moc do ogrzania tej komory za pomocą mikrofal i / lub laserów jest zbliżona do mocy 25 000 nowoczesnych reaktorów rozszczepienia jądrowego. To jest po prostu głupie. Oczywiście kotwica musi znajdować się wyżej w atmosferze, w której opór będzie niższy.

Po kilku iteracjach byłem najbardziej zadowolony z parametrów mojej windy, gdy kotwica znajdowała się na wysokości 237 km:

Kotwica na 237 km, z zaznaczonymi ważnymi ograniczeniami projektowymi.

Pęd tutaj jest nieco wysoki, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturn V), a temperatura w komorze przekracza 8000 K o sporo (gorętsza niż powierzchnia Słońca), ale wiele innych właściwości jest dość uczciwych. Masowe natężenie przepływu wynosi poniżej 2000 kg / s, co nie jest niewiarygodnym obciążeniem na kotwicy, a prędkość spalin mieści się w zakresie teoretycznych rakiet rozszczepienia i syntezy jądrowej w bliskiej (ish) przyszłości. Moc potrzebna do podgrzania dopływającego gazu do odpowiedniej prędkości jest porównywalna z energią nowoczesnych średnich reaktorów rozszczepiających, które zasilają miasta na Ziemi, a atmosfera jest wciąż wystarczająco gęsta, aby zebrać wystarczającą ilość paliwa do naszego stanowiska tankowania.

Wniosek

Czy to możliwe? Nie z dzisiejszą technologią, nie. Będziemy musieli wykonać kilka skoków w zakresie napędu, energii jądrowej, kontroli termicznej i materiałoznawstwa, aby ten pomysł stał się praktyczny.

Ale czy to jest praktyczne? Całkiem możliwe. Gdyby statki musiały tylko przewieźć wystarczającą ilość paliwa, aby dostać się do Jowisza, zamiast przewozić całe paliwo również w celu powrotu, statki mogłyby być budowane większe i szybsze, co z kolei zwiększyłoby ich nośność i zasięg.

Cloud City, Bespin, z serii Star Wars.

Wreszcie, czy byłoby fajnie? Do diabła tak, to by! Pomyśl tylko, jak wspaniale byłoby mieć mega-strukturę zbierającą paliwo, krążącą wokół Jowisza na tak niskiej orbicie! Byłby to ogromny wyczyn naukowo-techniczny. Co więcej, świetnie wyglądałoby zbliżanie się do statków, jak jedno z tych dziwnych pływających miast z Gwiezdnych wojen na Bespinie (tylko do góry nogami?)

Czy spędziłem zbyt dużo czasu na tym projekcie? Prawdopodobnie tak. Dzięki za przeczytanie!