Wie ein Weltraumaufzug funktionieren würde

Ein Weltraumaufzug ist ein vorgeschlagenes Transportsystem, das die Erdoberfläche mit dem Weltraum verbindet. Der Aufzug würde es Fahrzeugen ermöglichen, ohne den Einsatz von Raketen in die Umlaufbahn oder in den Weltraum zu gelangen. Die Fahrt mit dem Aufzug wäre zwar nicht schneller als die mit Raketen, aber viel billiger und könnte kontinuierlich zum Transport von Fracht und möglicherweise Passagieren genutzt werden.

Konstantin Tsiolkovsky beschrieb erstmals 1895 einen Weltraumaufzug. Tsiolkovksy schlug vor, einen Turm von der Oberfläche bis zur geostationären Umlaufbahn zu bauen, der im Wesentlichen ein unglaublich hohes Gebäude darstellt. Das Problem bei seiner Idee war, dass die Struktur durch all das Gewicht darüber zerdrückt würde. Moderne Konzepte von Weltraumaufzügen basieren auf einem anderen Prinzip - der Spannung. Der Aufzug würde mit einem Kabel gebaut, das an einem Ende an der Erdoberfläche und am anderen Ende über der geostationären Umlaufbahn (35.786 km) an einem massiven Gegengewicht befestigt ist. Die Schwerkraft würde das Kabel nach unten ziehen, während die Zentrifugalkraft vom umlaufenden Gegengewicht nach oben ziehen würde. Die entgegengesetzten Kräfte würden die Belastung des Aufzugs verringern, verglichen mit dem Bau eines Turms im Weltraum.

Während ein normaler Aufzug bewegliche Kabel verwendet, um eine Plattform nach oben und unten zu ziehen, stützt sich der Weltraumaufzug auf Geräte, die als Raupen, Kletterer oder Lifter bezeichnet werden und sich entlang eines stationären Kabels oder Bandes bewegen. Mit anderen Worten, der Aufzug würde sich auf dem Kabel bewegen. Mehrere Kletterer müssten in beide Richtungen fahren, um die Schwingungen der auf ihre Bewegung einwirkenden Coriolis-Kraft auszugleichen.

Teile eines Weltraumlifts

Der Aufbau für den Aufzug würde ungefähr so ​​aussehen: Eine massive Station, ein gefangener Asteroid oder eine Gruppe von Kletterern würde höher als die geostationäre Umlaufbahn positioniert sein. Da die Spannung am Kabel in der Umlaufbahn maximal ist, ist das Kabel dort am dicksten und verjüngt sich zur Erdoberfläche. Höchstwahrscheinlich würde das Kabel entweder aus dem All oder in mehreren Abschnitten zur Erde verlegt. Kletterer bewegten sich auf Rollen, die durch Reibung in Position gehalten wurden, auf und ab. Die Stromversorgung könnte durch vorhandene Technologien wie drahtlose Energieübertragung, Solarenergie und / oder gespeicherte Kernenergie erfolgen. Der Verbindungspunkt an der Oberfläche könnte eine mobile Plattform im Meer sein, die Sicherheit für den Aufzug und Flexibilität bietet, um Hindernissen auszuweichen.

Reisen mit einem Weltraumaufzug wäre nicht schnell! Die Reisezeit von einem Ende zum anderen würde mehrere Tage bis zu einem Monat betragen. Wenn sich der Kletterer mit 300 km / h bewegte, dauerte es fünf Tage, um die geosynchrone Umlaufbahn zu erreichen. Da Kletterer mit anderen am Kabel zusammenarbeiten müssen, um es stabil zu halten, ist der Fortschritt wahrscheinlich viel langsamer.

Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind

Das größte Hindernis für die Konstruktion von Weltraumaufzügen ist das Fehlen eines Materials mit einer ausreichenden Zugfestigkeit und Elastizität und einer ausreichenden Dichte, um das Kabel oder das Band aufzubauen. Bisher waren Diamant-Nanothreads (erstmals 2014 synthetisiert) oder Kohlenstoff-Nanotubuli die stärksten Materialien für das Kabel. Diese Materialien müssen noch bis zu einer ausreichenden Länge oder einem ausreichenden Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte synthetisiert werden. Die kovalenten chemischen Bindungen, die Kohlenstoffatome in Kohlenstoff- oder Diamantnanoröhren verbinden, können nur so viel Stress aushalten, bevor sie sich öffnen oder zerreißen. Wissenschaftler berechnen die Belastung, die die Bindungen aushalten können, und bestätigen, dass es zwar möglich sein könnte, eines Tages ein Band zu konstruieren, das lang genug ist, um sich von der Erde bis zur geostationären Umlaufbahn zu erstrecken, aber keine zusätzlichen Belastungen durch die Umwelt, Vibrationen und Erdbewegungen aushalten kann Kletterer.

Vibrationen und Wackeln sind eine ernsthafte Überlegung. Das Kabel ist dem Druck des Sonnenwinds, den Harmonischen (d. H. Einer wirklich langen Violinsaite), Blitzeinschlägen und dem Wackeln durch die Coriolis-Kraft ausgesetzt. Eine Lösung wäre, die Bewegung der Raupen zu steuern, um einige der Auswirkungen auszugleichen.

Ein weiteres Problem ist, dass der Raum zwischen der geostationären Umlaufbahn und der Erdoberfläche mit Weltraummüll und Trümmern übersät ist. Die Lösungen umfassen das Aufräumen des erdnahen Weltraums oder das Ausweichen des Orbitalgegengewichts vor Hindernissen.

Andere Probleme sind Korrosion, Mikrometeoriteneinflüsse und die Auswirkungen der Van-Allen-Strahlungsgürtel (ein Problem sowohl für Materialien als auch für Organismen)..

Das Ausmaß der Herausforderungen in Verbindung mit der Entwicklung von wiederverwendbaren Raketen, wie sie von SpaceX entwickelt wurden, hat das Interesse an Weltraumaufzügen verringert, was jedoch nicht bedeutet, dass die Aufzugsidee tot ist.

Weltraumaufzüge sind nicht nur etwas für die Erde

Ein geeignetes Material für einen erdgestützten Weltraumaufzug muss noch entwickelt werden, aber die vorhandenen Materialien sind stark genug, um einen Weltraumaufzug auf dem Mond, anderen Monden, dem Mars oder Asteroiden zu tragen. Der Mars hat ungefähr ein Drittel der Schwerkraft der Erde, dreht sich jedoch ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit, sodass ein Mars-Weltraumlift viel kürzer wäre als ein auf der Erde gebauter. Ein Aufzug auf dem Mars müsste die niedrige Umlaufbahn des Mondes Phobos anfahren, der regelmäßig den Marsäquator schneidet. Die Komplikation für einen Mondaufzug ist andererseits, dass sich der Mond nicht schnell genug dreht, um einen stationären Umlaufbahnpunkt zu bieten. Es können jedoch auch die Lagrange-Punkte verwendet werden. Obwohl ein Mondaufzug auf der nahen Seite des Mondes 50.000 km lang und auf der anderen Seite noch länger wäre, macht die geringere Schwerkraft den Bau möglich. Ein Marsaufzug könnte einen kontinuierlichen Transport außerhalb der Schwerkraftquelle des Planeten gewährleisten, während ein Mondaufzug dazu verwendet werden könnte, Materialien vom Mond zu einem Ort zu befördern, der von der Erde leicht erreicht werden kann.

Wann wird ein Weltraumaufzug gebaut??

Zahlreiche Unternehmen haben Pläne für Weltraumaufzüge vorgeschlagen. Machbarkeitsstudien zeigen, dass ein Aufzug erst gebaut wird, wenn (a) ein Material entdeckt wird, das die Spannung für einen Erdaufzug unterstützen kann, oder (b) ein Aufzug auf dem Mond oder dem Mars benötigt wird. Während es wahrscheinlich ist, dass die Bedingungen im 21. Jahrhundert erfüllt sein werden, könnte es verfrüht sein, eine Fahrt mit dem Weltraumaufzug in Ihre Eimerliste aufzunehmen.

Literatur-Empfehlungen

• Landis, Geoffrey A. & Cafarelli, Craig (1999). Präsentiert als Beitrag IAF-95-V.4.07, 46. Kongress der Internationalen Astronautischen Föderation, Oslo, Norwegen, 2.-6. Oktober 1995. "Der Tsiolkovski-Turm erneut untersucht". Zeitschrift der British Interplanetary Society. 52: 175-180. 
• Cohen, Stephen S .; Misra, Arun K. (2009). "Der Einfluss des Transits von Kletterern auf die Dynamik von Weltraumaufzügen". Acta Astronautica. 64 (5-6): 538-553. 
• M. Fitzgerald, P. Swan, R. Swan Penny, C. Space Elevator Architectures and Roadmaps, Lulu.com Publishers 2015