Ascensor espacial
Un ascensor espacial, también conocido como puente espacial, escalera estelar y ascensor orbital, es un tipo propuesto de sistema de transporte del planeta al espacio, a menudo representado en la ciencia ficción. El componente principal sería un cable (también llamado atadura) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio. El diseño permitiría que los vehículos viajaran por el cable desde una superficie planetaria, como la de la Tierra, directamente a la órbita, sin el uso de grandes cohetes. Un ascensor espacial basado en la Tierra no se puede construir con una torre alta sostenida desde abajo debido al inmenso peso; en su lugar, consistiría en un cable con un extremo conectado a la superficie cerca del ecuador y el otro extremo conectado a un contrapeso en el espacio. más allá de la órbita geoestacionaria (35 786 km de altitud). Las fuerzas de la gravedad en competencia, que es más fuerte en el extremo inferior, y la fuerza centrífuga hacia arriba, que es más fuerte en el extremo superior, darían como resultado que el cable se sostuviera, bajo tensión y estacionario en una sola posición en la Tierra. Con la correa desplegada, los escaladores podían subir y bajar repetidamente por medios mecánicos, liberando su carga hacia y desde la órbita.
El concepto de una torre que alcanza una órbita geosíncrona fue publicado por primera vez en 1895 por Konstantin Tsiolkovsky. Su propuesta era una torre independiente que llegara desde la superficie de la Tierra hasta la altura de la órbita geoestacionaria. Como todos los edificios, la estructura de Tsiolkovsky estaría bajo compresión, soportando su peso desde abajo. Desde 1959, la mayoría de las ideas para ascensores espaciales se han centrado en estructuras puramente de tracción, con el peso del sistema sostenido desde arriba por fuerzas centrífugas. En los conceptos de tracción, una cuerda espacial se extiende desde una gran masa (el contrapeso) más allá de la órbita geoestacionaria hasta el suelo. Esta estructura se mantiene en tensión entre la Tierra y el contrapeso como una plomada al revés. El grosor del cable se ajusta en función de la tensión; tiene su máximo en una órbita geoestacionaria y el mínimo en tierra.
Los materiales disponibles no son lo suficientemente fuertes y livianos para hacer que un elevador espacial terrestre sea práctico. Algunas fuentes esperan que los futuros avances en nanotubos de carbono (CNT) puedan conducir a un diseño práctico. Otras fuentes creen que los CNT nunca serán lo suficientemente fuertes. Las posibles alternativas futuras incluyen nanotubos de nitruro de boro, nanohilos de diamante y grafeno monocristalino a macroescala.
El concepto es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes. Para ubicaciones en el sistema solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte), los requisitos de resistencia a densidad para los materiales de sujeción no son tan problemáticos. Los materiales actualmente disponibles (como el Kevlar) son lo suficientemente fuertes y livianos como para que puedan ser prácticos como material de amarre para ascensores allí.
Historia
Primeros conceptos
El concepto clave del ascensor espacial apareció en 1895 cuando el científico ruso Konstantin Tsiolkovsky se inspiró en la Torre Eiffel de París. Consideró una torre similar que llegó hasta el espacio y fue construida desde el suelo hasta la altitud de 35.786 kilómetros, la altura de la órbita geoestacionaria. Señaló que la parte superior de tal torre estaría dando vueltas alrededor de la Tierra como en una órbita geoestacionaria. Los objetos adquirirían velocidad horizontal debido a la rotación de la Tierra mientras subían por la torre, y un objeto liberado en la parte superior de la torre tendría suficiente velocidad horizontal para permanecer allí en órbita geoestacionaria. La torre conceptual de Tsiolkovsky era una estructura de compresión, mientras que los conceptos modernos requieren una estructura de tracción (o 'atadura').
Siglo XX
Construir una estructura de compresión desde cero resultó ser una tarea poco realista ya que no existía ningún material con suficiente resistencia a la compresión para soportar su propio peso en tales condiciones. En 1959, el ingeniero ruso Yuri N. Artsutanov sugirió una propuesta más factible. Artsutanov sugirió usar un satélite geoestacionario como base desde la cual desplegar la estructura hacia abajo. Mediante el uso de un contrapeso, se bajaría un cable desde la órbita geoestacionaria hasta la superficie de la Tierra, mientras que el contrapeso se extendería desde el satélite lejos de la Tierra, manteniendo el cable constantemente sobre el mismo lugar en la superficie de la Tierra. La idea de Artsutanov se presentó al público de habla rusa en una entrevista publicada en el suplemento dominical de Komsomolskaya Pravda en 1960, pero no estuvo disponible en inglés hasta mucho después. También propuso reducir el grosor del cable para que la tensión en el cable se mantuviera constante. Esto dio como resultado un cable más delgado a nivel del suelo que se volvió más grueso al nivel de la órbita geoestacionaria.
Tanto la idea de la torre como la del cable se propusieron en David E. H. Jones' columna casi humorística de Ariadne en New Scientist, 24 de diciembre de 1964.
En 1966, Isaacs, Vine, Bradner y Bachus, cuatro ingenieros estadounidenses, reinventaron el concepto, lo llamaron 'Sky-Hook' y publicaron su análisis en la revista Science. Decidieron determinar qué tipo de material se necesitaría para construir un ascensor espacial, asumiendo que sería un cable recto sin variaciones en su área de sección transversal, y descubrieron que la resistencia requerida sería el doble que la de cualquier material existente en ese momento, incluido grafito, cuarzo y diamante.
En 1975, un científico estadounidense, Jerome Pearson, reinventó el concepto y publicó su análisis en la revista Acta Astronautica. Diseñó un perfil de altitud de área de sección transversal que se estrechaba y sería más adecuado para construir el ascensor. El cable completo sería más grueso en la órbita geoestacionaria, donde la tensión era mayor, y sería más angosto en las puntas para reducir la cantidad de peso por unidad de área de sección transversal que tendría que soportar cualquier punto del cable. Sugirió usar un contrapeso que se extendería lentamente a 144 000 kilómetros (89 000 millas) (casi la mitad de la distancia a la Luna) a medida que se construían las secciones inferiores del ascensor. Sin un gran contrapeso, la parte superior del cable tendría que ser más larga que la inferior debido a la forma en que las fuerzas gravitacionales y centrífugas cambian con la distancia a la Tierra. Su análisis incluyó perturbaciones como la gravitación de la Luna, el viento y el movimiento de cargas útiles arriba y abajo del cable. El peso del material necesario para construir el ascensor habría requerido miles de viajes del transbordador espacial, aunque parte del material podría transportarse por el ascensor cuando un hilo de resistencia mínima llegara al suelo o fabricarse en el espacio a partir de minerales asteroidales o lunares.
Después del desarrollo de los nanotubos de carbono en la década de 1990, el ingeniero David Smitherman de la Oficina de Proyectos Avanzados de la NASA/Marshall se dio cuenta de que la alta resistencia de estos materiales podría hacer factible el concepto de un ascensor espacial y organizó un taller en el Marshall Space Flight Center, invitando a muchos científicos e ingenieros a discutir conceptos y compilar planes para un ascensor para convertir el concepto en una realidad.
En el año 2000, otro científico estadounidense, Bradley C. Edwards, sugirió crear una cinta delgada como el papel de 100 000 km (62 000 mi) de largo con un material compuesto de nanotubos de carbono. Eligió la forma de sección transversal ancha y delgada en forma de cinta en lugar de los conceptos anteriores de sección transversal circular porque esa forma tendría una mayor probabilidad de sobrevivir a los impactos de los meteoritos. La forma de la sección transversal de la cinta también proporcionó una gran área de superficie para que los escaladores escalaran con rodillos simples. Con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA, Edwards' el trabajo se amplió para cubrir el escenario de despliegue, el diseño del escalador, el sistema de suministro de energía, la evitación de desechos orbitales, el sistema de anclaje, la supervivencia del oxígeno atómico, la prevención de rayos y huracanes al ubicar el ancla en el Pacífico ecuatorial occidental, los costos de construcción, el cronograma de construcción y los peligros ambientales.
Siglo XXI
Para acelerar el desarrollo del ascensor espacial, los proponentes han organizado varios concursos, similares al Premio Ansari X, para tecnologías relevantes. Entre ellos se encuentran Elevator:2010, que organizó competencias anuales para escaladores, cintas y sistemas de transmisión de energía de 2005 a 2009, la competencia Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, así como el programa Centennial Challenges de la NASA, que, en marzo de 2005, anunció una asociación con Spaceward Foundation (el operador de Elevator:2010), elevando el valor total de los premios a US$400.000. El primer Desafío Europeo de Ascensores Espaciales (EuSEC) para establecer una estructura escaladora tuvo lugar en agosto de 2011.
En 2005, "el Grupo LiftPort de empresas de ascensores espaciales anunció que construirá una planta de fabricación de nanotubos de carbono en Millville, Nueva Jersey, para suministrar estos materiales resistentes a varias empresas de vidrio, plástico y metal. Aunque LiftPort espera eventualmente utilizar nanotubos de carbono en la construcción de un ascensor espacial de 100 000 km (62 000 mi), esta medida le permitirá ganar dinero a corto plazo y realizar investigaciones y desarrollo de nuevos métodos de producción." Su objetivo anunciado era el lanzamiento de un ascensor espacial en 2010. El 13 de febrero de 2006, LiftPort Group anunció que, a principios del mismo mes, habían probado una milla de "anclaje de ascensor espacial" hecho de hilos compuestos de fibra de carbono y cinta de fibra de vidrio de 5 cm (2,0 in) de ancho y 1 mm (aprox. 13 hojas de papel) de grosor, levantado con globos. En abril de 2019, el director ejecutivo de Liftport, Michael Laine, admitió que se había avanzado poco en las elevadas ambiciones de ascensores espaciales de la empresa, incluso después de recibir más de $200 000 en fondos iniciales. La planta de fabricación de nanotubos de carbono que Liftport anunció en 2005 nunca se construyó.
En 2007, Elevator:2010 llevó a cabo los juegos Space Elevator de 2007, que incluyeron premios de 500 000 USD para cada una de las dos competencias (1 000 000 USD en total), así como 4 000 000 USD adicionales que se otorgarán durante los próximos cinco años para proyectos relacionados con elevadores espaciales. tecnologías Ningún equipo ganó la competencia, pero un equipo del MIT ingresó a la competencia como la primera entrada de 2 gramos (0,07 oz) de nanotubos de carbono al 100 %. Japón celebró una conferencia internacional en noviembre de 2008 para elaborar un calendario para la construcción del ascensor.
En 2012, Obayashi Corporation anunció que podría construir un ascensor espacial para 2050 utilizando tecnología de nanotubos de carbono. El escalador de pasajeros del diseño podría alcanzar el nivel GEO después de un viaje de 8 días. En 2016 se publicaron más detalles.
En 2013, la Academia Internacional de Astronáutica publicó una evaluación de viabilidad tecnológica que concluyó que la mejora de capacidad crítica necesaria era el material de amarre, que se proyectó para lograr la resistencia específica necesaria dentro de 20 años. El estudio de cuatro años analizó muchas facetas del desarrollo de ascensores espaciales, incluidas misiones, cronogramas de desarrollo, inversiones financieras, flujo de ingresos y beneficios. Se informó que sería posible sobrevivir operacionalmente a impactos menores y evitar impactos mayores, con meteoritos y desechos espaciales, y que el costo estimado de elevar un kilogramo de carga útil a GEO y más allá sería de $500.
En 2014, el equipo de investigación y desarrollo de evaluación rápida de Google X comenzó a diseñar un elevador espacial y finalmente descubrió que nadie había fabricado aún una hebra de nanotubos de carbono perfectamente formada de más de un metro. Por lo tanto, decidieron poner el proyecto en "congelación profunda" y también estar al tanto de cualquier avance en el campo de los nanotubos de carbono.
En 2018, investigadores de la Universidad Shizuoka de Japón lanzaron STARS-Me, dos CubeSats conectados por una correa, en los que viajará un miniascensor. El experimento se lanzó como un banco de pruebas para una estructura más grande.
En 2019, la Academia Internacional de Astronáutica publicó "Road to the Space Elevator Era", un informe de estudio que resume la evaluación del ascensor espacial a partir del verano de 2018. La esencia es que un amplio grupo de Los profesionales se reunieron y evaluaron el estado del desarrollo del ascensor espacial, cada uno contribuyó con su experiencia y llegó a conclusiones similares: (a) Los ascensores espaciales terrestres parecen factibles, lo que refuerza la conclusión del estudio IAA 2013 (b) El inicio del desarrollo del ascensor espacial está más cerca de lo que la mayoría piensa. Esta última conclusión se basa en un proceso potencial para la fabricación de grafeno monocristalino a macroescala con una fuerza específica superior a la de los nanotubos de carbono.
En la ficción
En 1979, los ascensores espaciales se presentaron a un público más amplio con la publicación simultánea de la novela de Arthur C. Clarke, Las fuentes del paraíso, en la que los ingenieros construyen un ascensor espacial en la parte superior del pico de una montaña en el país insular ficticio de "Taprobane" (basada libremente en Sri Lanka, aunque se trasladó al sur del ecuador), y la primera novela de Charles Sheffield, La red entre los mundos, que también presenta la construcción de un ascensor espacial. Tres años más tarde, en la novela Friday de Robert A. Heinlein de 1982, el personaje principal menciona un desastre en el “Quito Sky Hook” y hace uso del "Nairobi Beanstalk".; en el transcurso de sus viajes. En la novela Red Mars de Kim Stanley Robinson de 1993, los colonos construyen un ascensor espacial en Marte que permite que lleguen más colonos y también que los recursos naturales extraídos allí puedan salir hacia la Tierra. En el libro Rainbow Mars de Larry Niven, Niven describe un ascensor espacial construido en Marte. En la novela de 2000 de David Gerrold, Jumping Off The Planet, una excursión familiar por el Ecuador "beanstalk" es en realidad un secuestro bajo custodia de menores. El libro de Gerrold también examina algunas de las aplicaciones industriales de una tecnología de ascensores madura. El concepto de un ascensor espacial, llamado Beanstalk, también se describe en la novela de John Scalzi de 2005, Old Man's War. En una versión biológica, Joan Slonczewski's La novela de 2011 The Highest Frontier muestra a un estudiante universitario que asciende en un ascensor espacial construido con cables autorregenerables de bacilos de ántrax. Las bacterias modificadas pueden volver a hacer crecer los cables cuando los desechos espaciales los cortan.
Física
Campo gravitatorio aparente
El cable de un ascensor espacial terrestre gira junto con la rotación de la Tierra. Por lo tanto, el cable y los objetos conectados a él experimentarían una fuerza centrífuga hacia arriba en la dirección opuesta a la fuerza gravitacional hacia abajo. Cuanto más alto en el cable se encuentra el objeto, menor es la atracción gravitacional de la Tierra y mayor es la fuerza centrífuga hacia arriba debido a la rotación, de modo que más fuerza centrífuga se opone a menos gravedad. La fuerza centrífuga y la gravedad están equilibradas en la órbita ecuatorial geosincrónica (GEO). Por encima de GEO, la fuerza centrífuga es más fuerte que la gravedad, lo que hace que los objetos adheridos al cable tiren hacia arriba de él.
La fuerza neta de los objetos unidos al cable se denomina campo gravitacional aparente. El campo gravitatorio aparente para los objetos adjuntos es la gravedad (hacia abajo) menos la fuerza centrífuga (hacia arriba). La gravedad aparente experimentada por un objeto en el cable es cero en GEO, hacia abajo por debajo de GEO y hacia arriba por encima de GEO.
El campo gravitatorio aparente se puede representar de esta manera:
dónde
En algún punto del cable, los dos términos (gravedad hacia abajo y fuerza centrífuga hacia arriba) son iguales y opuestos. Los objetos fijados al cable en ese punto no ejercen peso sobre el cable. Esta altitud (r1) depende de la masa del planeta y de su velocidad de rotación. Establecer la gravedad real igual a la aceleración centrífuga da:
Esto es 35 786 km (22 236 mi) sobre la superficie de la Tierra, la altitud de la órbita geoestacionaria.
En el cable por debajo de la órbita geoestacionaria, la gravedad hacia abajo sería mayor que la fuerza centrífuga hacia arriba, por lo que la gravedad aparente empujaría hacia abajo los objetos unidos al cable. Cualquier objeto liberado del cable por debajo de ese nivel aceleraría inicialmente hacia abajo a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría hacia el este desde el cable. En el cable por encima del nivel de la órbita estacionaria, la fuerza centrífuga hacia arriba sería mayor que la gravedad hacia abajo, por lo que la gravedad aparente empujaría los objetos unidos al cable hacia arriba. Cualquier objeto liberado del cable por encima del nivel geosíncrono aceleraría inicialmente hacia arriba a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría hacia el oeste desde el cable.
Sección de cables
Históricamente, el principal problema técnico se ha considerado la capacidad del cable para sostener, con tensión, el peso de sí mismo por debajo de cualquier punto dado. La mayor tensión en el cable de un ascensor espacial se encuentra en el punto de la órbita geoestacionaria, 35 786 km (22 236 mi) sobre el ecuador de la Tierra. Esto significa que el material del cable, combinado con su diseño, debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso desde la superficie hasta 35 786 km (22 236 mi). Un cable que es más grueso en el área de la sección transversal a esa altura que en la superficie podría soportar mejor su propio peso en una longitud más larga. La forma en que el área de la sección transversal se estrecha desde el máximo en 35 786 km (22 236 mi) hasta el mínimo en la superficie es, por lo tanto, un factor de diseño importante para un cable de ascensor espacial.
Para maximizar el exceso de resistencia utilizable para una cantidad determinada de material de cable, el área de la sección transversal del cable debería diseñarse en su mayor parte de tal manera que la tensión (es decir, la tensión por unidad de área de la sección transversal) es constante a lo largo del cable. El criterio de tensión constante es un punto de partida en el diseño del área de la sección transversal del cable a medida que cambia con la altitud. Otros factores considerados en diseños más detallados incluyen el engrosamiento en altitudes donde hay más basura espacial presente, la consideración de las tensiones puntuales impuestas por los escaladores y el uso de materiales variados. Para tener en cuenta estos y otros factores, los diseños detallados modernos buscan lograr el mayor margen de seguridad posible, con la menor variación de altitud y tiempo posible. En diseños simples de punto de partida, eso equivale a tensión constante.
Para un cable de tensión constante sin margen de seguridad, el área de la sección transversal en función de la distancia desde el centro de la Tierra viene dada por la siguiente ecuación:
![{displaystyle A(r)=A_{s}exp left[{frac {rho gR^{2}}{T}}left({frac {1}{R}}+{frac {R^{2}}{2R_{g}^{3}}}-{frac {1}{r}}-{frac {r^{2}}{2R_{g}^{3}}}right)right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2faccd127a8849f6dd878b215391810a2d589e15)
dónde
El margen de seguridad se puede calcular dividiendo T por el factor de seguridad deseado.
Materiales de los cables
Con la fórmula anterior, podemos calcular la relación entre la sección transversal en la órbita geoestacionaria y la sección transversal en la superficie de la Tierra, conocida como relación de conicidad:
![{displaystyle A(R_{g})/A_{s}=exp left[{frac {rho }{T}}times 4.85times 10^{7}right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b72d33815544c2f3ddbc4392e335414437efe7d7)
| Material | Fuerza de tracción (MPa) | Densidad (kg/m3) | Fuerza específica (MPa)/(kg/m3) | Coeficiente |
|---|---|---|---|---|
| Acero | 5.000 | 7.900 | 0.63 | 1.6×1033 |
| Kevlar | 3.600 | 1.440 | 2.5 | 2.5×108 |
| Nanona de carbono de pared única | 130.000 | 1.300 | 100 | 1.6 |
La relación de conicidad se vuelve muy grande a menos que la resistencia específica del material utilizado se acerque a 48 (MPa)/(kg/m3). Los materiales de baja resistencia específica requieren relaciones de conicidad muy grandes que equivalen a una masa total grande (o astronómica) del cable con costos asociados grandes o imposibles.
Estructura
Hay una variedad de diseños de ascensores espaciales propuestos para muchos cuerpos planetarios. Casi todos los diseños incluyen una estación base, un cable, escaladores y un contrapeso. Para un Earth Space Elevator, la rotación de la Tierra crea una fuerza centrífuga hacia arriba en el contrapeso. El contrapeso se mantiene presionado por el cable mientras que el cable se mantiene erguido y tenso por el contrapeso. La estación base ancla todo el sistema a la superficie de la Tierra. Los escaladores suben y bajan por el cable con carga.
Estación base
Los conceptos modernos de estación base/ancla suelen ser estaciones móviles, grandes buques transoceánicos u otras plataformas móviles. Las estaciones base móviles tendrían la ventaja sobre los conceptos estacionarios anteriores (con anclas terrestres) al poder maniobrar para evitar vientos fuertes, tormentas y desechos espaciales. Los puntos de anclaje oceánicos también suelen estar en aguas internacionales, lo que simplifica y reduce el costo de negociar el uso del territorio para la estación base.
Las plataformas terrestres estacionarias tendrían un acceso logístico a la base más simple y menos costoso. También tendrían la ventaja de poder estar a gran altura, como en la cima de las montañas. En un concepto alternativo, la estación base podría ser una torre, formando un ascensor espacial que comprende tanto una torre de compresión cerca de la superficie como una estructura de amarre en altitudes más altas. La combinación de una estructura de compresión con una estructura de tensión reduciría las cargas de la atmósfera en el extremo de tierra de la correa y reduciría la distancia al campo de gravedad de la Tierra que el cable necesita extender y, por lo tanto, reduciría la resistencia crítica a requisitos de densidad para el material del cable, siendo iguales todos los demás factores de diseño.
Cable
El cable de un ascensor espacial tendría que soportar su propio peso, así como el peso adicional de los escaladores. La resistencia requerida del cable variaría a lo largo de su longitud. Esto se debe a que en varios puntos tendría que soportar el peso del cable por debajo, o proporcionar una fuerza hacia abajo para retener el cable y el contrapeso por encima. La tensión máxima en el cable de un ascensor espacial estaría en la altitud geosincrónica, por lo que el cable tendría que ser más grueso allí y ahusarse a medida que se acerca a la Tierra. Cualquier diseño de cable potencial puede caracterizarse por el factor de conicidad: la relación entre el radio del cable a la altitud geosíncrona y en la superficie de la Tierra.
El cable debería estar hecho de un material con una alta relación resistencia a la tracción/densidad. Por ejemplo, el diseño del ascensor espacial Edwards asume un material de cable con una resistencia a la tracción de al menos 100 gigapascales. Dado que Edwards siempre asumió que la densidad de su cable de nanotubos de carbono era de 1300 kg/m3, eso implica una resistencia específica de 77 megapascales/(kg/m3). Este valor tiene en cuenta el peso total del ascensor espacial. Un cable de ascensor espacial no cónico necesitaría un material capaz de sostener una longitud de 4960 kilómetros (3080 mi) de su propio peso al nivel del mar para alcanzar una altitud geoestacionaria de 35 786 km (22 236 mi) sin ceder. Por lo tanto, se necesita un material de muy alta resistencia y ligereza.
A modo de comparación, los metales como el titanio, el acero o las aleaciones de aluminio tienen longitudes de rotura de solo 20-30 km (0,2-0,3 MPa/(kg/m3)). Los materiales de fibra modernos, como el kevlar, la fibra de vidrio y la fibra de carbono/grafito, tienen longitudes de rotura de 100 a 400 km (1,0 a 4,0 MPa/(kg/m3)). Se espera que los materiales de nanoingeniería como los nanotubos de carbono y, más recientemente, las cintas de grafeno (láminas bidimensionales perfectas de carbono) tengan longitudes de rotura de 5000–6000 km (50–60 MPa/(kg/m3)), y también son capaces de conducir energía eléctrica.
Para un ascensor espacial en la Tierra, con su gravedad comparativamente alta, el material del cable tendría que ser más resistente y ligero que los materiales disponibles actualmente. Por esta razón, ha habido un enfoque en el desarrollo de nuevos materiales que cumplan con el exigente requisito de resistencia específica. Para una fuerza específica alta, el carbono tiene ventajas porque es solo el sexto elemento en la tabla periódica. El carbono tiene comparativamente pocos de los protones y neutrones que contribuyen con la mayor parte del peso muerto de cualquier material. La mayor parte de las fuerzas de enlace interatómico de cualquier elemento son aportadas solo por los pocos electrones externos. Para el carbono, la fuerza y estabilidad de esos enlaces es alta en comparación con la masa del átomo. El desafío en el uso de nanotubos de carbono sigue siendo extender a tamaños macroscópicos la producción de dichos materiales que aún son perfectos a escala microscópica (ya que los defectos microscópicos son los principales responsables de la debilidad del material). A partir de 2014, la tecnología de nanotubos de carbono permitió cultivar tubos de hasta unas pocas décimas de metro.
En 2014, se sintetizaron por primera vez nanohilos de diamante. Dado que tienen propiedades de resistencia similares a las de los nanotubos de carbono, los nanohilos de diamante también se consideraron rápidamente como material de cable candidato.
Alpinistas
Un ascensor espacial no puede ser un ascensor en el sentido típico (con cables móviles) debido a la necesidad de que el cable sea significativamente más ancho en el centro que en las puntas. Si bien se han propuesto varios diseños que emplean cables móviles, la mayoría de los diseños de cables requieren el "ascensor" trepar por un cable estacionario.
Los escaladores cubren una amplia gama de diseños. En los diseños de ascensores cuyos cables son cintas planas, la mayoría propone utilizar pares de rodillos para sujetar el cable con fricción.
Los trepadores tendrían que ser estimulados en tiempos óptimos para minimizar la tensión y las oscilaciones del cable y maximizar el rendimiento. Los escaladores más ligeros podrían subir más a menudo, con varios subiendo al mismo tiempo. Esto aumentaría un poco el rendimiento, pero reduciría la masa de cada carga útil individual.
La velocidad horizontal, es decir, debido a la rotación orbital, de cada parte del cable aumenta con la altitud, proporcional a la distancia desde el centro de la Tierra, alcanzando una velocidad orbital baja en un punto de aproximadamente el 66 por ciento de la altura entre la superficie y órbita geoestacionaria, o una altura de unos 23.400 km. Una carga útil liberada en este punto entraría en una órbita elíptica altamente excéntrica, manteniéndose apenas alejada del reingreso atmosférico, con el periapsis a la misma altitud que LEO y el apoapsis a la altura de liberación. Con el aumento de la altura de liberación, la órbita se volvería menos excéntrica a medida que aumentan tanto el periapsis como el apoapsis, volviéndose circular a nivel geoestacionario. Cuando la carga útil ha llegado a GEO, la velocidad horizontal es exactamente la velocidad de una órbita circular en ese nivel, de modo que si se libera, permanecería adyacente a ese punto del cable. La carga útil también puede continuar trepando por el cable más allá de GEO, lo que le permite obtener una mayor velocidad en el lanzamiento. Si se libera desde 100 000 km, la carga útil tendría suficiente velocidad para alcanzar el cinturón de asteroides.
A medida que se eleva una carga útil en un ascensor espacial, no solo ganaría altitud, sino también velocidad horizontal (momento angular). El momento angular se toma de la rotación de la Tierra. A medida que el escalador asciende, inicialmente se mueve más lento que cada parte sucesiva del cable por el que se mueve. Esta es la fuerza de Coriolis: el escalador "arrastra" (hacia el oeste) en el cable, a medida que sube, y disminuye ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra. El proceso opuesto ocurriría para las cargas útiles descendentes: el cable se inclina hacia el este, lo que aumenta ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra.
El efecto general de la fuerza centrífuga que actúa sobre el cable haría que intentara constantemente volver a la orientación vertical energéticamente favorable, por lo que después de levantar un objeto sobre el cable, el contrapeso se balancearía hacia la vertical, un poco como un péndulo. Los ascensores espaciales y sus cargas se diseñarían de modo que el centro de masa siempre esté lo suficientemente por encima del nivel de la órbita geoestacionaria para sostener todo el sistema. Las operaciones de elevación y descenso deberían planificarse cuidadosamente para mantener bajo control el movimiento de péndulo del contrapeso alrededor del punto de amarre.
La velocidad del escalador estaría limitada por la fuerza de Coriolis, la potencia disponible y por la necesidad de garantizar que la fuerza de aceleración del escalador no rompa el cable. Los trepadores también tendrían que mantener una velocidad promedio mínima para subir y bajar el material de manera económica y rápida. A la velocidad de un automóvil o tren muy rápido de 300 km/h (190 mph), tardará unos 5 días en alcanzar la órbita geosincrónica.
Impulsando a los escaladores
Tanto la potencia como la energía son problemas importantes para los escaladores: los escaladores necesitarían obtener una gran cantidad de energía potencial lo más rápido posible para despejar el cable para la siguiente carga útil.
Se han propuesto varios métodos para hacer llegar esa energía al escalador:
- Transfiera la energía al escalador a través de transferencia de energía inalámbrica mientras está escalando.
- Transfiera la energía al escalador a través de alguna estructura de material mientras está escalando.
- Guarde la energía en el escalador antes de que comience – requiere una energía específica extremadamente alta como la energía nuclear.
- Energía solar – Después de los primeros 40 km es posible utilizar energía solar para alimentar al escalador
La transferencia de energía inalámbrica, como la transmisión de energía láser, se considera actualmente el método más probable, ya que utiliza láseres de estado sólido o de electrones libres alimentados por megavatios en combinación con espejos adaptables de aproximadamente 10 m (33 pies) de ancho y una matriz fotovoltaica en el escalador sintonizado. a la frecuencia del láser para mayor eficiencia. Para los diseños de trepadores alimentados por rayos de energía, esta eficiencia es un objetivo de diseño importante. La energía no utilizada tendría que volver a irradiarse con sistemas de disipación de calor, que aumentan el peso.
Yoshio Aoki, profesor de ingeniería de maquinaria de precisión en la Universidad de Nihon y director de la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales, sugirió incluir un segundo cable y usar la conductividad de los nanotubos de carbono para generar energía.
Contrapeso
Se han propuesto varias soluciones para actuar como contrapeso:
- un asteroide pesado y capturado;
- a espacio dock, estación espacial o espacioport situado en órbita geoestacionaria pasada
- una extensión más ascendente del cable en sí para que la red hacia arriba sea la misma que un contrapeso equivalente;
- escaladores gastados estacionados que se habían utilizado para espesar el cable durante la construcción, otros chatarra y material levantado el cable con el propósito de aumentar el contrapeso.
Extender el cable tiene la ventaja de cierta sencillez de la tarea y el hecho de que una carga útil que llegara al final del cable de contrapeso adquiriría una velocidad considerable en relación con la Tierra, lo que le permitiría ser lanzada al espacio interplanetario. Su desventaja es la necesidad de producir mayores cantidades de material de cable en lugar de usar cualquier cosa disponible que tenga masa.
Aplicaciones
Lanzamiento al espacio profundo
Un objeto unido a un ascensor espacial en un radio de aproximadamente 53 100 km tendría una velocidad de escape cuando se soltara. Las órbitas de transferencia a los puntos lagrangianos L1 y L2 podrían lograrse mediante la liberación a 50 630 y 51 240 km, respectivamente, y la transferencia a la órbita lunar desde 50 960 km.
Al final del cable de 144 000 km (89 000 mi) de Pearson, la velocidad tangencial es de 10,93 kilómetros por segundo (6,79 mi/s). Eso es más que suficiente para escapar del campo gravitatorio de la Tierra y enviar sondas al menos tan lejos como Júpiter. Una vez en Júpiter, una maniobra de asistencia gravitatoria podría permitir alcanzar la velocidad de escape solar.
Ascensores extraterrestres
También se podría construir un ascensor espacial en otros planetas, asteroides y lunas.
Una atadura marciana podría ser mucho más corta que una en la Tierra. Marte' la gravedad de la superficie es el 38 por ciento de la de la Tierra, mientras que gira alrededor de su eje aproximadamente al mismo tiempo que la Tierra. Debido a esto, la órbita estacionaria marciana está mucho más cerca de la superficie y, por lo tanto, el elevador podría ser mucho más corto. Los materiales actuales ya son lo suficientemente resistentes para construir un ascensor de este tipo. La construcción de un ascensor marciano sería complicada por la luna marciana Fobos, que se encuentra en una órbita baja y se cruza con el ecuador con regularidad (dos veces cada período orbital de 11 h 6 min). Phobos y Deimos pueden interponerse en el camino de un ascensor espacial geoestacionario, sin embargo, pueden aportar recursos útiles al proyecto. Se proyecta que Fobos contenga altas cantidades de carbono. Si los nanotubos de carbono se vuelven factibles para un material de sujeción, habrá una gran cantidad de carbono en la región local de Marte. Esto podría proporcionar recursos fácilmente disponibles para la futura colonización de Marte.
Phobos está orbitando sincrónicamente a Marte, donde la misma cara permanece frente al planeta a unos 6028 km sobre la superficie marciana. Un ascensor espacial podría descender desde Fobos hasta Marte a 6000 km, a unos 28 kilómetros de la superficie, y justo fuera de la atmósfera de Marte. Un cable de ascensor espacial similar podría extenderse 6000 km en la dirección opuesta que contrarrestaría a Fobos. En total, el ascensor espacial se extendería más de 12 000 km, lo que estaría por debajo de la órbita areoestacionaria de Marte (17 032 km). Todavía sería necesario el lanzamiento de un cohete para llevar el cohete y la carga al comienzo del ascensor espacial a 28 km sobre la superficie. La superficie de Marte gira a 0,25 km/s en el ecuador y la parte inferior del ascensor espacial giraría alrededor de Marte a 0,77 km/s, por lo que solo se necesitarían 0,52 km/s de Delta-v para llegar al espacio. ascensor. Fobos orbita a 2,15 km/s y la parte más exterior del ascensor espacial giraría alrededor de Marte a 3,52 km/s.
La Luna de la Tierra es una ubicación potencial para un ascensor espacial lunar, especialmente porque la fuerza específica requerida para la atadura es lo suficientemente baja como para usar los materiales disponibles actualmente. La Luna no gira lo suficientemente rápido como para que la fuerza centrífuga sostenga un ascensor (la proximidad de la Tierra significa que no hay una órbita estacionaria lunar efectiva), pero las fuerzas de gravedad diferenciales significan que se podría construir un ascensor a través de puntos de Lagrangian. Un elevador del lado cercano se extendería a través del punto L1 Tierra-Luna desde un punto de anclaje cerca del centro de la parte visible de la Luna de la Tierra: la longitud de dicho elevador debe exceder la altitud máxima L1 de 59 548 km, y sería considerablemente más largo para reducir la masa del contrapeso de vértice requerido. Un elevador lunar del lado lejano pasaría a través del punto Lagrangiano L2 y tendría que ser más largo que en el lado cercano: nuevamente, la longitud de la correa depende de la masa de anclaje del vértice elegida, pero también podría estar hecho de materiales de ingeniería existentes.
Los asteroides o lunas que giran rápidamente podrían usar cables para expulsar materiales a puntos convenientes, como las órbitas de la Tierra; o, por el contrario, expulsar materiales para enviar una parte de la masa del asteroide o la luna a la órbita terrestre o un punto de Lagrange. Freeman Dyson, físico y matemático, sugirió usar sistemas más pequeños como generadores de energía en puntos distantes del Sol donde la energía solar no es económica.
Se podría construir un ascensor espacial utilizando materiales de ingeniería actualmente disponibles entre mundos bloqueados por mareas, como Plutón y Caronte o los componentes del asteroide binario 90 Antiope, sin desconexión terminal, según Francis Graham de la Universidad Estatal de Kent. Sin embargo, se deben utilizar longitudes variables de cable enrollado debido a la elipticidad de las órbitas.
Construcción
La construcción de un ascensor espacial necesitaría la reducción de algunos riesgos técnicos. Se requieren algunos avances en ingeniería, fabricación y tecnología física. Una vez que se construya un primer ascensor espacial, el segundo y todos los demás tendrían el uso de los anteriores para ayudar en la construcción, haciendo que sus costos sean considerablemente más bajos. Dichos ascensores espaciales posteriores también se beneficiarían de la gran reducción del riesgo técnico lograda por la construcción del primer ascensor espacial.
Antes del trabajo de Edwards en 2000, la mayoría de los conceptos para construir un ascensor espacial tenían el cable fabricado en el espacio. Se pensó que eso era necesario para un objeto tan grande y largo y para un contrapeso tan grande. La fabricación del cable en el espacio se haría en principio utilizando un asteroide u objeto cercano a la Tierra como material de origen. Estos conceptos anteriores para la construcción requieren una gran infraestructura espacial preexistente para maniobrar un asteroide en su órbita necesaria alrededor de la Tierra. También requirieron el desarrollo de tecnologías para la fabricación en el espacio de grandes cantidades de materiales exigentes.
Desde 2001, la mayor parte del trabajo se ha centrado en métodos de construcción más simples que requieren infraestructuras espaciales mucho más pequeñas. Conciben el lanzamiento de un cable largo en un carrete grande, seguido de su despliegue en el espacio. El carrete estaría estacionado inicialmente en una órbita geoestacionaria sobre el punto de anclaje planificado. Un cable largo caería "hacia abajo" (hacia la Tierra) y se equilibraría con una masa que dejaría caer "hacia arriba" (lejos de la Tierra) para que todo el sistema permanezca en la órbita geosíncrona. Los diseños anteriores imaginaban que la masa de equilibrio era otro cable (con contrapeso) que se extendía hacia arriba, con el carrete principal permaneciendo en el nivel de la órbita geosíncrona original. La mayoría de los diseños actuales elevan el carrete mismo a medida que se desenrolla el cable principal, un proceso más simple. Cuando el extremo inferior del cable sea lo suficientemente largo para llegar a la superficie de la Tierra (en el ecuador), estará anclado. Una vez anclado, el centro de masa se elevaría más (agregando masa en el extremo superior o extendiendo más cable). Esto agregaría más tensión a todo el cable, que luego podría usarse como un cable de ascensor.
Un plan de construcción utiliza cohetes convencionales para colocar un "tamaño mínimo" cable semilla inicial de tan solo 19.800 kg. Esta primera cinta muy pequeña sería adecuada para sostener al primer escalador de 619 kg. Los primeros 207 escaladores llevarían y unirían más cable al original, aumentando su área de sección transversal y ensanchando la cinta inicial a unos 160 mm de ancho en su punto más ancho. El resultado sería un cable de 750 toneladas con una capacidad de elevación de 20 toneladas por trepador.
Cuestiones de seguridad y desafíos de la construcción
Para los primeros sistemas, los tiempos de tránsito desde la superficie hasta el nivel de la órbita geosíncrona serían de unos cinco días. En estos primeros sistemas, el tiempo empleado en moverse a través de los cinturones de radiación de Van Allen sería suficiente para que los pasajeros necesitaran protegerse de la radiación mediante un escudo, lo que agregaría masa al escalador y disminuiría la carga útil.
Un ascensor espacial presentaría un peligro para la navegación, tanto para aeronaves como para naves espaciales. Las aeronaves podrían ser desviadas por restricciones de control de tráfico aéreo. Todos los objetos en órbitas estables que tienen un perigeo por debajo de la altitud máxima del cable que no están sincronizados con el cable eventualmente impactarían en el cable, a menos que se tomen medidas para evitarlo. Una posible solución propuesta por Edwards es usar un ancla móvil (un ancla de mar) para permitir que la atadura "esquive" cualquier basura espacial lo suficientemente grande como para rastrearla.
Los impactos de objetos espaciales como meteoroides, micrometeoritos y escombros artificiales en órbita plantean otra restricción de diseño en el cable. Sería necesario diseñar un cable para maniobrar fuera del camino de los escombros o absorber los impactos de pequeños escombros sin romperse.
Economía
Con un ascensor espacial, los materiales podrían ponerse en órbita a una fracción del costo actual. A partir del año 2000, los diseños de cohetes convencionales cuestan alrededor de US$25.000 por kilogramo (US$11.000 por libra) para transferirlos a la órbita geoestacionaria. Las propuestas actuales de ascensores espaciales prevén precios de carga útil a partir de $ 220 por kilogramo ($ 100 por libra), similar a las estimaciones de $ 5 a $ 300 / kg del ciclo de lanzamiento, pero superior a los $ 310 / tonelada a 500 km de órbita cotizada al Dr. Jerry Pournelle para un sistema de dirigible orbital.
Philip Ragan, coautor del libro Leaving the Planet by Space Elevator, afirma que "El primer país en desplegar un ascensor espacial tendrá una ventaja de costos del 95 por ciento y podría potencialmente controlar todas las actividades espaciales."
Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC)
El Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC) es una corporación estadounidense sin fines de lucro 501(c)(3) creada para promover el desarrollo, la construcción y el funcionamiento de un ascensor espacial como "una forma revolucionaria y eficiente de espacio para toda la humanidad". Se formó después de la Conferencia de Elevadores Espaciales en Redmond, Washington en julio de 2008 y se convirtió en una organización afiliada a la Sociedad Nacional del Espacio en agosto de 2013. ISEC organiza una conferencia anual de Elevadores Espaciales en el Museo de Vuelo de Seattle.
ISEC se coordina con las otras dos sociedades principales que se centran en los ascensores espaciales: la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales y EuroSpaceward. ISEC apoya simposios y presentaciones en la Academia Internacional de Astronáutica y el Congreso de la Federación Astronáutica Internacional cada año.
Conceptos relacionados
El concepto convencional actual de un "ascensor espacial" ha evolucionado de una estructura de compresión estática que alcanza el nivel de GEO, a la idea básica moderna de una estructura de tracción estática anclada al suelo y que se extiende muy por encima del nivel de GEO. En el uso actual de los profesionales (y en este artículo), un "ascensor espacial" significa el tipo Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson según lo considerado por el Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales. Este tipo convencional es una estructura estática fijada al suelo y que se extiende hacia el espacio lo suficientemente alto como para que la carga pueda escalar la estructura desde el suelo hasta un nivel en el que la simple liberación pondrá la carga en órbita.
Algunos conceptos relacionados con esta línea de base moderna generalmente no se denominan "Ascensor espacial", pero son similares de alguna manera y, a veces, se denominan "Ascensor espacial" por sus proponentes. Por ejemplo, Hans Moravec publicó un artículo en 1977 llamado "A Non-Synchronous Orbital Skyhook" describir un concepto utilizando un cable giratorio. La velocidad de rotación coincidiría exactamente con la velocidad orbital de tal manera que la velocidad de la punta en el punto más bajo fuera cero en comparación con el objeto a "elevar". Se agarraría dinámicamente y luego "elevaría" objetos de alto vuelo a la órbita u objetos de órbita baja a una órbita más alta.
El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión, un concepto similar a un mástil aéreo. Si bien tales estructuras pueden llegar al espacio (100 km, 62 mi), es poco probable que alcancen la órbita geoestacionaria. Se ha sugerido el concepto de una torre Tsiolkovsky combinada con un cable de ascensor espacial clásico (llegando por encima del nivel de GEO). Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las demandas de los vehículos de lanzamiento. El vehículo está "elevado" la torre, que puede extenderse tan alto como sobre la atmósfera, y se lanza desde la parte superior. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para acceder a altitudes del espacio cercano de 20 km (12 mi).
Otros conceptos para el lanzamiento espacial sin cohetes relacionados con un ascensor espacial (o partes de un ascensor espacial) incluyen un anillo orbital, una torre espacial neumática, una fuente espacial, un bucle de lanzamiento, un gancho espacial, una correa espacial y un "SpaceShaft" flotante.
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