Un ascensor espacial , también conocido como puente espacial , escalera estelar y ascensor orbital , es un tipo propuesto de sistema de transporte planetario al espacio, [1] a menudo representado en la ciencia ficción. El componente principal sería un cable (también llamado amarre ) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio. Un ascensor espacial basado en la Tierra consistiría en un cable con un extremo unido a la superficie cerca del ecuador y el otro extremo unido a un contrapeso en el espacio más allá de la órbita geoestacionaria (35.786 km de altitud). Las fuerzas competitivas de la gravedad, que es más fuerte en el extremo inferior, y la fuerza centrífuga ascendente, que es más fuerte en el extremo superior, darían como resultado que el cable se mantuviera en alto, bajo tensión y estacionario sobre una única posición en la Tierra. Con el amarre desplegado, los escaladores (orugas) podrían subir y bajar repetidamente por el amarre por medios mecánicos, liberando su carga hacia y desde la órbita. [2] El diseño permitiría a los vehículos viajar directamente entre una superficie planetaria, como la Tierra, y la órbita, sin el uso de grandes cohetes .
La idea del ascensor espacial parece haberse desarrollado de forma independiente en diferentes momentos y lugares. Los primeros modelos se originaron con dos científicos rusos a finales del siglo XIX. En su colección de 1895 Sueños de la Tierra y el Cielo , [3] Konstantin Tsiolkovsky imaginó una enorme escalera celestial para alcanzar las estrellas como una forma de vencer la gravedad. [4] [5] [6] Décadas más tarde, en 1960, Yuri Artsutanov desarrolló de forma independiente el concepto de un "ferrocarril cósmico", un ascensor espacial atado desde un satélite en órbita a un ancla en el ecuador, con el objetivo de proporcionar una alternativa más segura y eficiente a los cohetes. [7] [8] [9] En 1966, Isaacs y sus colegas introdujeron el concepto de "Sky-Hook", proponiendo un satélite en órbita geoestacionaria con un cable que se extendía hasta la Tierra. [10]
El concepto del ascensor espacial llegó a Estados Unidos en 1975, cuando Jerome Pearson comenzó a investigar la idea, inspirado por el discurso de Arthur C. Clarke en 1969 ante el Congreso. Después de trabajar como ingeniero para la NASA y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, desarrolló un diseño para una "torre orbital", destinada a aprovechar la energía rotacional de la Tierra para transportar suministros a la órbita baja terrestre. En su publicación en Acta Astronautica [11] , el cable sería más grueso en la órbita geoestacionaria, donde la tensión es mayor, y más estrecho en las puntas para minimizar el peso por unidad de área. Propuso extender un contrapeso a 144.000 kilómetros (89.000 millas) ya que sin un contrapeso grande, el cable superior tendría que ser más largo debido a la forma en que las fuerzas gravitacionales y centrífugas cambian con la distancia a la Tierra. Su análisis incluyó la gravedad de la Luna, el viento y las cargas útiles en movimiento. La construcción del ascensor habría requerido miles de viajes en transbordador espacial , aunque el material podría transportarse una vez que un hilo de resistencia mínima alcanzara el suelo o podría fabricarse en el espacio a partir de mineral de asteroides o de la Luna . Los hallazgos de Pearson, publicados en Acta Astronautica, llamaron la atención de Clarke y condujeron a consultas técnicas para la novela de ciencia ficción de Clarke The Fountains of Paradise (1979), [12] que presenta un ascensor espacial. [13] [14]
La primera reunión de múltiples expertos que querían investigar esta alternativa a los vuelos espaciales tuvo lugar en la conferencia de la NASA de 1999 'Taller de infraestructura espacial avanzada sobre conceptos de ascensores espaciales con cable en órbita geoestacionaria', en Huntsville, Alabama. [4] DV Smitherman, Jr., publicó los hallazgos en agosto de 2000 bajo el título Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium (Elevadores espaciales: una infraestructura avanzada Tierra-Espacio para el nuevo milenio) , concluyendo que el ascensor espacial no podría construirse durante al menos otros 50 años debido a las preocupaciones sobre el material del cable, su despliegue y su mantenimiento. [15] [ página necesaria ]
El Dr. BC Edwards sugirió que una cinta delgada como el papel de 100.000 km (62.000 mi) de largo, utilizando un material compuesto de nanotubos de carbono, podría resolver el problema de la atadura debido a su alta resistencia a la tracción y bajo peso [16]. La forma de sección transversal similar a una cinta ancha y delgada propuesta en lugar de los conceptos anteriores de sección transversal circular aumentaría la capacidad de supervivencia contra impactos de meteoritos. Con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC), su trabajo involucró a más de 20 instituciones y 50 participantes. [17] [ página necesaria ] El Informe final de la Fase II del ascensor espacial NIAC, en combinación con el libro The Space Elevator : A Revolutionary Earth-to-Space Transportation System ( Edwards y Westling, 2003) [18] resumió todo el esfuerzo para diseñar un ascensor espacial [17] [ página necesaria ] incluyendo 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 evitación de rayos y huracanes ubicando el ancla en el Pacífico ecuatorial occidental, los costos de construcción, el cronograma de construcción y los peligros ambientales. [2] [15] [ página necesaria ] [19] Además, investigó la integridad estructural y las capacidades de carga de los cables del ascensor espacial, enfatizando su necesidad de alta resistencia a la tracción y resiliencia. Su concepto de ascensor espacial nunca llegó a la tercera fase del NIAC, lo que atribuyó a la presentación de su propuesta final durante la semana del desastre del transbordador espacial Columbia . [4]
Para acelerar el desarrollo del ascensor espacial, los promotores han organizado varias competiciones , similares al Premio Ansari X , para tecnologías relevantes. [20] [21] Entre ellas se encuentran Elevator:2010 , que organizó competiciones anuales para escaladores, cintas y sistemas de transmisión de energía de 2005 a 2009, la competición Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, [22] así como el programa Centennial Challenges de la NASA , que, en marzo de 2005, anunció una asociación con la Spaceward Foundation (el operador de Elevator:2010), elevando el valor total de los premios a 400.000 dólares estadounidenses. [23] [24] El primer European Space Elevator Challenge (EuSEC) para establecer una estructura de escalador tuvo lugar en agosto de 2011. [25]
En 2005, "el grupo LiftPort de empresas de ascensores espaciales anunció que construiría una planta de fabricación de nanotubos de carbono en Millville, Nueva Jersey , para abastecer a varias empresas de vidrio, plástico y metal con estos materiales resistentes. Aunque LiftPort espera utilizar eventualmente nanotubos de carbono en la construcción de un ascensor espacial de 100.000 km (62.000 mi), este movimiento le permitirá ganar dinero a corto plazo y realizar investigación y desarrollo en nuevos métodos de producción". [26] Su objetivo anunciado era el lanzamiento de un ascensor espacial en 2010. El 13 de febrero de 2006, el grupo LiftPort anunció que, a principios del mismo mes, habían probado una milla de "correa para ascensores espaciales" hecha de cuerdas compuestas de fibra de carbono y cinta de fibra de vidrio de 5 cm (2,0 pulgadas) de ancho y 1 mm (0,039 pulgadas) (aproximadamente 13 hojas de papel) de espesor, levantada con globos. [27] En abril de 2019, el director ejecutivo de Liftport, Michael Laine, admitió que se ha avanzado poco en las ambiciosas ambiciones de la empresa en materia de ascensores espaciales, incluso después de haber recibido más de 200.000 dólares en financiación inicial. La planta de fabricación de nanotubos de carbono que Liftport anunció en 2005 nunca se construyó. [28]
En 2007, Elevator:2010 celebró los juegos del Ascensor Espacial 2007, que ofrecieron premios de 500.000 dólares estadounidenses para cada una de las dos competiciones (un millón de dólares en total), así como 4.000.000 dólares adicionales que se otorgarían en los próximos cinco años para tecnologías relacionadas con el ascensor espacial. [29] Ningún equipo ganó la competición, pero un equipo del MIT presentó el primer proyecto de 2 gramos (0,07 oz) de nanotubos de carbono al 100 por ciento. [30] Japón celebró una conferencia internacional en noviembre de 2008 para elaborar un cronograma para la construcción del ascensor. [31]
En 2012, la Corporación Obayashi anunció que podría construir un ascensor espacial para 2050 utilizando tecnología de nanotubos de carbono. [32] El elevador de pasajeros del diseño podría alcanzar el nivel GEO después de un viaje de 8 días. [33] Se publicaron más detalles en 2016. [34]
En 2013, la Academia Internacional de Astronáutica publicó una evaluación de viabilidad tecnológica que concluyó que la mejora crítica de la capacidad necesaria era el material de anclaje, que se proyectaba que alcanzaría la resistencia específica necesaria en 20 años. El estudio, que duró cuatro años, examinó muchas facetas del desarrollo del ascensor espacial, incluidas las misiones, los cronogramas de desarrollo, las inversiones financieras, el flujo de ingresos y los beneficios. Se informó que sería posible sobrevivir operativamente 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. [35] : 10–11, 207–208 [36] [ página necesaria ]
En 2014, el equipo de I+D de evaluación rápida de Google X comenzó a diseñar un ascensor espacial y finalmente descubrió que nadie había fabricado aún una hebra de nanotubos de carbono perfectamente formada de más de un metro de longitud. Por lo tanto, pusieron el proyecto en "congelación profunda" y también siguen de cerca los avances en el campo de los nanotubos de carbono. [37]
En 2018, investigadores de la Universidad Shizuoka de Japón lanzaron STARS-Me, dos CubeSats conectados por una cuerda, sobre los cuales viajará un miniascensor. [38] [39] El experimento fue lanzado como un banco de pruebas para una estructura más grande. [40]
En 2019, la Academia Internacional de Astronáutica publicó "El camino hacia la era del ascensor espacial", [41] 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 profesionales del espacio se reunió y evaluó el estado del desarrollo del ascensor espacial, cada uno aportando su experiencia y llegando a conclusiones similares: (a) Los ascensores espaciales terrestres parecen factibles, lo que refuerza la conclusión del estudio de la IAA de 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 fabricar grafeno monocristalino a escala macro [42] con una resistencia específica mayor que los nanotubos de carbono .
Una dificultad importante a la hora de construir un ascensor espacial para la Tierra es la resistencia de los materiales. Dado que la estructura debe soportar su propio peso además de la carga útil que pueda transportar, la relación resistencia-peso, o resistencia específica , del material del que está hecha debe ser extremadamente alta.
Desde 1959, la mayoría de las ideas para ascensores espaciales se han centrado en estructuras puramente extensibles , en las que el peso del sistema se sostiene desde arriba mediante fuerzas centrífugas. En los conceptos extensibles, una atadura 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 invertida . El grosor del cable se estrecha en función de la tensión; tiene su máximo en una órbita geoestacionaria y el mínimo en el suelo.
El concepto es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes . En el caso de lugares del Sistema Solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte ), los requisitos de resistencia a la densidad para los materiales de anclaje no son tan problemáticos. Los materiales disponibles actualmente (como el Kevlar ) son lo suficientemente fuertes y ligeros como para ser prácticos como material de anclaje para los ascensores en esos lugares. [43]
Los materiales disponibles no son lo suficientemente fuertes ni ligeros como para que un ascensor espacial terrestre sea práctico. [44] [45] [46] Algunas fuentes esperan que los avances futuros en nanotubos de carbono (CNT) puedan conducir a un diseño práctico. [2] [15] [ página necesaria ] [26] Otras fuentes creen que los CNT nunca serán lo suficientemente fuertes. [47] [48] [49] Las posibles alternativas futuras incluyen nanotubos de nitruro de boro , nanohilos de diamante [50] [51] y grafeno monocristalino a escala macro . [42]
En 1979, los ascensores espaciales se introdujeron a un público más amplio con la publicación simultánea de la novela de Arthur C. Clarke , The Fountains of Paradise , en la que los ingenieros construyen un ascensor espacial en la cima de un pico de montaña en el país insular ficticio de "Taprobane" (basado libremente en Sri Lanka , aunque trasladado al sur hasta el Ecuador), y la primera novela de Charles Sheffield , The Web Between the Worlds , 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 partir hacia la Tierra. El libro Rainbow Mars de Larry Niven describe un ascensor espacial construido en Marte. En la novela de David Gerrold de 2000, Jumping Off The Planet , una excursión familiar por el "tallo de frijoles" de Ecuador es en realidad un secuestro para custodiar a un niño. El libro de Gerrold también examina algunas de las aplicaciones industriales de una tecnología de ascensor madura. El concepto de un ascensor espacial, llamado el "tallo de frijoles" , también se describe en la novela de John Scalzi de 2005, Old Man's War . En una versión biológica, la novela de Joan Slonczewski de 2011, The Highest Frontier, muestra a un estudiante universitario ascendiendo a un ascensor espacial construido con cables autocurativos de bacilos de ántrax. Las bacterias diseñadas pueden hacer que los cables vuelvan a crecer cuando son cortados por desechos espaciales.
Un cable de ascensor espacial terrestre gira con la rotación de la Tierra. Por lo tanto, el cable y los objetos unidos a él experimentarían una fuerza centrífuga ascendente en la dirección opuesta a la fuerza gravitatoria descendente. Cuanto más arriba en el cable se encuentre el objeto, menor será la atracción gravitatoria de la Tierra y más fuerte será la fuerza centrífuga ascendente debido a la rotación, de modo que una mayor fuerza centrífuga se opone a una menor gravedad. La fuerza centrífuga y la gravedad están equilibradas en la órbita ecuatorial geosincrónica (GEO). Por encima de la GEO, la fuerza centrífuga es más fuerte que la gravedad, lo que hace que los objetos unidos al cable tiren de él hacia arriba . Debido a que el contrapeso, por encima de la GEO, gira alrededor de la Tierra más rápido que la velocidad orbital natural para esa altitud, ejerce una atracción centrífuga sobre el cable y, por lo tanto, mantiene todo el sistema en el aire.
La fuerza neta de los objetos unidos al cable se denomina campo gravitatorio aparente . El campo gravitatorio aparente de los objetos unidos es la gravedad (hacia abajo) menos la fuerza centrífuga (hacia arriba). La gravedad aparente que experimenta un objeto en el cable es cero en GEO, hacia abajo por debajo de GEO y hacia arriba por encima de GEO.
El campo gravitacional aparente se puede representar de esta manera: [52] : Tabla 1
dónde
En algún punto del cable, los dos términos (gravedad descendente y fuerza centrífuga ascendente) son iguales y opuestos. Los objetos fijados al cable en ese punto no ejercen peso sobre el cable. Esta altitud (r 1 ) depende de la masa del planeta y de su velocidad de rotación. Si se iguala la gravedad real a la aceleración centrífuga, se obtiene: [52] : p. 126
Esto está a 35.786 km (22.236 mi) sobre la superficie de la Tierra, la altitud de la órbita geoestacionaria. [52] : Tabla 1
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 atraería hacia abajo los objetos unidos al cable. Cualquier objeto liberado del cable por debajo de ese nivel se 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 atraería hacia arriba los objetos unidos al cable . Cualquier objeto liberado del cable por encima del nivel geoestacionario se aceleraría inicialmente hacia arriba a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría hacia el oeste desde el cable.
Históricamente, el principal problema técnico se ha considerado la capacidad del cable para soportar, con tensión, su propio peso por debajo de un punto determinado. La mayor tensión en un cable de ascensor espacial se da en el punto de la órbita geoestacionaria, a 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 tenga un área de sección transversal más gruesa a esa altura que en la superficie podría soportar mejor su propio peso a lo largo de una longitud mayor. Por lo tanto, la forma en que el área de sección transversal se estrecha desde el máximo a 35.786 km (22.236 mi) hasta el mínimo en la superficie es un factor de diseño importante para un cable de ascensor espacial.
Para maximizar la resistencia excedente utilizable para una cantidad dada 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) sea constante a lo largo de la longitud del cable. [52] [53] 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, la consideración de las tensiones puntuales impuestas por los escaladores y el uso de materiales variados. [54] Para tener en cuenta estos y otros factores, los diseños detallados modernos buscan lograr el mayor margen de seguridad posible, con la menor variación posible con la altitud y el tiempo. [54] En diseños de punto de partida simples, 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: [52]
dónde
El margen de seguridad se puede calcular dividiendo T por el factor de seguridad deseado. [52]
Utilizando la fórmula anterior, se puede 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: [nota 1]
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, lo que equivale a una masa total del cable grande (o astronómica), con costos asociados grandes o imposibles de cumplir.
Existen diversos diseños de ascensores espaciales propuestos para muchos cuerpos planetarios. Casi todos los diseños incluyen una estación base, un cable, escaladores y un contrapeso. En el caso de un ascensor espacial terrestre, la rotación de la Tierra crea una fuerza centrífuga ascendente sobre el contrapeso. El contrapeso se mantiene hacia abajo mediante el cable, mientras que el cable se mantiene hacia arriba y tenso mediante 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.
Los conceptos modernos de estación base/anclaje suelen ser estaciones móviles, grandes buques oceánicos u otras plataformas móviles. Las estaciones base móviles tendrían la ventaja sobre los conceptos estacionarios anteriores (con anclas terrestres) de 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. [2]
Las plataformas terrestres estacionarias tendrían un acceso logístico más simple y menos costoso a la base. También tendrían la ventaja de poder estar a grandes altitudes, 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 a mayores altitudes. [6] La combinación de una estructura de compresión con una estructura de tensión reduciría las cargas de la atmósfera en el extremo terrestre del amarre y reduciría la distancia en el campo gravitatorio de la Tierra que el cable necesita extenderse y, por lo tanto, reduciría los requisitos críticos de resistencia a la densidad para el material del cable, siendo todos los demás factores de diseño iguales.
Un cable de 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 que se encuentra debajo, o proporcionar una fuerza hacia abajo para retener el cable y el contrapeso que se encuentra arriba. La tensión máxima en un cable de ascensor espacial se daría en la altitud geoestacionaria, por lo que el cable tendría que ser más grueso allí y estrecharse a medida que se acerca a la Tierra. Cualquier diseño de cable potencial puede caracterizarse por el factor de estrechamiento, la relación entre el radio del cable en la altitud geoestacionaria y en la superficie de la Tierra. [55]
El cable tendría que estar hecho de un material con una alta relación resistencia a la tracción/densidad . Por ejemplo, el diseño del ascensor espacial de Edwards supone un material de cable con una resistencia a la tracción de al menos 100 gigapascales . [2] Dado que Edwards asumió sistemáticamente que la densidad de su cable de nanotubos de carbono era de 1300 kg/m 3 , [16] eso implica una resistencia específica de 77 megapascales/(kg/m 3 ). Este valor tiene en cuenta el peso total del ascensor espacial. Un cable de ascensor espacial sin ahusarse necesitaría un material capaz de sostener una longitud de 4.960 kilómetros (3.080 mi) de su propio peso al nivel del mar para alcanzar una altitud geoestacionaria de 35.786 km (22.236 mi) sin ceder. [56] Por lo tanto, se necesita un material con una resistencia y una ligereza muy elevadas.
A modo de comparación, los metales como el titanio, el acero o las aleaciones de aluminio tienen longitudes de rotura de tan solo 20-30 km (0,2-0,3 MPa/(kg/m 3 )). Los materiales de fibra modernos como el kevlar , la fibra de vidrio y la fibra de carbono/grafito tienen longitudes de rotura de 100-400 km (1,0-4,0 MPa/(kg/m 3 )). 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/m 3 )), y también sean capaces de conducir energía eléctrica. [ cita requerida ]
Para un ascensor espacial en la Tierra, con su gravedad comparativamente alta, el material del cable tendría que ser más fuerte y ligero que los materiales disponibles actualmente. [57] Por esta razón, se ha puesto el foco en el desarrollo de nuevos materiales que cumplan con el exigente requisito de resistencia específica. Para una alta resistencia específica, 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 mayoría de las fuerzas de enlace interatómico de cualquier elemento son aportadas solo por los pocos electrones externos. Para el carbono, la fuerza y la estabilidad de esos enlaces son altas 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 dicho material que aún sea perfecto en la escala microscópica (ya que los defectos microscópicos son los principales responsables de la debilidad del material). [57] [58] [59] A partir de 2014, la tecnología de nanotubos de carbono permitió el crecimiento de tubos de hasta unas pocas décimas de metro. [60]
En 2014, se sintetizaron por primera vez nanohilos de diamante . [50] Dado que tienen propiedades de resistencia similares a las de los nanotubos de carbono, los nanohilos de diamante también se consideraron rápidamente como material candidato para cables. [51]
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 que el "ascensor" suba por un cable fijo.
Los elevadores abarcan una amplia gama de diseños. En los diseños de elevadores cuyos cables son cintas planas, la mayoría propone utilizar pares de rodillos para sujetar el cable con fricción.
Los escaladores deberían ir a un ritmo óptimo para minimizar la tensión y las oscilaciones de los cables y maximizar el rendimiento. Se podrían enviar escaladores más ligeros con mayor frecuencia, y varios de ellos subirían al mismo tiempo. Esto aumentaría un poco el rendimiento, pero reduciría la masa de cada carga útil individual. [61]
La velocidad horizontal, es decir, la velocidad debida 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 aproximadamente al 66 por ciento de la altura entre la superficie y la 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 de la reentrada atmosférica, con el periapsis a la misma altitud que la órbita terrestre baja 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. [62] [63]
Cuando la carga ha alcanzado la GEO, la velocidad horizontal es exactamente la velocidad de una órbita circular a ese nivel, de modo que si se libera, permanecería adyacente a ese punto en el cable. La carga también puede continuar subiendo por el cable más allá de la GEO, lo que le permite obtener una mayor velocidad en el momento del desembarco. Si se libera desde 100.000 km, la carga tendría suficiente velocidad para alcanzar el cinturón de asteroides. [54]
Cuando una carga se eleva en un ascensor espacial, no solo gana altitud, sino también velocidad horizontal (momento angular). El momento angular se obtiene 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) el cable, mientras sube, y disminuye ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra. El proceso opuesto ocurriría con cargas útiles que descienden: 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 éste intentara constantemente volver a la orientación vertical, energéticamente favorable, de modo que después de que un objeto haya sido elevado sobre el cable, el contrapeso oscilaría de nuevo hacia la vertical, un poco como un péndulo. [61] Los ascensores espaciales y sus cargas se diseñarían de modo que el centro de masas estuviera siempre lo suficientemente por encima del nivel de la órbita geoestacionaria [64] como para sostener todo el sistema. Las operaciones de elevación y descenso tendrían que planificarse cuidadosamente para mantener bajo control el movimiento pendular del contrapeso alrededor del punto de anclaje. [65]
La velocidad del escalador estaría limitada por la fuerza de Coriolis, la potencia disponible y la necesidad de garantizar que la fuerza de aceleración del escalador no rompa el cable. Los escaladores también tendrían que mantener una velocidad media mínima para poder subir y bajar material de forma económica y rápida. [66] A la velocidad de un coche o tren muy rápido de 300 km/h (190 mph), se necesitarán unos 5 días para ascender a la órbita geoestacionaria. [67]
Tanto la potencia como la energía son cuestiones importantes para los escaladores: estos tendrían que 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 proporcionar energía al escalador:
La transferencia de energía inalámbrica, como la emisión de energía por láser , se considera actualmente el método más probable, utilizando láseres de estado sólido o de electrones libres alimentados por megavatios en combinación con espejos adaptativos de aproximadamente 10 m (33 pies) de ancho y un conjunto fotovoltaico en el trepador ajustado a la frecuencia del láser para lograr eficiencia. [2] Para los diseños de trepadores alimentados por emisión de energía, esta eficiencia es un objetivo de diseño importante. La energía no utilizada debería volver a irradiarse con sistemas de disipación de calor, lo que aumenta el peso.
Yoshio Aoki, profesor de ingeniería de maquinaria de precisión en la Universidad Nihon y director de la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales, sugirió incluir un segundo cable y utilizar la conductividad de los nanotubos de carbono para proporcionar energía. [31]
Se han propuesto varias soluciones para actuar como contrapeso:
La prolongación del cable tiene la ventaja de que la tarea es bastante sencilla y de que una carga útil que se colocara en el extremo del cable-contrapeso adquiriría una velocidad considerable con respecto a la Tierra, lo que permitiría su lanzamiento al espacio interplanetario. Su desventaja es la necesidad de producir mayores cantidades de material para el cable, en lugar de utilizar cualquier cosa disponible que tenga masa.
Un objeto que se encuentre en un ascensor espacial a un radio de aproximadamente 53.100 km alcanzaría la velocidad de escape al ser liberado. Las órbitas de transferencia a los puntos de Lagrange L1 y L2 podrían alcanzarse mediante liberación a 50.630 y 51.240 km, respectivamente, y la transferencia a la órbita lunar desde 50.960 km. [70]
Al final del cable de Pearson de 144.000 km (89.000 mi), la velocidad tangencial es de 10,93 kilómetros por segundo (6,79 mi/s). Esto es más que suficiente para escapar del campo gravitatorio de la Tierra y enviar sondas al menos hasta Júpiter . Una vez en Júpiter, una maniobra de asistencia gravitatoria podría permitir alcanzar la velocidad de escape solar. [52]
También se podría construir un ascensor espacial en otros planetas, asteroides y lunas.
Un cable marciano podría ser mucho más corto que uno en la Tierra. La gravedad superficial de Marte es el 38 por ciento de la de la Tierra, mientras que gira alrededor de su eje en aproximadamente el mismo tiempo que la Tierra. Debido a esto, la órbita estacionaria marciana está mucho más cerca de la superficie y, por lo tanto, el ascensor podría ser mucho más corto. Los materiales actuales ya son lo suficientemente fuertes como para construir un ascensor de este tipo. [71] La construcción de un ascensor marciano se complicaría por la luna marciana Fobos , que está en una órbita baja e intersecta el Ecuador regularmente (dos veces cada período orbital de 11 h 6 min). Fobos y Deimos pueden interponerse en el camino de un ascensor espacial areoestacionario; por otro lado, 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 anclaje, habrá una abundancia de carbono cerca de Marte. Esto podría proporcionar recursos fácilmente disponibles para una futura colonización en Marte.
Fobos está bloqueado por las mareas : un lado siempre está de cara a su lado primario, Marte. Un elevador que se extendiera 6.000 km desde ese lado interior terminaría a unos 28 kilómetros por encima de la superficie marciana , justo fuera de las partes más densas de la atmósfera de Marte . Un cable similar que se extendiera 6.000 km en la dirección opuesta contrarrestaría al primero, por lo que el centro de masas de este sistema permanece en Fobos. En total, el ascensor espacial se extendería más de 12.000 km, que estarían por debajo de la órbita areoestacionaria de Marte (17.032 km). Todavía sería necesario un lanzamiento de 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 (1872 km/h) de Delta-v para llegar al ascensor espacial. Fobos orbita a 2,15 km/s y la parte más externa del ascensor espacial giraría alrededor de Marte a 3,52 km/s. [72] [73]
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 un ascensor sea sostenido por la fuerza centrífuga (la proximidad de la Tierra significa que no hay una órbita lunar estacionaria efectiva), pero las fuerzas de gravedad diferencial significan que un ascensor podría construirse a través de puntos de Lagrange . Un ascensor 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 ascensor debe superar la altitud máxima L1 de 59.548 km, y sería considerablemente más largo para reducir la masa del contrapeso del ápice requerido. [74] Un ascensor lunar del lado lejano pasaría por el punto de Lagrange L2 y necesitaría ser más largo que en el lado cercano; de nuevo, la longitud de la atadura depende de la masa de anclaje del ápice elegida, pero también podría estar hecho de materiales de ingeniería existentes. [74]
Los asteroides o lunas que giran rápidamente podrían usar cables para expulsar materiales a puntos convenientes, como las órbitas terrestres; [77] o, por el contrario, expulsar materiales para enviar una parte de la masa del asteroide o la luna a la órbita terrestre o a un punto de Lagrange . Freeman Dyson , físico y matemático, sugirió [ cita requerida ] usar sistemas más pequeños como generadores de energía en puntos distantes del Sol donde la energía solar no es económica.
Según Francis Graham, de la Universidad Estatal de Kent, se podría construir un ascensor espacial utilizando los materiales de ingeniería disponibles en la actualidad entre mundos mutuamente bloqueados por las mareas, como Plutón y Caronte o los componentes del asteroide binario 90 Antiope , sin desconexión de los extremos. [78] Sin embargo, se deben utilizar longitudes variables de cable enrollado debido a la elipticidad de las órbitas.
La construcción de un ascensor espacial requeriría una reducción de algunos riesgos técnicos. Se requieren algunos avances en ingeniería, fabricación y tecnología física. [2] Una vez construido el primer ascensor espacial, el segundo y todos los demás podrían utilizar los anteriores para ayudar en la construcción, lo que reduciría considerablemente sus costos. Estos ascensores espaciales posteriores también se beneficiarían de la gran reducción del riesgo técnico lograda con la construcción del primer ascensor espacial. [2]
Antes del trabajo de Edwards en 2000, [16] la mayoría de los conceptos para construir un ascensor espacial tenían el cable fabricado en el espacio. Se pensaba que esto 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 o un objeto cercano a la Tierra como material de origen. [15] [79] 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 requerían el desarrollo de tecnologías para la fabricación en el espacio de grandes cantidades de materiales exigentes. [35] : 326
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. [2] [16] [35] : 326 El carrete se estacionaría inicialmente en una órbita geoestacionaria por encima del punto de anclaje planificado. Un cable largo se dejaría caer "hacia abajo" (hacia la Tierra) y se equilibraría con una masa que se dejaría caer "hacia arriba" (lejos de la Tierra) para que todo el sistema permaneciera en la órbita geoestacionaria. Los diseños anteriores imaginaban que la masa de equilibrio sería otro cable (con contrapeso) que se extendía hacia arriba, con el carrete principal permaneciendo en el nivel de la órbita geoestacionaria original. La mayoría de los diseños actuales elevan el propio carrete a medida que se desenrolla el cable principal, un proceso más simple. Cuando el extremo inferior del cable sea lo suficientemente largo para alcanzar la superficie de la Tierra (en el ecuador), se anclaría. Una vez anclado, el centro de masas se elevaría más (añadiendo masa en el extremo superior o soltando más cable). Esto añadiría más tensión a todo el cable, que luego podría utilizarse como cable elevador.
Un plan de construcción utiliza cohetes convencionales para colocar un cable semilla inicial de "tamaño mínimo" de sólo 19.800 kg. [2] Esta primera cinta muy pequeña sería adecuada para soportar el primer escalador de 619 kg. Los primeros 207 escaladores transportarían 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 escalador.
En los primeros sistemas, los tiempos de tránsito desde la superficie hasta el nivel de la órbita geoestacionaria 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 protección contra la radiación mediante blindaje, lo que añadiría masa al vehículo y reduciría la carga útil. [80]
Un ascensor espacial presentaría un riesgo para la navegación, tanto para aeronaves como para naves espaciales. Las aeronaves podrían ser desviadas por restricciones de control del tráfico aéreo . Todos los objetos en órbitas estables que tengan un perigeo por debajo de la altitud máxima del cable y que no estén sincronizados con el cable eventualmente impactarían contra el cable, a menos que se tomen medidas para evitarlo. Una posible solución propuesta por Edwards es usar un ancla móvil (un ancla marina) para permitir que la correa "esquive" cualquier residuo espacial lo suficientemente grande como para rastrearlo. [2]
Los impactos de objetos espaciales como meteoritos, micrometeoritos y desechos artificiales en órbita plantean otra limitación de diseño para el cable. Un cable debería estar diseñado para maniobrar sin que se produzcan daños en el camino de los desechos o absorber impactos de desechos pequeños sin romperse. [ cita requerida ]
Con un ascensor espacial, los materiales podrían enviarse a órbita a una fracción del costo actual. A partir de 2022, los diseños de cohetes convencionales cuestan alrededor de US$12.125 por kilogramo (US$5.500 por libra ) para su transferencia a la órbita geoestacionaria. [81] Las propuestas actuales de ascensores espaciales prevén precios de carga útil a partir de tan solo US$220 por kilogramo (US$100 por libra ), [82] similar a las estimaciones de US$5–US$300/kg del bucle de lanzamiento , pero más altas que los US$310/tonelada a una órbita de 500 km cotizados al Dr. Jerry Pournelle para un sistema de dirigible orbital. [83]
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 costes del 95 por ciento y podría potencialmente controlar todas las actividades espaciales". [84]
El Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC) es una corporación estadounidense sin fines de lucro 501(c)(3) [85] formada para promover el desarrollo, la construcción y el funcionamiento de un ascensor espacial como "una forma revolucionaria y eficiente de llegar al espacio para toda la humanidad". [86] Se formó después de la Conferencia de Ascensores Espaciales en Redmond, Washington, en julio de 2008 y se convirtió en una organización afiliada a la Sociedad Nacional del Espacio [87] en agosto de 2013. [86] El ISEC organiza una conferencia anual sobre Ascensores Espaciales en el Museo del Vuelo de Seattle . [88] [89] [90]
ISEC se coordina con las otras dos sociedades principales centradas en los ascensores espaciales: la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales [91] y EuroSpaceward. [92] ISEC apoya simposios y presentaciones en la Academia Internacional de Astronáutica [93] y el Congreso de la Federación Astronáutica Internacional [94] cada año.
El concepto convencional actual de un "ascensor espacial" ha evolucionado desde una estructura de compresión estática que llega hasta el nivel de la GEO, hasta la idea básica moderna de una estructura de tracción estática anclada al suelo y que se extiende hasta muy por encima del nivel de la GEO. En el uso actual por parte de los profesionales (y en este artículo), un "ascensor espacial" significa el tipo Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson según lo considera el Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales. Este tipo convencional es una estructura estática fijada al suelo y que se extiende hacia el espacio a una altura suficiente para que la carga pueda trepar por la estructura desde el suelo hasta un nivel en el que una simple liberación pondrá la carga en órbita . [95]
Algunos conceptos relacionados con esta línea de base moderna no suelen denominarse "elevadores espaciales", pero son similares de alguna manera y sus defensores a veces los denominan "elevadores espaciales". Por ejemplo, Hans Moravec publicó un artículo en 1977 llamado "Un gancho espacial orbital no sincrónico " en el que describía un concepto que utilizaba un cable giratorio. [96] 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 que se iba a "elevar". Agarraría dinámicamente y luego "elevaría" los objetos que volaran a gran altura a la órbita o los objetos que orbitaran a baja altura a una órbita más alta.
El concepto original concebido por Tsiolkovsky era una estructura de compresión, un concepto similar a un mástil aéreo . Si bien estas estructuras pueden alcanzar el 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 elevador espacial clásico (que llegue por encima del nivel de GEO). [6] Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las demandas de los vehículos de lanzamiento. [97] El vehículo se "eleva" hasta la torre, que puede extenderse hasta por encima de la atmósfera , y se lanza desde la parte superior. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para acceder a altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 mi). [97] [98] [99]
El aerovator es un concepto inventado por un grupo de Yahoo que discutía sobre ascensores espaciales, e incluido en un libro de 2009 sobre ascensores espaciales. Consistiría en una cinta de más de 1000 km de largo que se extendería en diagonal hacia arriba desde un eje a nivel del suelo y luego se estabilizaría hasta quedar horizontal. Los aviones tirarían de la cinta mientras vuelan en un círculo, lo que haría que la cinta girara alrededor del eje una vez cada 13 minutos con su punta viajando a 8 km/s. La cinta se mantendría en el aire mediante una combinación de sustentación aerodinámica y fuerza centrífuga. Las cargas útiles subirían por la cinta y luego serían lanzadas desde la punta en rápido movimiento hacia la órbita. [100]
Otros conceptos para el lanzamiento espacial no basado en cohetes relacionados con un ascensor espacial (o partes de un ascensor espacial) incluyen un anillo orbital , una fuente espacial , un bucle de lanzamiento , un gancho celestial , una atadura espacial y un "eje espacial" flotante. [101]
![{\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)
![{\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho }{T}}\times 4.85\times 10^{7}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b72d33815544c2f3ddbc4392e335414437efe7d7)
![{\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho \times 9.81\times (6.378\times 10^{6})^{2}}{T}}\left({\frac {1}{6.378\times 10^{6}}}+{\frac {(6.378\times 10^{6})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}-{\frac {1}{4.2164\times 10^{7}}}-{\frac {(4.2164\times 10^{7})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/488f8fb80b85d882cec55b0283a0b64ab410df64)
{{cite report}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)"Esto es extremadamente complicado. No creo que sea realmente realista tener un ascensor espacial", dijo Elon Musk durante una conferencia en el MIT, añadiendo que sería más fácil "tener un puente entre Los Ángeles y Tokio" que un ascensor que pudiera llevar material al espacio.
"Entendemos que es un proyecto difícil", dice Yoji Ishikawa. "Nuestra tecnología es muy pobre. Si necesitamos estar al 100% para construir un ascensor, ahora estamos en el 1 o 2%, pero no podemos decir que este proyecto no sea posible".
El principal obstáculo es que ningún material conocido tiene la combinación necesaria de ligereza y resistencia necesaria para el cable, que debe ser capaz de soportar su propio peso. Los nanotubos de carbono se promocionan a menudo como una posibilidad, pero solo tienen alrededor de una décima parte de la relación resistencia-peso necesaria y no se pueden convertir en filamentos de más de unos pocos centímetros de largo, y mucho menos miles de kilómetros. Los nanohilos de diamante, otra forma exótica de carbono, podrían ser más fuertes, pero sus propiedades aún se comprenden mal.
Feng Ding, de la Universidad Politécnica de Hong Kong, y sus colegas simularon nanotubos de carbono con un solo átomo fuera de lugar, convirtiendo dos de los hexágonos en un pentágono y un heptágono, y creando una torcedura en el tubo. Descubrieron que este simple cambio era suficiente para reducir la resistencia ideal de un nanotubos de carbono a 40 GPa, y el efecto era aún más severo cuando aumentaban el número de átomos desalineados... Esas son malas noticias para las personas que quieren construir un ascensor espacial, un cable entre la Tierra y un satélite en órbita que proporcionaría un fácil acceso al espacio. Las estimaciones sugieren que un cable de este tipo necesitaría una resistencia a la tracción de 50 GPa, por lo que los nanotubos de carbono eran una solución prometedora, pero la investigación de Ding sugiere que no funcionarán.
Los cálculos recientes de Nicola Pugno, del Politécnico de Turín (Italia), sugieren que los cables de nanotubos de carbono no funcionarán... Según sus cálculos, el cable tendría que ser el doble de resistente que cualquier material existente, incluidos el grafito, el cuarzo y el diamante.
Muy bien, los planes de ascensores espaciales han vuelto al punto de partida, gente. Los nanotubos de carbono probablemente no serán nuestra solución material para un ascensor espacial, porque aparentemente incluso un defecto minúsculo (léase: atómico) en el diseño disminuye drásticamente la resistencia.
Durante los últimos diez años, se suponía que la única energía disponible provendría de la superficie de la Tierra, ya que era económica y tecnológicamente factible. Sin embargo, durante los últimos diez años de debates, artículos de conferencias, estudios cósmicos de la IAA e interés en todo el mundo, muchas discusiones han llevado a algunas personas a las siguientes conclusiones: • La tecnología de paneles solares está mejorando rápidamente y permitirá suficiente energía para escalar • Se están produciendo enormes avances en estructuras livianas desplegables.
