Un ascensor espacial , también conocido como puente espacial , escalera estelar y ascensor orbital , es un tipo propuesto de sistema de transporte planeta-espacio, [1] a menudo representado en la ciencia ficción. El componente principal sería un cable (también llamado tether ) anclado a la superficie y que se extendería hacia el espacio. Un ascensor espacial terrestre 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 sostuviera en alto, bajo tensión y estacionario sobre una única posición en la Tierra. Con la correa desplegada, los escaladores (rastreadores) podían subir y bajar repetidamente 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 de la Tierra, y su órbita, sin el uso de grandes cohetes .
La idea del ascensor espacial parece haberse desarrollado de forma independiente en diferentes épocas 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 celeste 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 un medio más seguro y más alternativa 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 de ascensor espacial llegó a Estados Unidos en 1975 cuando Jerome Pearson comenzó a investigar la idea, inspirado en el discurso de Arthur C. Clarke de 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 terrestre baja. 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, el viento y las cargas útiles en movimiento de la Luna. Construir el ascensor habría requerido miles de viajes en transbordador espacial , aunque el material podría transportarse una vez que una hebra de resistencia mínima alcanzara el suelo o fabricarse en el espacio a partir de minerales asteroidales o lunares . Los hallazgos de Pearson, publicados en Acta Astronautica, llamaron la atención de Clarke y llevaron a consultas técnicas para la novela de ciencia ficción de Clarke Las fuentes del paraíso (1979), [12] que presenta un ascensor espacial. [13] [14]
La primera reunión de varios expertos que querían investigar esta alternativa a los vuelos espaciales tuvo lugar en la conferencia de la NASA de 1999 "Taller avanzado de infraestructura espacial sobre conceptos de ascensores espaciales Tether en órbita geoestacionaria". en Huntsville, Alabama. [15] DV Smitherman, Jr., publicó los hallazgos en agosto de 2000 bajo el título ' Elevadores espaciales: una infraestructura terrestre-espacial avanzada para el nuevo milenio' , y concluyó que el ascensor espacial no podría construirse hasta dentro de al menos otros 50 años. debido a preocupaciones sobre el material, el despliegue y el mantenimiento del cable. [dieciséis]
El Dr. BC Edwards sugirió que una cinta delgada como el papel de 100.000 km (62.000 millas) 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 su bajo peso [ 17]. La forma de la sección transversal 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), en su trabajo participaron más de 20 instituciones y 50 participantes. [18] El Informe final de la fase II del NIAC del ascensor espacial, en combinación con el libro The Space Elevator : A Revolutionary Earth-to-Space Transportation System ( Edwards y Westling, 2003) [19] resumió todos los esfuerzos para diseñar un ascensor espacial [18 ] incluido el escenario de despliegue, el diseño del escalador, el sistema de suministro de energía, la prevención 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. [2] [20] [21] Además, investigó la integridad estructural y las capacidades de carga de los cables de los ascensores espaciales, 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 . [15]
Para acelerar el desarrollo de los ascensores espaciales, los proponentes han organizado varios concursos , similares al Premio Ansari X , para tecnologías relevantes. [22] [23] Entre ellos se encuentran Elevator:2010 , que organizó competencias anuales para escaladores, cintas y sistemas de rayos de energía de 2005 a 2009, la competencia Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, [24] así como el programa Centennial Challenges de la NASA , que, en marzo de 2005, anunció una asociación con la Fundación Spaceward (el operador de Elevator:2010), elevando el valor total de los premios a 400.000 dólares estadounidenses. [25] [26] El primer Desafío Europeo de Ascensores Espaciales (EuSEC) para establecer una estructura de escalador tuvo lugar en agosto de 2011. [27]
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 resistentes materiales a varias empresas de vidrio, plástico y metal. Aunque LiftPort espera utilizar eventualmente nanotubos de carbono En la construcción de un ascensor espacial de 100.000 km (62.000 millas), esta medida le permitirá ganar dinero a corto plazo y realizar investigación y desarrollo de nuevos métodos de producción". [28] 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 de ascensor espacial" 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) (aprox. 13 hojas de papel) de espesor, levantada con globos. [29] En abril de 2019, el director ejecutivo de Liftport, Michael Laine, admitió que se habían logrado pocos avances en las elevadas ambiciones de la compañía en materia de ascensores espaciales, incluso después de recibir más de 200.000 dólares en financiación inicial. La instalación de fabricación de nanotubos de carbono que Liftport anunció en 2005 nunca se construyó. [30]
En 2007, Elevator:2010 celebró los juegos Space Elevator 2007, que incluyeron premios de 500.000 dólares estadounidenses para cada una de las dos competiciones (1.000.000 de dólares en total), así como 4.000.000 de dólares adicionales que se otorgarán durante los próximos cinco años para tecnologías relacionadas con ascensores espaciales. [31] Ningún equipo ganó la competencia, pero un equipo del MIT ingresó a la competencia con el primer nanotubo de 2 gramos (0,07 oz) y 100 por ciento de carbono. [32] Japón celebró una conferencia internacional en noviembre de 2008 para elaborar un calendario para la construcción del ascensor. [33]
En 2012, Obayashi Corporation anunció que podría construir un ascensor espacial para 2050 utilizando tecnología de nanotubos de carbono. [34] El escalador de pasajeros del diseño podría alcanzar el nivel GEO después de un viaje de 8 días. [35] Se publicaron más detalles en 2016. [36]
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 sujeción, que se proyectaba que alcanzaría la resistencia específica necesaria en 20 años. El estudio de cuatro años de duración examinó 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 operativamente a impactos más pequeños y evitar impactos más grandes, con meteoros y desechos espaciales, y que el costo estimado de llevar un kilogramo de carga útil a la órbita geoestacionaria y más allá sería de 500 dólares. [37] [38] [ ¿ fuente autoeditada? ]
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 todavía una hebra de nanotubos de carbono perfectamente formada de más de un metro de longitud. De este modo, "congelan" el proyecto y también siguen de cerca los avances en el campo de los nanotubos de carbono. [39]
En 2018, investigadores de la Universidad Shizuoka de Japón lanzaron STARS-Me, dos CubeSats conectados por una correa, sobre los que viajará un mini ascensor. [40] [41] El experimento se lanzó como un banco de pruebas para una estructura más grande. [42]
En 2019, la Academia Internacional de Astronáutica publicó "Road to the Space Elevator Era", [43] un informe de estudio que resume la evaluación del ascensor espacial hasta el verano de 2018. La esencia es que un amplio grupo de profesionales espaciales reunió y evaluó el estado del desarrollo de los ascensores espaciales, cada uno aportando su experiencia y llegando a conclusiones similares: (a) Los ascensores espaciales terrestres parecen factibles, lo que refuerza la conclusión del estudio IAA de 2013 (b) El inicio del desarrollo de los ascensores espaciales está más cerca de lo que la mayoría piensa. Esta última conclusión se basa en un proceso potencial para fabricar grafeno monocristalino a macroescala [44] con mayor resistencia específica que los nanotubos de carbono .
Una dificultad importante a la hora de fabricar 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 puede 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 , con el peso del sistema sostenido desde arriba mediante fuerzas centrífugas. En los conceptos de tracción, una correa 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 espesor del cable se estrecha según la tensión; tiene su máximo en una órbita geoestacionaria y el mínimo en tierra.
El concepto es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes . Para lugares del Sistema Solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte ), los requisitos de relación resistencia-densidad para los materiales de sujeción no son tan problemáticos. Los materiales disponibles actualmente (como el Kevlar ) son lo suficientemente fuertes y livianos como para ser prácticos como material de sujeción para los ascensores allí. [45]
Los materiales disponibles no son lo suficientemente fuertes y livianos para que un ascensor espacial terrestre sea práctico. [46] [47] [48] Algunas fuentes esperan que los avances futuros en los nanotubos de carbono (CNT) puedan conducir a un diseño práctico. [2] [20] [28] Otras fuentes creen que los CNT nunca serán lo suficientemente fuertes. [49] [50] [51] Las posibles alternativas futuras incluyen nanotubos de nitruro de boro , nanohilos de diamante [52] [53] y grafeno monocristalino a macroescala . [44]
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 unos ingenieros construyen un ascensor espacial en la cima de una montaña en el país insular ficticio de "Taprobane". " (basada libremente en Sri Lanka , aunque trasladada al sur del 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 curso 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 habichuelas" de Ecuador es en realidad un secuestro bajo custodia de un niño. 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 Old Man's War de John Scalzi de 2005 . En una versión biológica, la novela de Joan Slonczewski de 2011, The Highest Frontier, muestra a un estudiante universitario ascendiendo por un ascensor espacial construido con cables autocurativos de bacilos del ántrax. Las bacterias diseñadas pueden regenerar los cables cuando los cortan los desechos espaciales.
Un cable de 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 ascendente en la dirección opuesta a la fuerza gravitacional descendente. Cuanto más arriba del cable se encuentre el objeto, menor será la atracción gravitacional de la Tierra y más fuerte será 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 sujetos al cable tiren de él hacia arriba . Debido a que el contrapeso, por encima de GEO, gira alrededor de la Tierra más rápido que la velocidad orbital natural para esa altitud, ejerce una tracción centrífuga sobre el cable y, por lo tanto, mantiene todo el sistema en alto.
La fuerza neta que ejercen los objetos sujetos al cable se denomina campo gravitacional aparente . El campo gravitacional aparente para los objetos adheridos es la gravedad (hacia abajo) menos la fuerza centrífuga (hacia arriba). La gravedad aparente experimentada por un objeto sobre 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: [54] : Tabla 1
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 (r 1 ) depende de la masa del planeta y de su velocidad de rotación. Al establecer la gravedad real igual a la aceleración centrífuga se obtiene: [54] : p. 126
Se trata de 35.786 km (22.236 millas) sobre la superficie de la Tierra, la altitud de la órbita geoestacionaria. [54] : Tabla 1
En el cable 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 inicialmente aceleraría 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 hacia arriba los objetos unidos al cable . Cualquier objeto liberado del cable por encima del nivel geosincrónico inicialmente aceleraría hacia arriba a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría hacia el oeste desde el cable.
Históricamente, el principal problema técnico ha sido considerado la capacidad del cable para sostener, con tensión, el peso de sí mismo por debajo de un punto determinado. La mayor tensión en el cable de un ascensor espacial se encuentra en el punto de la órbita geoestacionaria, a 35.786 km (22.236 millas) 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 millas). Un cable que tiene una sección transversal más gruesa a esa altura que en la superficie podría soportar mejor su propio peso en una longitud más larga. Por lo tanto, la forma en que el área de la sección transversal disminuye desde el máximo en 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 el exceso de resistencia utilizable para una cantidad dada de material de cable, el área de la sección transversal del cable necesitaría 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. [54] [55] El criterio de tensión constante es un punto de partida en el diseño del área de la sección transversal del cable, ya 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. [56] 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 en altitud y tiempo. [56] 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: [54]
dónde
El margen de seguridad se puede calcular dividiendo T por el factor de seguridad deseado. [54]
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/m 3 ). Los materiales de baja resistencia específica requieren relaciones de conicidad muy grandes, lo que equivale a una masa total grande (o astronómica) del cable con costos asociados grandes o imposibles.
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 ascensor espacial terrestre, la rotación de la Tierra crea una fuerza centrífuga ascendente sobre el contrapeso. El contrapeso se mantiene presionado por el cable mientras que el contrapeso sostiene el cable hacia arriba y tenso. 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 para la estación base/ancla son típicamente estaciones móviles, grandes buques oceánicos u otras plataformas móviles. Las estaciones base móviles tendrían la ventaja sobre los conceptos estacionarios anteriores (con anclajes terrestres) al poder maniobrar para evitar fuertes vientos, 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 a la base más sencillo y menos costoso. También tendrían la ventaja de poder estar a gran altura, como en la cima de 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 sujeción en altitudes más altas. [6] La combinación de una estructura de compresión con una estructura de tensión reduciría las cargas de la atmósfera en el extremo terrestre de la atadura y reduciría la distancia hacia el campo de gravedad de la Tierra que el cable necesita extender, y así reduciría la resistencia crítica a la tensión. requisitos de densidad para el material del cable, siendo iguales todos los demás factores de diseño.
Un cable de ascensor espacial tendría que soportar su propio peso además del peso adicional de los escaladores. La resistencia requerida del cable variará a lo largo de su longitud. Esto se debe a que en varios puntos tendría que soportar el peso del cable de abajo o proporcionar una fuerza hacia abajo para retener el cable y el contrapeso de arriba. La tensión máxima en el cable de un ascensor espacial estaría a una altitud geosincrónica, por lo que el cable tendría que ser más grueso allí y estrecharse a medida que se acerca a la Tierra. Cualquier diseño potencial de cable puede caracterizarse por el factor de conicidad: la relación entre el radio del cable en una altitud geosincrónica y en la superficie de la Tierra. [57]
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 Edwards supone un material de cable con una resistencia a la tracción de al menos 100 gigapascales . [2] Dado que Edwards asumió consistentemente que la densidad de su cable de nanotubos de carbono era 1300 kg/m 3 , [17] eso implica una resistencia específica de 77 megapascal/(kg/m 3 ). 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 4.960 kilómetros (3.080 millas) de su propio peso al nivel del mar para alcanzar una altitud geoestacionaria de 35.786 km (22.236 millas) sin ceder. [58] Por lo tanto, se necesita un material con muy alta resistencia y ligereza.
En comparación, metales como el titanio, el acero o las aleaciones de aluminio tienen longitudes de rotura de sólo 20 a 30 km (0,2 a 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 a 400 km (1,0 a 4,0 MPa/(kg/m 3 )). Se espera que los materiales fabricados mediante nanoingeniería, como los nanotubos de carbono y, más recientemente descubiertas, las cintas de grafeno (hojas de carbono bidimensionales perfectas) tengan longitudes de rotura de 5.000 a 6.000 km (50 a 60 MPa/(kg/m 3 )), y también son capaces de conducir energía eléctrica. [ cita necesaria ]
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. [59] Por esta razón, se ha centrado la atención en el desarrollo de nuevos materiales que cumplan con los exigentes requisitos de resistencia específicos. Para una alta fuerza específica, el carbono tiene ventajas porque es solo el sexto elemento en la tabla periódica . El carbono tiene comparativamente pocos protones y neutrones que contribuyen a la mayor parte del peso muerto de cualquier material. La mayoría de las fuerzas de enlace interatómico de cualquier elemento son aportadas únicamente por unos 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 materiales que aún sean perfectos a escala microscópica (ya que los defectos microscópicos son los principales responsables de la debilidad del material). [59] [60] [61] A partir de 2014, la tecnología de nanotubos de carbono permitió cultivar tubos de hasta unas pocas décimas de metros. [62]
En 2014, se sintetizaron por primera vez nanohilos de diamante . [52] 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. [53]
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 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 escaladores necesitarían ser guiados 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 y varios escaladores al mismo tiempo. Esto aumentaría un poco el rendimiento, pero reduciría la masa de cada carga útil individual. [63]
La velocidad horizontal, es decir, 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 la periapsis a la misma altitud que LEO y la apoapsis a la altura de liberación. Al aumentar la altura de liberación, la órbita se volvería menos excéntrica a medida que aumentan tanto la periapsis como la apoapsis, volviéndose circular a nivel geoestacionario. [64] [65]
Cuando la carga útil ha alcanzado la GEO, la velocidad horizontal es exactamente la velocidad de una órbita circular a ese nivel, de modo que, si se suelta, permanecería adyacente a ese punto del cable. La carga útil también puede seguir subiendo por el cable más allá de GEO, lo que le permite obtener una mayor velocidad en el momento del descarte. Si se lanzara desde 100.000 kilómetros, la carga útil tendría suficiente velocidad para alcanzar el cinturón de asteroides. [56]
Cuando una carga útil se eleva en un ascensor espacial, ganaría no sólo 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 la que avanza. Se trata de la fuerza de Coriolis : el escalador "arrastra" (hacia el oeste) el cable a medida que asciende, y disminuye ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra. El proceso opuesto ocurriría con cargas útiles descendentes: el cable se inclina hacia el este, aumentando así 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 regresar a la orientación vertical energéticamente favorable, por lo que después de que se haya levantado un objeto sobre el cable, el contrapeso se balancearía hacia la vertical, un poco como un péndulo. [63] Los ascensores espaciales y sus cargas se diseñarían de modo que el centro de masa esté siempre lo suficientemente por encima del nivel de la órbita geoestacionaria [66] para sostener todo el sistema. Las operaciones de elevación y descenso deberían planificarse cuidadosamente para mantener bajo control el movimiento pendular del contrapeso alrededor del punto de sujeción. [67]
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 escaladores también necesitarían mantener una velocidad promedio mínima para poder mover el material hacia arriba y hacia abajo de manera económica y rápida. [68] A la velocidad de un automóvil o tren muy rápido de 300 km/h (190 mph), tardará unos 5 días en ascender a la órbita geosincrónica. [69]
Tanto la potencia como la energía son cuestiones 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 proporcionar energía al escalador:
La transferencia de energía inalámbrica, como la transmisión de energía láser, se considera actualmente el método más probable, utilizando láseres de estado sólido o de electrones libres de megavatios en combinación con espejos adaptativos de aproximadamente 10 m (33 pies) de ancho y una matriz fotovoltaica en el escalador sintonizado con el láser. frecuencia para mayor eficiencia. [2] Para los diseños de trepadores impulsados por rayos de energía, esta eficiencia es un objetivo de diseño importante. La energía no utilizada tendría que ser reirradiada 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 utilizar la conductividad de los nanotubos de carbono para proporcionar energía. [33]
Se han propuesto varias soluciones para actuar como contrapeso:
Extender el cable tiene la ventaja de cierta simplicidad 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 permitiría su lanzamiento al espacio interplanetario. Su desventaja es la necesidad de producir mayores cantidades de material para cables en lugar de utilizar cualquier cosa disponible que tenga masa.
Un objeto acoplado a un ascensor espacial en un radio de aproximadamente 53.100 km estaría a velocidad de escape cuando se soltara. Las órbitas de transferencia a los puntos lagrangianos L1 y L2 podrían alcanzarse mediante liberación a 50.630 y 51.240 km, respectivamente, y transferencia a la órbita lunar desde 50.960 km. [72]
Al final del cable de 144.000 km (89.000 millas) de Pearson, la velocidad tangencial es de 10,93 kilómetros por segundo (6,79 mi/s). Esto es más que suficiente para escapar del campo gravitacional de la Tierra y enviar sondas al menos hasta Júpiter . Una vez en Júpiter, una maniobra de asistencia gravitacional podría permitir alcanzar la velocidad de escape solar. [54]
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. La gravedad de la superficie de Marte 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 ascensor podría ser mucho más corto. Los materiales actuales ya son suficientemente resistentes para construir un ascensor de este tipo. [73] La construcción de un ascensor marciano sería complicada por la luna marciana Fobos , que se encuentra en una órbita baja y cruza 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 areostacionario; por otro lado, pueden aportar recursos útiles al proyecto. Se prevé que Fobos contenga grandes cantidades de carbono. Si los nanotubos de carbono se vuelven factibles como material de sujeción, habrá 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 mira hacia su principal, Marte. Un ascensor que se extendiera 6.000 kilómetros desde ese lado interior terminaría a unos 28 kilómetros sobre 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 dirección opuesta compensaría al primero, por lo que el centro de masa de este sistema permanece en Fobos. En total, el ascensor espacial se extendería a lo largo de 12.000 km, quedando por debajo de la órbita aostacionaria de Marte (17.032 km). Aún 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 estaría girando alrededor de Marte a 0,77 km/s, por lo que sólo 0,52 km/s (1872 km/h) de Delta-v serían necesario para llegar al ascensor espacial. Fobos orbita a 2,15 km/s y la parte más exterior del ascensor espacial rotaría alrededor de Marte a 3,52 km/s. [74] [75]
La Luna de la Tierra es una ubicación potencial para un ascensor espacial lunar , especialmente porque la fuerza específica requerida para la correa es lo suficientemente baja como para utilizar los materiales disponibles actualmente. La Luna no gira lo suficientemente rápido como para que un ascensor sea sostenido por fuerza centrífuga (la proximidad de la Tierra significa que no existe una órbita lunar estacionaria efectiva), pero las fuerzas de gravedad diferencial significan que se podría construir un ascensor a través de puntos lagrangianos . 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 exceder la altitud máxima L1 de 59.548 km, y sería considerablemente más largo. para reducir la masa del contrapeso del ápice requerido. [76] Un ascensor lunar del lado lejano pasaría por el 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 ápice elegida, pero también podría estar hecha de materiales de ingeniería existentes. [76]
Los asteroides o lunas que giran rápidamente podrían utilizar cables para expulsar materiales a puntos convenientes, como las órbitas terrestres; [79] o por el contrario, expulsar materiales para enviar una porción de la masa del asteroide o de la luna a la órbita terrestre o a un punto lagrangiano . Freeman Dyson , físico y matemático, sugirió [ cita necesaria ] utilizar 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 materiales de ingeniería actualmente disponibles entre mundos mutuamente bloqueados por mareas, como Plutón y Caronte o los componentes del asteroide binario 90 Antiope , sin desconexión terminal. [80] Sin embargo, se deben utilizar longitudes variables de cable enrolladas debido a la elipticidad de las órbitas.
La construcción de un ascensor espacial requeriría la reducción de algunos riesgos técnicos. Se requieren algunos avances en ingeniería, fabricación y tecnología física. [2] Una vez construido 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. 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, [17] la mayoría de los conceptos para construir un ascensor espacial tenían el cable fabricado en el espacio. Se pensó 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 u objeto cercano a la Tierra como material de origen. [81] [82] Estos conceptos anteriores para la construcción requieren una gran infraestructura espacial preexistente para maniobrar un asteroide hacia 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. [83]
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] [17] [83] El carrete estaría inicialmente estacionado en una órbita geoestacionaria sobre el 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 geosincrónica. 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 geosincrónica original. La mayoría de los diseños actuales elevan el carrete a medida que se despliega el cable principal, un proceso más simple. Cuando el extremo inferior del cable sea lo suficientemente largo como para llegar a la superficie de la Tierra (en el ecuador), quedará 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 cable de ascensor.
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 suficiente para soportar al primer escalador de 619 kg. Los primeros 207 escaladores transportarían y sujetarían más cable al original, aumentando su 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.
Para los primeros sistemas, los tiempos de tránsito desde la superficie hasta el nivel de la órbita geosincrónica serían de unos cinco días. En estos primeros sistemas, el tiempo dedicado a moverse a través de los cinturones de radiación de Van Allen sería suficiente para que los pasajeros necesitaran estar protegidos de la radiación mediante blindajes, lo que agregaría masa al escalador y disminuiría la carga útil. [84]
Un ascensor espacial presentaría un peligro para la navegación, tanto para aviones como para naves espaciales. Las restricciones de control del tráfico aéreo podrían desviar los aviones . Todos los objetos en órbitas estables que tengan perigeo por debajo de la altitud máxima del cable y que no estén sincronizados con el cable eventualmente impactarían el cable, a menos que se tomen medidas para evitarlo. Una posible solución propuesta por Edwards es utilizar un ancla móvil (un ancla de mar) para permitir que la correa "esquive" cualquier basura espacial lo suficientemente grande como para rastrearla. [2]
Los impactos de objetos espaciales como meteoritos, micrometeoritos y desechos artificiales en órbita plantean otra limitación de diseño del cable. Sería necesario diseñar un cable para maniobrar fuera del camino de los escombros o absorber impactos de escombros pequeños sin romperse. [ cita necesaria ]
Con un ascensor espacial, los materiales podrían ponerse en órbita a una fracción del coste actual. A partir de 2022, los diseños de cohetes convencionales costarán alrededor de 12.125 dólares por kilogramo (5.500 dólares por libra ) para su transferencia a la órbita geoestacionaria. [85] Las propuestas actuales de ascensores espaciales prevén precios de carga útil a partir de 220 dólares por kilogramo (100 dólares por libra ), [86] similares a las estimaciones de 5 a 300 dólares/kg del circuito de lanzamiento , pero superiores a los 310 dólares/tonelada a 500 km. orbit citado al Dr. Jerry Pournelle para un sistema de dirigible orbital. [87]
Philip Ragan, coautor del libro Leaving the Planet by Space Elevator , afirma que "el primer país que despliegue un ascensor espacial tendrá una ventaja de costes del 95 por ciento y podría potencialmente controlar todas las actividades espaciales". [88]
El Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC) es una corporación estadounidense sin fines de lucro 501(c)(3) [89] formada para promover el desarrollo, la construcción y el funcionamiento de un ascensor espacial como "una manera revolucionaria y eficiente de llegar al espacio para todos". humanidad". [90] Se formó después de la Conferencia sobre Elevadores Espaciales en Redmond, Washington, en julio de 2008 y se convirtió en una organización afiliada a la Sociedad Espacial Nacional [91] en agosto de 2013. [90] ISEC organiza una conferencia anual sobre Elevadores Espaciales en el Museo de Seattle. Vuelo . [92] [93] [94]
ISEC coordina con las otras dos sociedades importantes que se centran en los ascensores espaciales: la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales [95] y EuroSpaceward. [96] ISEC apoya simposios y presentaciones en la Academia Internacional de Astronáutica [97] y el Congreso de la Federación Astronáutica Internacional [98] cada año.
El concepto actual convencional de "ascensor espacial" ha evolucionado desde una estructura estática de compresión que llega hasta el nivel GEO, a la idea básica moderna de una estructura estática tensada anclada al suelo y que se extiende muy por encima del nivel GEO. En el uso actual por parte de los profesionales (y en este artículo), un "ascensor espacial" significa el tipo Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson tal como 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 lo suficientemente alto como para que la carga pueda subir por la estructura desde el suelo hasta un nivel donde una simple liberación la pondrá en órbita . [99]
Algunos conceptos relacionados con esta línea de base moderna no suelen denominarse "ascensor espacial", pero son similares de alguna manera y, a veces, sus proponentes los denominan "ascensor espacial". Por ejemplo, Hans Moravec publicó un artículo en 1977 llamado "A Non-Synchronous Orbital Skyhook " que describe un concepto que utiliza un cable giratorio. [100] 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 enfrentaría dinámicamente y luego "elevaría" objetos voladores altos a órbita o objetos en órbita baja a órbita más alta.
El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión, un concepto similar a un mástil aéreo . Si bien estas estructuras podrían llegar al espacio (100 km, 62 millas), 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 (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. [101] El vehículo se "eleva" por la torre, que puede extenderse hasta por encima de la atmósfera , y se lanza desde lo alto. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para acceder a altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 millas). [101] [102] [103]
El aerovator es un concepto inventado por un grupo de Yahoo que analiza los ascensores espaciales y se incluye en un libro de 2009 sobre ascensores espaciales. Consistiría en una cinta de más de 1.000 km de largo que se extendería diagonalmente hacia arriba desde un centro a nivel del suelo y luego se nivelaría hasta volverse horizontal. Los aviones tirarían de la cinta mientras volaban en 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 permanecería en el aire mediante una combinación de sustentación aerodinámica y fuerza centrífuga. Las cargas útiles treparían por la cinta y luego serían lanzadas desde la punta de rápido movimiento a la órbita. [104]
Otros conceptos para el lanzamiento espacial sin 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 para el cielo , una correa espacial y un "SpaceShaft" flotante. [105]
![{\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}} }\bien bien]}](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\veces 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 de Los Ángeles a Tokio" que un ascensor que pudiera llevar material al espacio.
"Entendemos que es un proyecto difícil", afirma Yoji Ishikawa. 'Nuestra tecnología es muy baja. Si necesitamos llegar a 100 para construir un ascensor, ahora mismo estamos alrededor de 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 para el cable, que debe poder soportar su propio peso. Los nanotubos de carbono a menudo se promocionan como una posibilidad, pero sólo tienen alrededor de una décima parte de la relación resistencia-peso necesaria y no pueden convertirse en filamentos de más de unos pocos centímetros de largo, y mucho menos de miles de kilómetros. Los nanohilos de diamante, otra forma exótica de carbono, podrían ser más fuertes, pero sus propiedades aún no se conocen bien.
Feng Ding, de la Universidad Politécnica de Hong Kong, y sus colegas simularon CNT con un solo átomo fuera de lugar, convirtiendo dos de los hexágonos en un pentágono y un heptágono, y creando una curvatura en el tubo. Descubrieron que este simple cambio era suficiente para reducir la fuerza ideal de un CNT a 40 GPa, siendo el efecto aún más severo cuando aumentaron 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 CNT eran una solución prometedora, pero la investigación de Ding sugiere que no funcionarán.
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 dos veces más resistente que el de cualquier material existente, incluidos grafito, cuarzo y diamante.
Muy bien, los planes de los 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 discusiones, ponencias en 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 obtener suficiente energía para escalar. • Tremendo Se están produciendo avances en estructuras desplegables ligeras.
