Un anillo orbital es un concepto de anillo artificial colocado alrededor de un cuerpo y configurado para girar a una velocidad tal que la fuerza centrífuga aparente sea lo suficientemente grande como para contrarrestar la fuerza de la gravedad . Para la Tierra , la velocidad requerida es del orden de 10 km/s, en comparación con la velocidad típica de la órbita baja de la Tierra de 8 km/s. La estructura está destinada a ser utilizada como estación espacial o como vehículo planetario para transporte a muy alta velocidad o lanzamiento espacial .
Como el cable gira más rápido que la velocidad orbital, existe una fuerza neta hacia afuera que se contrarresta con la tensión interna dentro del cable. Esto resiste cualquier intento de doblarlo y le permite soportar cargas. En concepciones típicas, se coloca una plataforma motorizada sobre el cable que corre en la dirección opuesta a la velocidad que lo hace parecer estacionario sobre el suelo. Sobre el ecuador de la Tierra, una plataforma que corre a 9,5 km/s en la dirección opuesta al cable parecerá estacionaria y permitirá que un cable baje para formar un ascensor espacial . Este ascensor tiene quizás solo 500 kilómetros (310 millas) de largo, que se puede construir con materiales existentes.
El requisito de construir un cable del tamaño de un planeta en una órbita baja terrestre y acelerarlo hasta una velocidad superior a la orbital es un problema práctico obvio. Por ello, se han propuesto otras arquitecturas que utilizan el soporte activo de diferentes maneras y que, por tanto, son capaces de sortear algunas de estas limitaciones. El bucle de lanzamiento es un anillo parcial, de unos 2000 km de longitud, que discurre entre dos estaciones terrestres en lugar de rodear el planeta. El anillo de partículas utiliza una serie de objetos separados que pueden lanzarse individualmente para producir una colección similar a un anillo sólido y luego controlarse magnéticamente, con la desventaja de que no tienen tensión interna y la potencia de elevación se obtiene por separado. La fuente espacial es una versión vertical del concepto de anillo de partículas que forma un ascensor espacial. El anillo atado es una estructura dinámica que utiliza al menos un anillo completo y continuo que no orbita con un diámetro menor que el del cuerpo planetario. Puede construirse en la superficie del planeta, acelerarse hasta la velocidad de funcionamiento y elevarse a una altitud muy elevada mecánicamente tensando sus numerosas ataduras. [1] [2]
El anillo orbital es algo similar al concepto de ascensor espacial "clásico" . En el ascensor espacial tradicional, se coloca una gran estación en órbita geoestacionaria (GEO) de modo que permanezca en una única ubicación por encima del ecuador de la Tierra. A continuación, se construye un cable y se baja hacia la Tierra mientras se construye un segundo cable, que proporciona un contrapeso, hacia arriba desde la estación y permanece en su lugar debido a las fuerzas de marea . Cuando la estructura está completa, los carros similares a ascensores pueden viajar en el cable hasta el espacio. El principal problema es que ninguna sustancia conocida que pueda fabricarse en grandes cantidades tiene la resistencia a la tracción necesaria para extenderse desde la GEO hasta la superficie. Los anillos orbitales utilizan un mecanismo diferente.
En la versión de anillo orbital, un anillo cinético se mueve alrededor del mundo a una velocidad mayor que la velocidad orbital circular. Esto da como resultado una fuerza neta hacia afuera que es contrarrestada por la gravedad que actúa sobre los componentes estacionarios. Esto se puede lograr a cualquier altitud, aunque construir el sistema por encima de los 500 kilómetros (310 millas) para evitar la mayor parte de la atmósfera es un requisito práctico. Luego se baja un cable desde el anillo hasta el suelo y se usa de la misma manera que un ascensor espacial tradicional, con la diferencia de que el cable vertical tiene solo 500 kilómetros (310 millas) de largo en lugar de 100.000 kilómetros (62.000 millas). Esta longitud está dentro de las capacidades de varios materiales conocidos.
Para sostener el elevador, el anillo no es circular sino ligeramente elíptico. Se colocan dos o más estaciones en los extremos altos del recorrido, pero por debajo del punto donde normalmente estaría el apogeo de la órbita. La estación dobla el cable hacia abajo a medida que pasa a través de él para producir una fuerza ascendente sobre la estación. La órbita resultante para un sistema de dos estaciones se parece más a un balón de fútbol americano que a una elipse redondeada. Se puede reducir la cantidad de tensión en el anillo orbital al nivel requerido aumentando la cantidad de sustentación generada al doblar el cable. La principal desventaja es que el cable del elevador ahora está suspendido del punto más alto del sistema, en lugar de estar cerca del suelo.
El anillo móvil no necesita ser sólido ni estar completamente recubierto por una funda sólida. En cambio, se puede colocar una gran cantidad de objetos magnéticos individuales en la órbita deseada, y las estaciones desvían su trayectoria utilizando imanes a medida que pasan. Esta versión del anillo tiene la ventaja de ser mucho más simple de construir, ya que cada elemento del anillo es completamente independiente y se puede lanzar individualmente y no requiere más trabajo una vez en el espacio. [a] Tampoco tiene que ser un anillo completo; dependiendo de la potencia de elevación deseada, la masa total de los objetos podría ser mucho menor que incluso el cable más delgado que gira alrededor de la Tierra. La principal desventaja es que el proceso de intercambio de momento aleatoriza su velocidad, por lo que se requiere algún otro sistema para guiar a los objetos de regreso a las órbitas correctas.
Paul Birch propuso y analizó una descripción detallada del concepto en 1982, proponiendo un anillo masivo que rodearía el globo en una órbita baja, desde el cual colgarían cables hasta la superficie de la Tierra. [3] [4] [5]
En 1982, el inventor soviético Anatoly Yunitskiy también propuso una pista electromagnética que rodea la Tierra, a la que llamó "mediante una rueda hacia el espacio" [6] (más tarde, "Sistema de Transporte de Cuerdas"). Cuando la velocidad de la cuerda supera los 10 km/seg, las fuerzas centrífugas separan la cuerda de la superficie de la Tierra y elevan el anillo hacia el espacio.
Andrew Meulenberg y sus estudiantes, de 2008 a 2011, presentaron y publicaron una serie de artículos basados en los tipos y aplicaciones de los anillos de órbita baja terrestre como "trampolines de la humanidad hacia el espacio". Una descripción general menciona cuatro aplicaciones de los anillos orbitales: comunicación a través de un anillo de fibra óptica , transporte de superficie a órbita con un sistema de "honda sobre un anillo", energía solar basada en el espacio y mitigación del cambio climático con un parasol espacial . El "sling-on-a-ring" implicaría eslingas giratorias (hechas de un tubo de carbono colosal ) unidas al anillo orbital que se sumergen en la atmósfera. La punta de una eslinga dada alcanzaría una altitud de 13 a 15 km en su punto más bajo, y su rotación haría que tuviera una velocidad tangencial cercana a cero en relación con la superficie de la Tierra debajo. En consecuencia, la eslinga podría recoger una carga útil desde un avión convencional que volara a esa altitud y luego elevar esta carga útil hasta el anillo orbital. [7]
Paul Birch publicó una serie de tres artículos en el Journal of the British Interplanetary Society en 1982 que exponían las bases matemáticas de los sistemas de anillos. [3] [4] [5]
En el diseño más simple de un sistema de anillo orbital, se coloca un cable giratorio o posiblemente una estructura espacial inflable en una órbita terrestre baja sobre el ecuador. No en órbita, sino sobre este anillo, sostenidas electromagnéticamente por imanes superconductores , hay estaciones de anillo que permanecen en un lugar sobre un punto designado en la Tierra. Colgando de estas estaciones de anillo hay cables elevadores cortos hechos de materiales con una alta relación resistencia a la tracción/masa.
Aunque este modelo simple funcionaría mejor por encima del ecuador, Paul Birch calculó que, dado que la estación del anillo puede utilizarse para acelerar el anillo orbital hacia el este y para sujetar la cuerda, es posible hacer deliberadamente que el anillo orbital precese alrededor de la Tierra en lugar de permanecer fijo en el espacio mientras la Tierra gira debajo de él. Al hacer precesar el anillo una vez cada 24 horas, el anillo orbital se mantendrá suspendido sobre cualquier meridiano seleccionado en la superficie de la Tierra. Los cables que cuelgan del anillo son ahora geoestacionarios sin tener que alcanzar una altitud geoestacionaria o colocarse en el plano ecuatorial. Esto significa que utilizando el concepto de anillo orbital, uno o varios pares de estaciones pueden ubicarse sobre cualquier punto de la Tierra que se desee, o pueden moverse a cualquier parte del globo. De este modo, cualquier punto de la Tierra puede ser servido por un ascensor espacial. Además, se puede construir una red completa de anillos orbitales que, al cruzar los polos, podría cubrir todo el planeta y ser capaz de asumir la mayor parte del transporte de mercancías y pasajeros. Mediante una serie de elevadores y varias estaciones de anillos geoestacionarios, se puede recibir material de asteroides o de la Luna y depositarlo suavemente donde se necesiten vertederos. La energía eléctrica generada en el proceso financiaría la expansión del sistema y, en última instancia, podría allanar el camino para una actividad de terraformación y astroingeniería en todo el sistema solar sobre una base económica sólida.
Si se construye lanzando los materiales necesarios desde la Tierra, el costo del sistema estimado por Birch en el dinero de la década de 1980 fue de alrededor de $ 31 mil millones (para un sistema "bootstrap" destinado a expandirse a 1000 veces su tamaño inicial durante el año siguiente, lo que de otra manera costaría 31 billones de dólares) si se lanza utilizando hardware derivado del transbordador, mientras que podría caer a $ 15 mil millones con fabricación basada en el espacio, suponiendo que esté disponible una gran instalación de fabricación orbital para proporcionar las 180.000 toneladas iniciales de acero, aluminio y escoria a un bajo costo, e incluso más bajo con anillos orbitales alrededor de la Luna. El costo por kilogramo del sistema para acelerar las cargas útiles a baja velocidad de órbita terrestre sería de alrededor de $ 0,05 en 1975 USD, suponiendo un requisito de energía de 9 kWh / kg (aproximadamente preciso) y un costo aspiracional de electricidad, proporcionado por energía solar basada en el espacio , de 0,005 dólares estadounidenses por kWh. [8]
El tipo más simple sería un anillo orbital circular en LEO .
Paul Birch definió también otros dos tipos:
Además, propuso el concepto de “mundos supramundanos”, como los “planetas” suprajovianos y supraestelares. Se trata de planetas artificiales que estarían sostenidos por una red de anillos orbitales que se situarían por encima de un planeta, una supergigante o incluso una estrella. [9]
Al final de Fuentes del paraíso (1979), de Arthur C. Clarke, se hace una referencia a un anillo orbital que está unido en un futuro lejano al ascensor espacial que es la base de la novela.
3001: La última odisea (1997) de Arthur C. Clarke presenta un anillo orbital sostenido por cuatro enormes torres habitables (supuestas sucesoras de los ascensores espaciales) en el Ecuador.
El manga Battle Angel Alita (1990-1995) presenta de forma destacada un anillo orbital ligeramente deteriorado.
La novela de Star Trek , Ring Around the Sky, presenta un decrépito mundo anillo en órbita sobre el planeta Kharzh'ulla, conectado por una serie de ascensores espaciales con la superficie.
Los anillos orbitales se utilizan ampliamente en el sitio web de creación de mundos de ficción colaborativa Orion's Arm . [10]
La tercera parte del libro de Neal Stephenson de 2015, Seveneves, tiene un anillo orbital alrededor de una Tierra sin Luna.
En la película Starship Troopers , se muestra un anillo orbital que rodea la Luna.
La segunda iteración de la serie de anime Tekkaman presenta un anillo completo, aunque abandonado y en mal estado debido a la guerra, y sin ataduras de superficie.
La serie de anime Kiddy Grade también utiliza anillos orbitales como plataforma de lanzamiento y atraque para naves espaciales. Estos anillos están conectados a grandes torres que se extienden desde la superficie de los planetas.
En el anime Mobile Suit Gundam 00 también aparece un anillo orbital, que consta principalmente de paneles solares conectados entre sí. El anillo está conectado a la Tierra a través de tres ascensores espaciales. Este anillo proporciona energía casi ilimitada a la Tierra. Más adelante en la serie, el anillo también muestra estaciones espaciales montadas en su superficie.
La batalla inicial de Star Wars: The Clone Wars , Temporada 6, Episodio 1, tiene lugar en la estación espacial Ringo Vinda, que tiene forma de anillo y rodea el planeta Ringo Vinda.
También en el universo de Star Wars , los astilleros de Kuat son otro anillo orbital alrededor del mundo de Kuat. En Star Wars: Legends, Dac, el mundo natal de los calamari y los quarrens, tiene un enorme astillero orbital que rodea su planeta oceánico.
En el universo de Warhammer 40,000 , Marte tiene un gran anillo orbital llamado el Anillo de Hierro. Se utiliza principalmente como astillero para naves interestelares. Es la estructura más grande construida por el hombre en la galaxia. El planeta Medusa también tiene un anillo de este tipo, llamado Telstarax, que data de la Edad Oscura de la Tecnología, pero está en gran parte saqueado y destruido.
El juego X3 Terran Conflict presenta un anillo orbital flotante alrededor de la Tierra, que se rompe por una explosión y posteriormente se desorbita en X3: Albion Prelude.
En el juego Xenoblade Chronicles 2 hay un árbol gigante que ha crecido alrededor de la base de un anillo orbital.
En Escape Velocity: Nova, la Tierra ya no tiene una luna orbitando a su alrededor porque se la ha estado extrayendo durante siglos y ahora existe como un anillo orbital alrededor del planeta. Más de la mitad es propiedad de la corporación Sigma Shipyard.
En el juego Stellaris , se pueden construir anillos orbitales alrededor de los planetas colonizados. Pueden actuar como estaciones espaciales normales o pueden impulsar la producción de sus planetas mediante edificios y módulos.
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