En rumløft ... På Jupiter?

Et 100% originalt koncept.

En rumhejs på Jupiter ville være meget forskellig fra en, der er konstrueret på en solid planet (Image Credit: Jack Rometty).

Konceptet

Jeg er nødt til at komme ren. Da jeg første gang overvejede at skrive et indlæg om Medium om rumhevere, skulle jeg gøre det på applikationerne og anvendelserne af jordbaserede rumheiser. Efter mindre end en times undersøgelse opdagede jeg imidlertid, at dette emne allerede var blevet udforsket godt og ikke havde behov for mit stort set spekulative, meningsbaserede input om emnet. Jeg har stadig ønsket at gøre et indlæg om rumheiser, men jeg ville gøre noget nyt.

Så jeg tænkte over konstruktionen af ​​rumheiser på andre planeter og måner i solsystemet, som jeg fandt til min forfærdelse, er også meget godt undersøgt og dokumenteret. Rumhejs på månen kan konstrueres til jord-månens lagrangiske punkter, hvor jordens og månens tyngdekraft annullerer hinanden, og Mars rumhejs er så praktiske, at de kunne konstrueres med nutidens teknologi og materialer på grund af planetens lave tyngdekraft og stadig relativt hurtig spinhastighed.

Et Mars-elevator-koncept.

Jeg følte mig temmelig ubrugelig. Jeg tænkte for mig selv, "Hvilke andre stenede planeter eller måner er der tilbage i solsystemet, der kunne udnytte de praktiske anvendelser af en rumslift ?!" Og så ændrede jeg spørgsmålet. ”Hvorfor skal det være en stenet planet?”

Hvorfor Jupiter?

Fremtidens rumfartøjer bliver sandsynligvis nødt til at bruge lav masse, ikke flygtigt brændstof for at opnå maksimal udstødningshastighed og pres. Et eksempel på et sådant rumfartøj er et skib, der bruger et fusionsdrev, der kombinerer to isotoper af brint, deuterium og tritium, til helium for at opnå tryk. Deuterium og tritium er fantastiske brændstofkilder til fremtidig rumfartøj, men vi finder dem ikke ofte på Jorden på grund af det faktum, at jordens tyngdepunkt ikke er stærk nok til at indeholde disse lavmasse-atomer.

Gå ind i Jupiter. Jupiter er bogstaveligt talt 9/10 brint og 1/10 helium. På dette tidspunkt tænkte jeg på, hvordan det kan være muligt at designe en rumløft til at "scoop" nogle af Jupiters atmosfære i den ene ende og transportere en del af den masse op gennem elevatorskaftet til en orbital station, langt over Jupiters atmosfære, til tjene som et tankstop til interplanetært (eller måske endda interstellært) rumfartøj.

Et tæt op af Jupiters atmosfære fra Juno-rumfartøjet.

Denne applikation kunne sandsynligvis bruges på en hvilken som helst af gasgiganterne, men Jupiter er simpelthen det nærmeste og mest praktiske valg. Når du rejser længere ud af solsystemet, er du allerede sluppet for det meste af solens tyngdepotentiale energi, på hvilket tidspunkt en interstellar rejsende måske spørger sig selv, hvorfor de brugte så meget brændstof til at bremse sig selv til Neptuns orbitalhastighed, kun at skulle gå hurtigere op igen for at fortsætte med deres rejse.

Designet

En traditionel rumhejs består af fire hovedbestanddele; et anker til at tjene som en base, en orbitalstation (eller massiv genstand) til at tjene som en modvægt, en skaft eller bindemiddel, der forbinder de to, og en klatrer eller elevatorbil, der stiger op og ned ad akslen. En rumslift skal være udformet på en sådan måde, at massens centrum af hele strukturen kredser om geostationær bane, så den midterste styrke af modvægten nøjagtigt svarer til tyngdekraften på ankeret, der er fastgjort til en planetarisk overflade. Fastbinderen er altid i spænding, så elevatoren inducerer ingen vægt på Jorden, og kredsløbet kræver ingen ekstra energi (ud over manøvrering af thrustere) for at holde rumheisen stabil.

En jordbaseret rumhejs, som ikke kræver energitilførsel for at forblive stabil.

At designe en rumhejs, der skal fungere i Jupiters atmosfære, vil være ganske anderledes. Da Jupiter ikke har nogen fast overflade, vil “ankeret” være en atmosfærisk struktur, der forbliver højt med kablets spænding og aerodynamiske kræfter. Jupiters mangel på en solid overflade betyder også, at den teknisk set ikke har nogen geostationær bane. Dette forbyder imidlertid ikke konstruktion af en rumslift, så længe massemidten kredser om Jupiter i en stabil, cirkulær bane. Dette er det samme koncept som at forlænge kabler med samme masse ud fra begge ender af ISS, en mod Jorden og en væk fra Jorden. Massens centrum vil altid være ISS, så dets bane vil fortsat være stabilt. Det vil sige, indtil jordens ende af kablet rammer atmosfæren ...

Det er her min rumhøjde afviger mest fra traditionelt design. Fordi den ene ende af en Jupiter-rumhejs altid ville være i atmosfæren ved design, vil den ende konstant opleve en bagudkraft, og fordi denne kraft kun er i den ene ende af rumheisen, også et resulterende drejningsmoment. Dette kræver tryk fra både ankeret og orbitalfaciliteten for at modvirke dette kraft-drejningsmomentpar for at opretholde en stabil bane.

Et diagram over en Jupiter-rumhejs, der viser atmosfærisk træk som en gradient.

Udformningen af ​​ankeret kunne svare til designet af en ramjet thruster her på Jorden, hvor supersonisk brint trænger ind i den ene ende, opvarmes ved hjælp af en række mikrobølger eller lasere og derefter udvises med endnu hurtigere hastigheder for at producere det krævede skub til at modvirke træk fra atmosfæren. Undervejs vil en procentdel af denne masse blive opsamlet og sendt elevatorskaftet op for at blive opbevaret i orbitalfaciliteten til tankstationen og til at blive brugt til stationens modvirkende thruster. Først så jeg for mig, at ankeret skulle dyppe ned i Jupiters atmosfære, hvor trykket er det samme som på Jorden: 1 bar.

Mit atmosfæriske

Elevatorens massecenter vil sandsynligvis være i kredsløb relativt tæt på Jupiters “overflade” (hvor dets tryk er det samme som på Jorden, 1 bar), potentielt kun tusind kilometer eller derover. Dette betyder, at ankerets atmosfæriske hastighed vil være enorm. For at redegøre for dette skal ankeret og elevatorskaftet være udformet med diamant supersoniske airfoil tværsnit. Hele længden af ​​skaftet vil bestå af flere sammenføjede sektioner, måske hundrede meter i længden eller derover, for at give mulighed for fleksibilitet i designet.

Konceptideer til elevatorskaftet, med brintakslen i midten og de to menneskelige transportaksler på ydersiden. Bemærk også samlingerne, som i tredimension er kugleled for at give mulighed for 360 graders fleksibilitet.

Endelig har banestationen simpelthen brug for docking-porte for at muliggøre tankning, og det er sin egen thruster for at give et modvirkende drejningsmoment til det atmosfæriske drejningsmoment fra før. Det overordnede designkoncept kan ses nedenfor.

Endelig designkoncept (ikke i skala, lol).

Knuse numrene

Jeg vidste med det samme, at der var alt for mange variabler til at prøve at beregne alt dette manuelt, så jeg oprettede et MATLAB-program til at hjælpe mig med at iterativt løse et optimalt design. Det første trin var at indstille nogle definerende egenskaber ved min elevator, så der ikke var så mange variabler. Jeg brugte min store vifte af teknisk intuition til at vælge nogle indledende parametre. Disse parametre med begrundelse er inkluderet nedenfor:

  • Orbitalfacilitet på 2000 km, hvor Jupiters atmosfæretryk er det samme som Jorden LEO (hvor ISS kredser). Dette er en høj nok højde til at rumfartøjer kan tanke på, men minimerer også elevatorens længde, hvilket sparer omkostninger på materialer og konstruktion.
  • Supersonic trækkoefficienter for skaftet og ankeret på henholdsvis 0,2 og 0,5, da supersoniske trækkoefficienter normalt er relativt lave.
  • Elevatorskaftets tværsnit er en diamantform med en længde på 10 meter og en bredde på 3,5 meter. Dette er stort nok til, at store nyttelast kan sendes op og ned, såvel som brintmasserne.
  • Ankerdimensioner er 35 * 35 meter indtag med 100 meters længde.
  • 12 kg / s brint opsamles for at fylde tanken. Dette er nok til at fylde Saturn V på ~ 46 timer, hvilket synes retfærdigt.

Det næste trin var at bestemme trækkraften på elevatorskaftet. Formlen for trækkraft er som følger:

Kraft for trækformulering.

Hvor:

  • rho = lufttæthed
  • A = overfladeareal i luftstrøm
  • C_D = Trækkoefficient
  • v = luftstrømningshastighed

Det er let at bestemme trækkraften på ankeret, fordi alle disse parametre forbliver konstante i konstant højde, ligesom et fly. Dog er elevatorskaftet mindre som et fly, og mere som at svinge en spand på et reb omkring dig virkelig hurtigt. Skovlen (orbital station) har den hurtigste hastighed, mens rebets hastighed (skaftet) er afhængig af afstanden fra dig og har en langsommere hastighed tættere på din krop. Dette var grunden til at løse så trækkraften på elevatorskaftet var så vanskelig. Bogstaveligt talt ændrer hver variabel sig. Jupiters atmosfæretæthed bliver mere anspændt i højere højder, og hastigheden bliver hurtigere tættere på banestationen.

En rumhejs forenklet til det punkt, at det kun er en spinding spand vand. (* Ikke-antagende svag dreng med svingende spand ikke vist *)

At løse Jupiters lufttæthed var i sig selv et problem, fordi jeg ikke kunne finde nogen form for model online, der repræsenterer Jupiters atmosfæriske forhold. Jeg var faktisk nødt til at opfinde mine egne formler for at modellere tryk og temperatur baseret på data fra Wikipedia og derefter bruge den ideelle gaslov til at løse for lufttæthed. Når jeg havde knust alle disse variabler, kunne jeg danne et integralt element til at løse til træk på kablet.

Jupiters atmosfæriske temperaturer og pres med højde.

Når jeg havde den samlede trækkraft som en integreret overhøjde, kunne jeg bestemme kraften og drejningsmomentet, som Jupiters atmosfære ville fremkalde på elevatoren ... Som at svinge den samme spand fra før gennem stien til en bladblæser, der skubber den baglæns. Dette vil give mig mulighed for at bestemme styrken på motorerne, som ville give de modvirkende træk til dette atmosfæriske træk. Dette var en simpel statisk ligning:

Billedet siger det hele.

Til at begynde med overvejede jeg at bruge en helt separat motor til at give trykket, som et fusionsdrev eller en opskummet kemisk raket ved hjælp af noget af det brint, der opsamles. Men så indså jeg, at dette anker allerede er designet som et gigantisk indtag, der suger luft som en ramjet, og alt hvad det skulle gøre er at samle det brint, det har brug for, den orbitalfacilitet, og derefter varme den resten op som en helvede til øg dens hastighed ud i den modsatte ende for at skabe et tryk. For at bestemme denne temperatur skulle jeg kende den krævede udstødningshastighed og bestemme, at jeg skulle løse for massestrømningshastigheden. Let peasy.

Massestrømningshastighed ligning.Tryk ligning.

"A" her er vores indtagelsesområde. Okay, så der er dette lille problem med ikke at udvide min dyse til omgivelsestrykket (Pe-Po i ligningen), hvilket vil forringe lidt fra min samlede drivkraft, men jeg løb en hurtig nummerknas og fandt, at det ikke påvirker det meget, når du taler om træk i størrelsesordenen 10⁸ N (Ja, det er hvor meget vi måske har brug for). Så til mine formål og formål er drivkraften virkelig kun massestrømningshastigheden ganget med udstødningshastigheden. Dette ville give mig mulighed for at løse for en udstødningshastighed og på sin side temperaturen i "forbrændingsrummet" under forudsætning af en standard ramjet-konfiguration.

De kamertemperaturer, der kræves til denne “ramjet”, er langt over traditionelle ramjet-motorer her på Jorden, så en anden metode end forbrænding er påkrævet for at varme den indkommende luft til passende temperaturer. På dette tidspunkt var der kun én løsning; mikrobølger. Men mikrobølger tager strøm. For at løse strømmen skal du bogstaveligt talt finde ud af, hvordan man opvarmer den indkommende gas, der kører ved ~ 40.000 m / s fra ca. 200 K til> 8000 K i afstanden til den indvendige længde af ankeret (måske hundrede meter?). Ja, vi har brug for en stærk atomreaktor.

Solen, hvoraf 8000 K er varmere end overfladen på ...

Nu har vi en spand, der snurrer rundt om Jupiter med hypersoniske hastigheder, der skriker gennem atmosfæren og modvirker alle kræfter med sit eget sæt motorer, og transporterer masse op ad en 2000 kilometer skaft til en orbitalt station for at tjene som tankningsposition. Dette rejser endnu et problem… Isaac Newton på hans fineste (eller værste).

Når du kontinuerligt transporterer masse op ad en elevatorskaft, inducerer du en resulterende kraft nedad på elevatorstrukturen. Det er ikke meget (sammenlignet med massen af ​​hele elevatoren), men det ville være nok til at destabilisere dens bane over et par dage eller uger. Dette kunne simpelthen modvirkes ved at designe ankeret som en slags luftfolie i en lille angrebsvinkel for at skabe en opadgående løftekraft på elevatoren for at holde det stabilt.

Alt andet blev overladt til videnskaben. Derefter kørte jeg programmet flere gange med flere forskellige ankerhøjder for at finde ud af, hvilken der gav de mest tiltalende resultater. Her er nogle eksempler:

Anker ved 0 km (1 bar atmosfærisk tryk) med vigtige designbegrænsninger fremhævet.

Først prøvede jeg med ankeret ved 1 bar atmosfærisk tryk, eller 0 km. Først skal du bemærke, at drivkraften er gargantuan, noget i størrelsesordenen 10¹ N, eller næsten en million Saturn V-raketter. For det andet er massestrømmen grusom og ville sandsynligvis være nok til at rive enhver form for ankerstruktur i stykker. Udstødningshastigheden er en betydelig del af lysets hastighed, og forbrændingskammerets temperatur er varmere end overfladerne til blå kæmpe stjerner. Endelig er den krævede magt til at opvarme dette kammer med mikrobølger og / eller lasere noget i lighed med output fra 25.000 moderne nukleare fissionsreaktorer. Dette er bare fjollet. Naturligvis skal ankeret være højere oppe i den atmosfære, hvor trækningen vil være lavere.

Efter flere iterationer var jeg mest tilfreds med min hejs parametre, da ankeret var i en højde af 237 km:

Anker ved 237 km med vigtige designbegrænsninger fremhævet.

Skubben her er lidt høj, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturn V'er), og kamertemperaturen overstiger 8000 K med en rimelig mængde (varmere end solens overflade), men mange af de andre egenskaber er ret retfærdige. Massestrømningshastigheden er under 2000 kg / s, hvilket ikke er en utrolig mængde spænding på ankeret, og udstødningshastigheden ligger inden for området for teoretisk fission og fusionsraketeter i den nærmeste (ish) fremtid. Kraften, der kræves for at opvarme den indkommende gas med den rette hastighed, kan sammenlignes med den i moderne mellemstore fissionsreaktorer, der driver byer på Jorden, og atmosfæren er stadig tyk nok til at samle nok brændstof til vores tankningsstation.

Konklusion

Er det muligt? Ikke med nutidens teknologi, nej. Vi bliver nødt til at gøre et par spring i fremdrift, kernekraft, termisk kontrol og materialevidenskab for at denne idé bliver praktisk.

Men er det praktisk? Meget muligvis. Hvis skibe kun skulle bære nok brændstof til at komme til Jupiter, i stedet for at færge alt brændstof til også at komme tilbage, kunne skibe bygges større og hurtigere, hvilket igen øgede deres bæreevne og rækkevidde.

Cloud City, Bespin, fra Star Wars-serien.

Endelig ville det være cool? Helvede ja det ville det! Bare tænk på, hvor fantastisk det ville være at have en brændstofopsamlende mega-struktur, der kredser om Jupiter i det laveste af en bane! Det ville være en massiv videnskabs- og ingeniørpræstation. Desuden ser det fantastisk ud til at nærme sig skibe, ligesom en af ​​de underlige flydende byer fra Star Wars på Bespin (kun på hovedet?)

Brugte jeg for meget tid på dette projekt? Sandsynligvis ja. Tak for læsningen!