Elevador espacial - Space elevator

Um elevador espacial é concebido como um cabo fixado ao equador e que chega ao espaço. Um contrapeso na extremidade superior mantém o centro de massa bem acima do nível da órbita geoestacionária. Isso produz força centrífuga ascendente suficiente a partir da rotação da Terra para contrariar totalmente a gravidade descendente, mantendo o cabo vertical e tenso. Os escaladores carregam cargas para cima e para baixo no cabo.

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Elevador espacial em movimento girando com a Terra, visto de cima do Pólo Norte. Um satélite em vôo livre (ponto verde) é mostrado em órbita geoestacionária ligeiramente atrás do cabo.

Um elevador espacial é um tipo proposto de sistema de transporte de planeta para espaço. O principal componente seria um cabo (também chamado de amarração ) ancorado à superfície e se estendendo para o espaço. O projeto permitiria que veículos viajassem ao longo do cabo de uma superfície planetária, como a da Terra, diretamente em órbita, sem o uso de grandes foguetes . Um elevador espacial baseado na Terra consistiria em um cabo com uma extremidade ligada à superfície perto do equador e a outra extremidade no espaço além da órbita geoestacionária (35.786 km de altitude). As forças concorrentes da gravidade, que são mais fortes na extremidade inferior, e a força centrífuga para fora / cima, que é mais forte na extremidade superior, resultariam no cabo sendo mantido para cima, sob tensão e estacionário sobre uma única posição na Terra . Com a corda instalada, os alpinistas podiam subir repetidamente a corda até o espaço por meios mecânicos, liberando sua carga para a órbita. Os escaladores também podem descer a corda para devolver a carga da órbita à superfície.

O conceito de uma torre alcançando a órbita geossíncrona foi publicado pela primeira vez em 1895 por Konstantin Tsiolkovsky . Sua proposta era de uma torre independente que alcançasse desde a superfície da Terra até a altura da órbita geoestacionária. Como todos os edifícios, a estrutura de Tsiolkovsky estaria sob compressão , suportando seu peso por baixo. Desde 1959, a maioria das ideias para elevadores espaciais tem se concentrado em estruturas puramente tensionadas , com o peso do sistema sustentado de cima por forças centrífugas. Nos conceitos de tração, uma amarração espacial alcança de uma grande massa (o contrapeso) além da órbita geoestacionária até o solo. Essa estrutura é mantida em tensão entre a Terra e o contrapeso como um prumo de cabeça para baixo . A espessura do cabo é ajustada com base na tensão; tem seu máximo em uma órbita geoestacionária e o mínimo em terra.

Os materiais disponíveis não são fortes o suficiente para tornar prático um elevador espacial terrestre. Algumas fontes especularam que futuros avanços em nanotubos de carbono (CNTs) poderiam levar a um projeto prático. Outras fontes concluíram que os CNTs nunca serão fortes o suficiente. Possíveis alternativas futuras incluem nanotubos de nitreto de boro , nanofios de diamante e grafeno de cristal único em macro escala . Também é especulado que um skyhook poderia ser construído na Terra.

O conceito é aplicável a outros planetas e corpos celestes . Para locais no sistema solar com gravidade mais fraca do que a da Terra (como a Lua ou Marte ), os requisitos de força para densidade para materiais de amarração não são tão problemáticos. Os materiais disponíveis atualmente (como Kevlar ) são fortes e leves o suficiente para serem práticos como o material de amarração para elevadores.

História

Conceitos iniciais

Konstantin Tsiolkovsky

O conceito-chave do elevador espacial apareceu em 1895, quando o cientista russo Konstantin Tsiolkovsky se inspirou na Torre Eiffel em Paris . Ele considerou uma torre semelhante que atingisse todo o espaço e fosse construída do solo até a altitude de 35.786 quilômetros, a altura da órbita geoestacionária . Ele notou que o topo de tal torre estaria circulando a Terra como em uma órbita geoestacionária. Os objetos adquiririam velocidade horizontal devido à rotação da Terra enquanto subiam na torre, e um objeto liberado no topo da torre teria velocidade horizontal suficiente para permanecer lá em órbita geoestacionária. A torre conceitual de Tsiolkovsky era uma estrutura de compressão, enquanto os conceitos modernos exigem uma estrutura de tração (ou "amarração").

século 20

Construir uma estrutura de compressão do zero provou ser uma tarefa irreal, pois não havia material com resistência à compressão suficiente para suportar seu próprio peso sob tais condições. Em 1959, o engenheiro russo Yuri N. Artsutanov sugeriu uma proposta mais viável. Artsutanov sugeriu o uso de um satélite geoestacionário como base para implantar a estrutura para baixo. Usando um contrapeso , um cabo seria baixado da órbita geoestacionária até a superfície da Terra, enquanto o contrapeso seria estendido do satélite para longe da Terra, mantendo o cabo constantemente sobre o mesmo ponto da superfície terrestre. A ideia de Artsutanov foi apresentada ao público de língua russa em uma entrevista publicada no suplemento dominical do Komsomolskaya Pravda em 1960, mas só estava disponível em inglês muito mais tarde. Ele também propôs diminuir a espessura do cabo para que a tensão no cabo permaneça constante. Isso gerou um cabo mais fino no nível do solo que se tornou mais espesso no nível da órbita geoestacionária.

As ideias de torre e cabo foram propostas na coluna quase humorística de Ariadne de David EH Jones em New Scientist , 24 de dezembro de 1964.

Em 1966, Isaacs, Vine, Bradner e Bachus, quatro engenheiros americanos , reinventaram o conceito, batizando-o de "Sky-Hook", e publicaram sua análise na revista Science . Eles decidiram determinar que tipo de material seria necessário para construir um elevador espacial, supondo que seria um cabo reto sem variações em sua área de seção transversal, e descobriram que a resistência necessária seria o dobro de qualquer material existente, incluindo grafite , quartzo e diamante .

Em 1975, um cientista americano, Jerome Pearson , reinventou o conceito, publicando sua análise na revista Acta Astronautica . Ele projetou um perfil de altitude de área de seção transversal que estreitou e seria mais adequado para construir o elevador. O cabo concluído seria mais espesso na órbita geoestacionária, onde a tensão era maior, e seria mais estreito nas pontas para reduzir a quantidade de peso por unidade de área de seção transversal que qualquer ponto do cabo teria que suportar. Ele sugeriu o uso de um contrapeso que seria lentamente estendido para 144.000 quilômetros (89.000 milhas) (quase metade da distância até a Lua ) conforme a seção inferior do elevador fosse construída. Sem um grande contrapeso, a parte superior do cabo teria que ser mais longa do que a inferior devido à maneira como as forças gravitacionais e centrífugas mudam com a distância da Terra. Sua análise incluiu distúrbios como a gravitação da Lua, vento e cargas úteis em movimento para cima e para baixo no cabo. O peso do material necessário para construir o elevador teria exigido milhares de viagens do ônibus espacial , embora parte do material pudesse ser transportado pelo elevador quando um fio de resistência mínima chegasse ao solo ou ser fabricado no espaço a partir de minério asteroidal ou lunar .

Após o desenvolvimento de nanotubos de carbono na década de 1990, o engenheiro David Smitherman, da NASA / Marshall's Advanced Projects Office, percebeu que a alta resistência desses materiais poderia tornar viável o conceito de um elevador espacial e montou um workshop no Marshall Space Flight Center , convidando muitos cientistas e engenheiros para discutir conceitos e compilar planos para um elevador para transformar o conceito em realidade.

Em 2000, outro cientista americano, Bradley C. Edwards , sugeriu a criação de uma fita fina como papel de 100.000 km (62.000 mi) usando um material composto de nanotubo de carbono. Ele escolheu a forma de seção transversal larga e fina em forma de fita em vez dos conceitos anteriores de seção transversal circular porque essa forma teria uma chance maior de sobreviver aos impactos de meteoróides. O formato da seção transversal da fita também fornecia uma grande área de superfície para escaladores escalarem com rolos simples. Apoiado pelo Instituto de Conceitos Avançados da NASA , o trabalho de Edwards foi expandido para cobrir o cenário de implantação, projeto de escalador, sistema de entrega de energia, prevenção de detritos orbitais , sistema de âncora, oxigênio atômico de sobrevivência , evitando relâmpagos e furacões localizando a âncora no equatorial ocidental Pacífico, custos de construção, cronograma de construção e riscos ambientais.

século 21

Para acelerar o desenvolvimento do elevador espacial, os proponentes organizaram várias competições , semelhantes ao Ansari X Prize , para tecnologias relevantes. Entre eles estão Elevator: 2010 , que organizou competições anuais para alpinistas, ribbons e sistemas de transmissão de energia de 2005 a 2009, a competição Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, bem como o programa Centennial Challenges da NASA, que, em março de 2005, anunciou uma parceria com a Fundação Spaceward (operadora de Elevadores: 2010), elevando o valor total dos prêmios para US $ 400.000. O primeiro European Space Elevator Challenge (EuSEC) a estabelecer uma estrutura de escalada ocorreu em agosto de 2011.

Em 2005, "o Grupo LiftPort de empresas de elevadores espaciais anunciou que construirá uma fábrica de nanotubos de carbono em Millville, New Jersey , para fornecer esses materiais fortes a várias empresas de vidro, plástico e metal. Embora o LiftPort espere eventualmente usar nanotubos de carbono na construção de um elevador espacial de 100.000 km (62.000 mi), esta mudança permitirá que ganhe dinheiro a curto prazo e conduza pesquisa e desenvolvimento de novos métodos de produção. " A meta anunciada era o lançamento de um elevador espacial em 2010. Em 13 de fevereiro de 2006, o Grupo LiftPort anunciou que, no início do mesmo mês, havia testado uma milha de "amarração para elevador espacial" feita de cordas compostas de fibra de carbono e fita métrica de fibra de vidro 5 cm (2,0 pol.) De largura e 1 mm (aprox. 13 folhas de papel) de espessura, levantado com balões. Em abril de 2019, o CEO da Liftport, Michael Laine, admitiu que pouco progresso foi feito nas ambições de elevadores espaciais da empresa, mesmo depois de receber mais de US $ 200.000 em financiamento inicial. A instalação de fabricação de nanotubos de carbono que Liftport anunciou em 2005 nunca foi construída.

Em 2006, o livro "Leaving the Planet by Space Elevator" foi publicado pelo Dr. Brad Edwards e Philip Ragan, contendo uma revisão abrangente da história, desafios de construção e planos de implementação para futuros elevadores espaciais, incluindo elevadores espaciais na Lua e Marte.

Em 2007, Elevator: 2010 realizou os jogos de Elevador Espacial de 2007, que ofereceu prêmios de US $ 500.000 para cada uma das duas competições (US $ 1.000.000 no total), bem como US $ 4.000.000 adicionais a serem concedidos nos próximos cinco anos para tecnologias relacionadas a elevadores espaciais. Nenhuma equipe venceu a competição, mas uma equipe do MIT participou da primeira entrada de nanotubos de carbono 100 por cento de 2 gramas (0,07 onças). O Japão realizou uma conferência internacional em novembro de 2008 para traçar um cronograma para a construção do elevador.

Em 2008, o livro Leaving the Planet by Space Elevator foi publicado em japonês e entrou na lista de best-sellers japoneses. Isso levou Shuichi Ono, presidente da Japan Space Elevator Association, a revelar um plano de elevador espacial, apresentando o que os observadores consideraram uma estimativa de custo extremamente baixo de um trilhão de ienes (£ 5 bilhões / $ 8 bilhões) para construir um.

Em 2012, a Obayashi Corporation anunciou que poderia construir um elevador espacial até 2050 usando a tecnologia de nanotubos de carbono. O escalador de passageiros do projeto seria capaz de atingir o nível GEO após uma viagem de 8 dias. Mais detalhes foram publicados em 2016.

Em 2013, a International Academy of Astronautics publicou uma avaliação de viabilidade tecnológica que concluiu que a melhoria da capacidade crítica necessária era o material de amarração, que foi projetado para atingir a resistência específica necessária em 20 anos. O estudo de quatro anos examinou muitas facetas do desenvolvimento de elevadores espaciais, incluindo missões, cronogramas de desenvolvimento, investimentos financeiros, fluxo de receita e benefícios. Foi relatado que seria possível sobreviver operacionalmente a impactos menores e evitar impactos maiores, com meteoros e detritos espaciais, e que o custo estimado de levantamento de um quilograma de carga útil para GEO e além seria de $ 500.

Em 2014, a equipe de P&D de Avaliação Rápida do Google X começou o projeto de um Elevador Espacial, eventualmente descobrindo que ninguém ainda havia fabricado um filamento de nanotubo de carbono perfeitamente formado com mais de um metro. Assim, eles decidiram colocar o projeto em "congelamento profundo" e também manter o controle sobre quaisquer avanços no campo dos nanotubos de carbono.

Em 2018, pesquisadores da Universidade Shizuoka do Japão lançaram STARS-Me, dois CubeSats conectados por uma corda, no qual um mini-elevador viajará. O experimento foi lançado como um teste para uma estrutura maior.

Em 2019, a International Academy of Astronautics publicou "Road to the Space Elevator Era", um relatório de estudo resumindo a avaliação do elevador espacial no verão de 2018. A essência é que um amplo grupo de profissionais espaciais reuniu e avaliou o status do desenvolvimento do elevador espacial, cada um contribuindo com sua experiência e chegando a conclusões semelhantes: (a) Os elevadores espaciais da Terra parecem viáveis, reforçando a conclusão do estudo IAA 2013 (b) O início do desenvolvimento do elevador espacial está mais próximo do que a maioria pensa. Esta última conclusão é baseada em um processo potencial para a fabricação de grafeno monocristalino em macro escala com maior resistência específica do que nanotubos de carbono .

Em ficção

Em 1979, os elevadores espaciais foram apresentados a um público mais amplo com a publicação simultânea do romance de Arthur C. Clarke , The Fountains of Paradise , no qual engenheiros constroem um elevador espacial no topo de um pico de montanha na ilha fictícia de "Taprobane "(vagamente baseado no Sri Lanka , embora tenha mudado para o sul até o Equador), e o primeiro romance de Charles Sheffield , The Web Between the Worlds , também apresentando a construção de um elevador espacial. Três anos depois, no romance de 1982 de Robert A. Heinlein , Friday, o personagem principal menciona um desastre no “Quito Sky Hook” e faz uso do “Nairobi Beanstalk” durante suas viagens. No romance de 1993 de Kim Stanley Robinson , Red Mars , os colonos constroem um elevador espacial em Marte que permite que mais colonos cheguem e também que os recursos naturais extraídos lá possam partir para a Terra. No romance de 2000 de David Gerrold , Jumping Off The Planet , uma excursão familiar pelo "pé de feijão" do Equador é na verdade um sequestro pela custódia de uma criança. O livro de Gerrold também examina algumas das aplicações industriais de uma tecnologia de elevador madura. O conceito de um elevador espacial, chamado Beanstalk , também é retratado no romance de John Scalzi de 2005, Old Man's War . Em uma versão biológica, o romance de 2011 de Joan Slonczewski , A Mais Alta Fronteira, retrata um estudante universitário subindo em um elevador espacial construído com cabos de autocura de bacilos do antraz. A bactéria projetada pode crescer novamente nos cabos quando cortada por detritos espaciais. A Torre Analemma é uma variante habitável de um elevador espacial, proposto como o 'edifício mais alto do mundo'.

Física

Campo gravitacional aparente

Um cabo do elevador espacial da Terra gira junto com a rotação da Terra. Portanto, o cabo e os objetos ligados a ele experimentariam uma força centrífuga ascendente na direção oposta à força gravitacional descendente. Quanto mais alto no cabo o objeto está localizado, menor será a atração gravitacional da Terra e mais forte será a força centrífuga para cima devido à rotação, de modo que mais força centrífuga se opõe a menos gravidade. A força centrífuga e a gravidade são equilibradas na órbita equatorial geossíncrona (GEO). Acima do GEO, a força centrífuga é mais forte do que a gravidade, fazendo com que os objetos presos ao cabo puxem para cima .

A força resultante para objetos presos ao cabo é chamada de campo gravitacional aparente . O campo gravitacional aparente para objetos anexados é a gravidade (para baixo) menos a força centrífuga (para cima). A gravidade aparente experimentada por um objeto no cabo é zero em GEO, para baixo abaixo de GEO e para cima acima de GEO.

O campo gravitacional aparente pode ser representado desta forma:

A força para baixo da gravidade real diminui com a altura: ${\ displaystyle g_ {r} = - GM / r ^ {2}}$

A força centrífuga ascendente devido à rotação do planeta aumenta com a altura:${\ displaystyle a = \ omega ^ {2} r}$

Juntos, o campo gravitacional aparente é a soma dos dois:

${\ displaystyle g = - {\ frac {GM} {r ^ {2}}} + \ omega ^ {2} r}$

Onde

Em algum ponto acima do cabo, os dois termos (gravidade para baixo e força centrífuga para cima) são iguais e opostos. Objetos fixados no cabo naquele ponto não colocam peso no cabo. Esta altitude (r ₁ ) depende da massa do planeta e de sua taxa de rotação. Definir a gravidade real igual à aceleração centrífuga dá:

${\ displaystyle r_ {1} = \ left ({\ frac {GM} {\ omega ^ {2}}} \ right) ^ {\ frac {1} {3}}}$

Isso é 35.786 km (22.236 milhas) acima da superfície da Terra, a altitude da órbita geoestacionária.

No cabo abaixo da órbita geoestacionária, a gravidade para baixo seria maior do que a força centrífuga para cima, então a gravidade aparente puxaria os objetos presos ao cabo para baixo. Qualquer objeto liberado do cabo abaixo desse nível iria inicialmente acelerar para baixo ao longo do cabo. Então, gradualmente, ele se desviaria do cabo para o leste. No cabo acima do nível da órbita estacionária, a força centrífuga para cima seria maior do que a gravidade para baixo, de modo que a gravidade aparente puxaria os objetos presos ao cabo para cima . Qualquer objeto liberado do cabo acima do nível geossíncrono iria inicialmente acelerar para cima ao longo do cabo. Então, gradualmente, ele se desviaria do cabo para oeste.

Seção de cabo

Historicamente, o principal problema técnico tem sido considerado a capacidade do cabo de sustentar, com tensão, o peso de si mesmo abaixo de um determinado ponto. A maior tensão em um cabo de elevador espacial está no ponto da órbita geoestacionária, 35.786 km (22.236 milhas) acima do equador da Terra. Isso significa que o material do cabo, combinado com seu design, deve ser forte o suficiente para suportar seu próprio peso da superfície até 35.786 km (22.236 mi). Um cabo que é mais espesso na área da seção transversal nessa altura do que na superfície poderia suportar melhor seu próprio peso em um comprimento maior. Como a área da seção transversal diminui do máximo em 35.786 km (22.236 mi) para o mínimo na superfície é, portanto, um fator de design importante para um cabo de elevador espacial.

Para maximizar o excesso de resistência utilizável para uma determinada quantidade de material de cabo, a área da seção transversal do cabo precisaria ser projetada em sua maior parte, de modo que a tensão (ou seja, a tensão por unidade de área da seção transversal) seja constante ao longo o comprimento do cabo. O critério de tensão constante é um ponto de partida no projeto da área da seção transversal do cabo à medida que muda com a altitude. Outros fatores considerados em projetos mais detalhados incluem espessamento em altitudes onde mais lixo espacial está presente, consideração das tensões pontuais impostas pelos escaladores e o uso de materiais variados. Para levar em conta esses e outros fatores, os projetos detalhados modernos buscam alcançar a maior margem de segurança possível, com a menor variação possível sobre a altitude e o tempo. Em projetos simples de ponto de partida, isso equivale a tensão constante.

Para um cabo de tensão constante sem margem de segurança, a área da seção transversal em função da distância do centro da Terra é dada pela seguinte equação:

Vários perfis cônicos com diferentes parâmetros de material

${\ displaystyle A (r) = A_ {s} \ exp \ left [{\ frac {\ rho gR ^ {2}} {T}} \ left ({\ frac {1} {R}} + {\ frac {R ^ {2}} {2R_ {g} ^ {3}}} - {\ frac {1} {r}} - {\ frac {r ^ {2}} {2R_ {g} ^ {3}} }\certo, certo]}$

Onde

${\ displaystyle A_ {s}}$é a área de secção transversal do cabo na superfície da Terra (m ² ),

${\ displaystyle R_ {g}}$ é o raio da órbita geossíncrona,

A margem de segurança pode ser contabilizada dividindo T pelo fator de segurança desejado.

Materiais de cabo

Usando a fórmula acima, podemos calcular a razão entre a seção transversal na órbita geoestacionária e a seção transversal na superfície da Terra, conhecida como razão de conicidade:

${\ displaystyle A (R_ {g}) / A_ {s} = \ exp \ left [{\ frac {\ rho} {T}} \ times 4,85 \ times 10 ^ {7} \ right]}$

Taxa de conicidade em função da força específica

A razão de conicidade torna-se muito grande, a menos que a resistência específica do material usado se aproxime de 48 (MPa) / (kg / m ³ ). Os materiais de baixa resistência específica requerem razões de conicidade muito grandes que equivalem a grande (ou astronômica) massa total do cabo com custos associados grandes ou impossíveis.

Estrutura

Um conceito para o elevador espacial é amarrado a uma plataforma marítima móvel.

Há uma variedade de projetos de elevadores espaciais propostos para muitos corpos planetários. Quase todo projeto inclui uma estação base, um cabo, escaladores e um contrapeso. Para um elevador espacial da Terra, a rotação da Terra cria uma força centrífuga para cima no contrapeso. O contrapeso é mantido para baixo pelo cabo enquanto o cabo é mantido para cima e esticado pelo contrapeso. A estação base ancora todo o sistema à superfície da Terra. Os escaladores sobem e descem no cabo com carga.

Estação base

Conceitos modernos para a estação base / âncora são tipicamente estações móveis, grandes navios oceânicos ou outras plataformas móveis. As estações base móveis teriam a vantagem sobre os conceitos estacionários anteriores (com âncoras baseadas em terra) por serem capazes de manobrar para evitar ventos fortes, tempestades e detritos espaciais . Os pontos de ancoragem oceânicos também estão normalmente em águas internacionais , simplificando e reduzindo o custo de negociação do uso do território para a estação base.

As plataformas terrestres estacionárias teriam um acesso logístico mais simples e menos oneroso à base. Eles também teriam a vantagem de poder estar em grandes altitudes, como no topo de montanhas. Em um conceito alternativo, a estação base poderia ser uma torre, formando um elevador espacial que compreende uma torre de compressão próxima à superfície e uma estrutura de amarração em altitudes mais elevadas. A combinação de uma estrutura de compressão com uma estrutura de tensão reduziria as cargas da atmosfera na extremidade da Terra da corda e reduziria a distância para o campo de gravidade da Terra que o cabo precisa estender e, assim, reduzir os requisitos críticos de força para densidade para o material do cabo, todos os outros fatores de projeto sendo iguais.

Cabo

Nanotubos de carbono são um dos candidatos para um material de cabo

Uma estação de ancoragem marítima também funcionaria como um porto marítimo de águas profundas .

Um cabo de elevador espacial precisaria carregar seu próprio peso, bem como o peso adicional dos escaladores. A resistência necessária do cabo varia ao longo de seu comprimento. Isso ocorre porque em vários pontos ele teria que suportar o peso do cabo abaixo ou fornecer uma força para baixo para reter o cabo e o contrapeso acima. A tensão máxima em um cabo de elevador espacial estaria em altitude geossíncrona, então o cabo teria que ser mais grosso lá e afunilar conforme se aproxima da Terra. Qualquer projeto de cabo potencial pode ser caracterizado pelo fator de conicidade - a razão entre o raio do cabo na altitude geossíncrona e na superfície da Terra.

O cabo precisaria ser feito de um material com uma alta relação resistência à tração / densidade . Por exemplo, o projeto do elevador espacial Edwards assume um material de cabo com resistência à tração de pelo menos 100 gigapascais . Como Edwards presumiu consistentemente que a densidade de seu cabo de nanotubo de carbono era de 1300 kg / m ³ , isso implica uma resistência específica de 77 megapascal / (kg / m ³ ). Este valor leva em consideração todo o peso do elevador espacial. Um cabo de elevador espacial não cônico precisaria de um material capaz de sustentar um comprimento de 4.960 quilômetros (3.080 mi) de seu próprio peso ao nível do mar para atingir uma altitude geoestacionária de 35.786 km (22.236 mi) sem ceder. Portanto, é necessário um material com altíssima resistência e leveza.

Para comparação, metais como titânio, aço ou ligas de alumínio têm comprimentos de ruptura de apenas 20–30 km (0,2–0,3 MPa / (kg / m ³ )). Os materiais de fibra modernos , como kevlar , fibra de vidro e fibra de carbono / grafite, têm comprimentos de ruptura de 100–400 km (1,0–4,0 MPa / (kg / m ³ )). Materiais nanoengenharia, como nanotubos de carbono e, descobertos mais recentemente, fitas de grafeno (folhas bidimensionais perfeitas de carbono) devem ter comprimentos de ruptura de 5.000-6000 km (50-60 MPa / (kg / m ³ )), e também são capazes de conduzir energia elétrica.

Para um elevador espacial na Terra, com sua gravidade comparativamente alta, o material do cabo precisaria ser mais forte e mais leve do que os materiais disponíveis atualmente. Por esta razão, tem-se focado no desenvolvimento de novos materiais que atendam aos exigentes requisitos de resistência específica. Para alta resistência específica, o carbono tem vantagens porque é apenas o 6º elemento na tabela periódica . O carbono tem comparativamente poucos prótons e nêutrons que contribuem com a maior parte do peso morto de qualquer material. A maioria das forças de ligação interatômicas de qualquer elemento são contribuídas apenas pelos poucos elétrons externos . Para o carbono, a força e a estabilidade dessas ligações são altas em comparação com a massa do átomo. O desafio do uso de nanotubos de carbono continua sendo estender aos tamanhos macroscópicos a produção desse material que ainda é perfeito na escala microscópica (já que os defeitos microscópicos são os maiores responsáveis ​​pela fraqueza do material). A partir de 2014, a tecnologia de nanotubos de carbono permitiu o cultivo de tubos de até alguns décimos de metros.

Em 2014, os nanofios de diamante foram sintetizados pela primeira vez. Uma vez que têm propriedades de resistência semelhantes às dos nanotubos de carbono, os nanotubos de diamante também foram rapidamente vistos como material de cabo candidato.

Alpinistas

Um desenho conceitual de um alpinista em elevador espacial subindo pelas nuvens.

Um elevador espacial não pode ser um elevador no sentido típico (com cabos móveis) devido à necessidade de o cabo ser significativamente mais largo no centro do que nas pontas. Embora vários projetos que empregam cabos móveis tenham sido propostos, a maioria dos projetos de cabo exige que o "elevador" suba em um cabo estacionário.

Os escaladores cobrem uma ampla variedade de designs. Em projetos de elevadores cujos cabos são fitas planas, a maioria propõe o uso de pares de roletes para segurar o cabo com fricção.

Os escaladores precisariam ser controlados em tempos ideais para minimizar a tensão e as oscilações do cabo e para maximizar o rendimento. Os escaladores mais leves podem ser enviados com mais frequência, com vários subindo ao mesmo tempo. Isso aumentaria um pouco o rendimento, mas diminuiria a massa de cada carga útil individual.

Conforme o carro sobe, o cabo adquire uma ligeira inclinação devido à força de Coriolis. A parte superior do cabo viaja mais rápido do que a parte inferior. O escalador é acelerado horizontalmente à medida que sobe pela força de Coriolis que é transmitida pelos ângulos do cabo. O ângulo de inclinação mostrado é exagerado.

A velocidade horizontal, ou seja, devido à rotação orbital, de cada parte do cabo aumenta com a altitude, proporcional à distância do centro da Terra, atingindo baixa velocidade orbital em um ponto aproximadamente 66 por cento da altura entre a superfície e a órbita geoestacionária, ou uma altura de cerca de 23.400 km. Uma carga útil liberada neste ponto entraria em uma órbita elíptica altamente excêntrica, ficando apenas um pouco afastada da reentrada atmosférica, com o periapsia na mesma altitude do LEO e a apoapsis na altura de liberação. Com o aumento da altura de liberação, a órbita se tornaria menos excêntrica à medida que o periapsis e a apoapsis aumentassem, tornando-se circular no nível geoestacionário. Quando a carga útil atingiu GEO, a velocidade horizontal é exatamente a velocidade de uma órbita circular naquele nível, de modo que, se liberada, permaneceria adjacente a esse ponto no cabo. A carga útil também pode continuar subindo no cabo além do GEO, permitindo obter maior velocidade no lançamento. Se liberada de 100.000 km, a carga útil teria velocidade suficiente para alcançar o cinturão de asteróides.

À medida que uma carga é elevada em um elevador espacial, ela ganharia não apenas altitude, mas também velocidade horizontal (momento angular). O momento angular é obtido a partir da rotação da Terra. À medida que o escalador sobe, ele se move inicialmente mais devagar do que cada parte sucessiva do cabo para o qual está se movendo. Esta é a força de Coriolis : o alpinista "arrasta" (para oeste) no cabo, à medida que sobe, e diminui ligeiramente a velocidade de rotação da Terra. O processo oposto ocorreria para cargas úteis descendentes: o cabo é inclinado para o leste, aumentando ligeiramente a velocidade de rotação da Terra.

O efeito geral da força centrífuga agindo no cabo faria com que ele tentasse constantemente retornar à orientação vertical energeticamente favorável, então, depois que um objeto foi levantado no cabo, o contrapeso balançaria de volta para a vertical, um pouco como um pêndulo. Os elevadores espaciais e suas cargas seriam projetados de modo que o centro de massa esteja sempre bem acima do nível da órbita geoestacionária para sustentar todo o sistema. As operações de levantamento e descida precisariam ser planejadas cuidadosamente para manter o movimento pendular do contrapeso em torno do ponto de amarração sob controle.

A velocidade do escalador seria limitada pela força de Coriolis, potência disponível e pela necessidade de garantir que a força de aceleração do escalador não rompa o cabo. Os escaladores também precisariam manter uma velocidade média mínima para mover o material para cima e para baixo de maneira econômica e rápida. Na velocidade de um carro ou trem muito rápido de 300 km / h (190 mph), levará cerca de 5 dias para subir até a órbita geossíncrona.

Alimentando escaladores

Tanto a potência quanto a energia são questões significativas para os escaladores - os escaladores precisariam ganhar uma grande quantidade de energia potencial o mais rápido possível para liberar o cabo para a próxima carga útil.

Vários métodos foram propostos para levar essa energia ao escalador:

• Transfira a energia para o escalador por meio da transferência de energia sem fio enquanto ele está escalando.
• Transfira a energia para o escalador através de alguma estrutura material enquanto ele está escalando.
• Armazene a energia no alpinista antes de começar - requer uma energia específica extremamente alta , como a energia nuclear.
• Energia solar - Após os primeiros 40 km é possível usar energia solar para alimentar o escalador

A transferência de energia sem fio, como o feixe de energia a laser, é atualmente considerada o método mais provável, usando lasers de elétron livre ou de estado sólido alimentados por megawatts em combinação com espelhos adaptativos de aproximadamente 10 m (33 pés) de largura e uma matriz fotovoltaica no escalador sintonizado na frequência do laser para eficiência. Para projetos de escaladores alimentados por feixes de energia, essa eficiência é uma meta importante do projeto. A energia não utilizada precisaria ser irradiada novamente com sistemas de dissipação de calor, que aumentam o peso.

Yoshio Aoki, professor de engenharia de maquinário de precisão na Nihon University e diretor da Japan Space Elevator Association, sugeriu incluir um segundo cabo e usar a condutividade de nanotubos de carbono para fornecer energia.

Contrapeso

Elevador espacial com estação espacial

Várias soluções foram propostas para atuar como um contrapeso:

• um asteróide pesado capturado ;
• uma doca espacial , estação espacial ou porto espacial posicionado além da órbita geoestacionária
• uma extensão adicional para cima do próprio cabo de modo que a tração da rede para cima seja igual a um contrapeso equivalente;
• escaladores gastos estacionados que tinham sido usados ​​para engrossar o cabo durante a construção, outros entulhos e material levantaram o cabo com a finalidade de aumentar o contrapeso.

Estender o cabo tem a vantagem de alguma simplicidade da tarefa e o fato de que uma carga útil que fosse para o final do cabo do contrapeso adquiriria uma velocidade considerável em relação à Terra, permitindo que ela fosse lançada no espaço interplanetário. Sua desvantagem é a necessidade de produzir maiores quantidades de material de cabo em vez de usar qualquer coisa disponível que tenha massa.

Formulários

Lançando no espaço profundo

Um objeto preso a um elevador espacial em um raio de aproximadamente 53.100 km estaria em velocidade de escape quando liberado. As órbitas de transferência para os pontos Lagrangeanos L1 e L2 podem ser alcançadas com a liberação a 50.630 e 51.240 km, respectivamente, e a transferência para a órbita lunar de 50.960 km.

No final do cabo de 144.000 km (89.000 mi) de Pearson, a velocidade tangencial é de 10,93 quilômetros por segundo (6,79 mi / s). Isso é mais do que suficiente para escapar do campo gravitacional da Terra e enviar sondas pelo menos até Júpiter . Uma vez em Júpiter, uma manobra de auxílio gravitacional poderia permitir que a velocidade de escape solar fosse alcançada.

Elevadores extraterrestres

Um elevador espacial também pode ser construído em outros planetas, asteróides e luas.

Uma corda marciana pode ser muito mais curta do que uma na Terra. A gravidade da superfície de Marte é 38% da da Terra, enquanto ele gira em torno de seu eixo quase ao mesmo tempo que a Terra. Por causa disso, a órbita estacionária de Marte está muito mais próxima da superfície e, portanto, o elevador pode ser muito mais curto. Os materiais atuais já são suficientemente fortes para construir tal elevador. Construir um elevador marciano seria complicado pela lua marciana Fobos , que está em uma órbita baixa e cruza o Equador regularmente (duas vezes a cada período orbital de 11 h 6 min). Phobos e Deimos podem atrapalhar um elevador espacial geoestacionário, mas podem contribuir com recursos úteis para o projeto. Fobos é projetado para conter grandes quantidades de carbono. Se os nanotubos de carbono se tornarem viáveis ​​para um material de amarração, haverá uma abundância de carbono na região local de Marte. Isso poderia fornecer recursos prontamente disponíveis para a futura colonização em Marte.

Fobos também pode ser um bom contrapeso para um elevador espacial. É enorme o suficiente para que as forças desequilibradas criadas por um elevador espacial não afetem a órbita do planeta. Mas, como Fobos não está em órbita geoestacionária, a corda não seria capaz de se prender ao solo. O fim da corda teria de ser na atmosfera externa e passaria pelo mesmo lugar duas vezes em um dia marciano.

A Lua da Terra é um local potencial para um elevador espacial lunar , especialmente porque a força específica necessária para a corda é baixa o suficiente para usar os materiais disponíveis atualmente. A Lua não gira rápido o suficiente para que um elevador seja sustentado pela força centrífuga (a proximidade da Terra significa que não há uma órbita estacionária lunar efetiva), mas as forças de gravidade diferencial significam que um elevador poderia ser construído através de pontos Lagrangianos . Um elevador próximo se estenderia através do ponto Terra-Lua L1 de um ponto de ancoragem próximo ao centro da parte visível da Lua da Terra: o comprimento de tal elevador deve exceder a altitude máxima L1 de 59.548 km, e seria consideravelmente maior para reduzir a massa do contrapeso de vértice necessário. Um elevador lunar do lado distante passaria pelo ponto Lagrangiano L2 e precisaria ser mais longo do que no lado próximo: novamente, o comprimento da corda depende da massa da âncora de ápice escolhida, mas também pode ser feito de materiais de engenharia existentes.

Asteróides ou luas que giram rapidamente podem usar cabos para ejetar materiais para pontos convenientes, como as órbitas da Terra; ou, inversamente, para ejetar materiais para enviar uma parte da massa do asteróide ou lua para a órbita da Terra ou um ponto Lagrangiano . Freeman Dyson , um físico e matemático, sugeriu o uso de sistemas menores, como geradores de energia em pontos distantes do Sol, onde a energia solar não é econômica.

Um elevador espacial usando materiais de engenharia atualmente disponíveis poderia ser construído entre mundos mutuamente bloqueados por marés, como Plutão e Caronte ou os componentes do asteróide binário 90 Antíope , sem desconexão terminal, de acordo com Francis Graham da Kent State University. No entanto, comprimentos variáveis ​​de cabo em spool devem ser usados ​​devido à elipticidade das órbitas.

Construção

A construção de um elevador espacial precisaria da redução de alguns riscos técnicos. Alguns avanços em engenharia, fabricação e tecnologia física são necessários. Uma vez que o primeiro elevador espacial é construído, o segundo e todos os outros teriam a utilização dos anteriores para auxiliar na construção, tornando seus custos consideravelmente mais baixos. Esses elevadores espaciais subsequentes também se beneficiariam da grande redução no risco técnico alcançado pela construção do primeiro elevador espacial.

Antes do trabalho de Edwards em 2000, a maioria dos conceitos para a construção de um elevador espacial tinha o cabo fabricado no espaço. Isso foi considerado necessário para um objeto tão grande e longo e para um contrapeso tão grande. A fabricação do cabo no espaço seria feita, em princípio, usando um asteróide ou objeto próximo à Terra como material de origem. Esses conceitos anteriores para construção requerem uma grande infraestrutura de navegação espacial preexistente para manobrar um asteróide em sua órbita necessária ao redor da Terra. Eles também exigiram o desenvolvimento de tecnologias para a manufatura no espaço de grandes quantidades de materiais exigentes.

Desde 2001, a maioria dos trabalhos tem se concentrado em métodos de construção mais simples, exigindo infraestruturas espaciais muito menores. Eles concebem o lançamento de um longo cabo em um grande carretel, seguido de sua implantação no espaço. O carretel seria inicialmente estacionado em uma órbita geoestacionária acima do ponto de ancoragem planejado. Um longo cabo seria lançado "para baixo" (em direção à Terra) e seria equilibrado por uma massa sendo lançada "para cima" (para longe da Terra) para que todo o sistema permanecesse na órbita geossíncrona. Projetos anteriores imaginavam que a massa de equilíbrio fosse outro cabo (com contrapeso) estendendo-se para cima, com o carretel principal permanecendo no nível da órbita geossíncrona original. A maioria dos projetos atuais eleva o próprio carretel à medida que o cabo principal é desenrolado, um processo mais simples. Quando a extremidade inferior do cabo for longa o suficiente para alcançar a superfície da Terra (no equador), ele estará ancorado. Uma vez ancorado, o centro de massa seria mais elevado (adicionando massa na extremidade superior ou estendendo mais cabo). Isso adicionaria mais tensão a todo o cabo, que poderia ser usado como um cabo de elevador.

Um plano de construção usa foguetes convencionais para colocar um cabo-semente inicial de "tamanho mínimo" de apenas 19.800 kg. Esta primeira fita muito pequena seria adequada para suportar o primeiro escalador de 619 kg. Os primeiros 207 escaladores carregariam e prenderiam mais cabos ao original, aumentando sua área de seção transversal e alargando a fita inicial para cerca de 160 mm de largura em seu ponto mais largo. O resultado seria um cabo de 750 toneladas com capacidade de elevação de 20 toneladas por escalador.

Problemas de segurança e desafios de construção

Para os primeiros sistemas, os tempos de trânsito da superfície ao nível da órbita geossíncrona seriam de cerca de cinco dias. Nesses primeiros sistemas, o tempo gasto movendo-se pelos cinturões de radiação de Van Allen seria suficiente para que os passageiros precisassem ser protegidos da radiação por escudos, o que aumentaria a massa do escalador e diminuiria a carga útil.

Um elevador espacial representaria um perigo à navegação, tanto para aeronaves quanto para espaçonaves. Aeronaves podem ser desviadas por restrições de controle de tráfego aéreo . Todos os objetos em órbitas estáveis ​​que têm perigeu abaixo da altitude máxima do cabo que não são síncronos com o cabo impactariam o cabo eventualmente, a menos que ações evitativas sejam tomadas. Uma solução potencial proposta por Edwards é usar uma âncora móvel (uma âncora marítima) para permitir que a corda "desvie" de qualquer lixo espacial grande o suficiente para rastrear.

Os impactos de objetos espaciais como meteoróides, micrometeoritos e detritos artificiais em órbita representam outra restrição de projeto no cabo. Um cabo precisaria ser projetado para manobrar fora do caminho de detritos ou absorver impactos de pequenos detritos sem quebrar.

Economia

Com um elevador espacial, os materiais podem ser enviados para a órbita por uma fração do custo atual. Em 2000, os projetos de foguetes convencionais custavam cerca de US $ 25.000 por quilograma (US $ 11.000 por libra ) para transferência para a órbita geoestacionária. As propostas atuais de elevadores espaciais prevêem preços de carga útil começando em US $ 220 por quilo (US $ 100 por libra ), semelhantes às estimativas de US $ 5 a US $ 300 / kg do ciclo de lançamento , mas acima dos US $ 310 / tonelada a 500 km em órbita cotados pelo Dr. Jerry Pournelle para um sistema de dirigível orbital.

Philip Ragan, co-autor do livro Leaving the Planet by Space Elevator , afirma que "O primeiro país a implantar um elevador espacial terá uma vantagem de custo de 95 por cento e pode potencialmente controlar todas as atividades espaciais."

Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais (ISEC)

O Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais (ISEC) é uma Corporação Sem Fins Lucrativos 501 (c) (3) dos EUA formada para promover o desenvolvimento, construção e operação de um elevador espacial como "uma forma revolucionária e eficiente de acesso ao espaço para toda a humanidade". Foi formada após a Conferência do Elevador Espacial em Redmond, Washington, em julho de 2008, e se tornou uma organização afiliada da Sociedade Espacial Nacional em agosto de 2013. O ISEC hospeda uma conferência anual do Elevador Espacial no Museu de Voo de Seattle .

O ISEC coordena com as duas outras sociedades principais com foco em elevadores espaciais: a Associação Japonesa de Elevadores Espaciais e EuroSpaceward. O ISEC apóia simpósios e apresentações na Academia Internacional de Astronáutica e no Congresso da Federação Internacional de Astronáutica a cada ano.

Conceitos relacionados

O conceito atual convencional de um "Elevador Espacial" evoluiu de uma estrutura compressiva estática atingindo o nível de GEO, para a ideia básica moderna de uma estrutura de tração estática ancorada ao solo e se estendendo bem acima do nível de GEO. No uso atual por profissionais (e neste artigo), um "Elevador Espacial" significa o tipo Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson conforme considerado pelo Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais. Este tipo convencional é uma estrutura estática fixada ao solo e que se estende no espaço alto o suficiente para que a carga possa escalar a estrutura do solo até um nível onde a simples liberação colocará a carga em órbita .

Alguns conceitos relacionados a essa linha de base moderna geralmente não são chamados de "Elevador Espacial", mas são semelhantes de alguma forma e às vezes são chamados de "Elevador Espacial" por seus proponentes. Por exemplo, Hans Moravec publicou um artigo em 1977 chamado "A Non-Synchronous Orbital Skyhook " descrevendo um conceito usando um cabo giratório. A velocidade de rotação corresponderia exatamente à velocidade orbital de tal forma que a velocidade da ponta no ponto mais baixo fosse zero em comparação com o objeto a ser "elevado". Ele iria agarrar dinamicamente e então "elevar" objetos voadores altos para orbitar ou objetos em órbita baixa para uma órbita mais alta.

O conceito original imaginado por Tsiolkovsky era uma estrutura de compressão, um conceito semelhante a um mastro aéreo . Embora tais estruturas possam alcançar o espaço (100 km, 62 mi), é improvável que atinjam a órbita geoestacionária. O conceito de uma torre Tsiolkovsky combinada com um cabo de elevador espacial clássico (alcançando acima do nível de GEO) foi sugerido. Outras idéias usam torres de compressão muito altas para reduzir a demanda por veículos lançadores. O veículo é "elevado" na torre, que pode se estender até a altura da atmosfera , e é lançado do topo. Essa torre alta para acessar altitudes próximas ao espaço de 20 km (12 milhas) foi proposta por vários pesquisadores.

Outros conceitos para lançamento espacial sem foguete relacionados a um elevador espacial (ou partes de um elevador espacial) incluem um anel orbital , uma torre espacial pneumática, uma fonte espacial , um loop de lançamento , um skyhook , uma amarração espacial e um "SpaceShaft flutuante "

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos

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Este arquivo de áudio foi criado a partir de uma revisão deste artigo datada de 29 de maio de 2006 e não reflete as edições subsequentes. ( 29/05/2006 )

( Ajuda de áudio  · Mais artigos falados )

• The Economist: Waiting For The Space Elevator (8 de junho de 2006 - assinatura necessária)
• CBC Radio Quirks and Quarks, 3 de novembro de 2001 Riding the Space Elevator
• Times of London Online: Subindo ... e o próximo andar é o espaço sideral
• O Elevador Espacial: 'Experiência de Pensamento' ou Chave do Universo? . Por Sir Arthur C. Clarke. Discurso no XXXº Congresso Internacional de Astronáutica, Munique, 20 de setembro de 1979.
• Site do Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais
• Artigo do Elevador Espacial na Enciclopédia de Ficção Científica