Een lift naar de maan?

quote:

Geschiedenis
De Russische wetenschapper Konstantin Tsiolkovski liet zich inspireren door de Eiffeltoren. In 1895 bedacht hij dat het mogelijk was om een toren te maken die tot in de ruimte reikte. Hij stelde zich een geostationair "ruimtekasteel" voor dat in de ruimte was, met een kabel naar de aarde. Vanaf de aarde kon dan langs de kabel een toren opgebouwd worden tot de hoogte van het "ruimtekasteel" op 35 800 kilometer.

Algemene beschrijvingDe ruimtelift is een "lift" van de aarde naar de ruimte. Een lange kabel gaat vanaf de evenaar de ruimte in, waarlangs robots omhoog kunnen klimmen. Het principe is gebaseerd op balans tussen zwaartekracht en centrifugale kracht. De zwaartekracht van de aarde neemt kwadratisch af met de afstand van de aarde. Als een massa met een constante rotatiesnelheid rondslingert, neemt de centrifugale kracht lineair toe met de afstand van de massa. Indien de massa met de rotatiesnelheid van de aarde beweegt, zijn op geostationaire hoogte (35.786 km boven de evenaar) de zwaartekracht en de centrifugale kracht in balans. Het deel van de kabel dat zich beneden geostationaire hoogte bevindt heeft een netto kracht naar de aarde toe. Het deel van de kabel boven geostationaire hoogte heeft een kracht van de aarde af. Als de kabel lang genoeg is, is de netto kracht van de totale kabel van de aarde af gericht en is er een reactiekracht (trek) bij de verankering van de kabel op de evenaar. Het systeem is daardoor verticaal in evenwicht.

Soorten ruimteliften zonder kabel
Voor het moment zijn ruimteliften met kabel de enige liften die actief worden onderzocht en commercieel interessant zijn. Er zijn echter nog twee andere soorten ruimteliften maar dan zonder kabel, namelijk de "ruimtefontein" en de "drukstructuur" (een structuur die rechtop blijft door binnendruk). De ruimtefontein zou een toren zijn die door elektromagnetische krachten overeind zou blijven: onder de "torenstructuur" zou een elektromagnetische katapult staan die geladen deeltjes verticaal zou uitstoten binnenin de toren. Deze korrels zouden dan tot helemaal boven in de toren gaan en daar op het "plafond" botsen en dan terugkeren door een omgekeerd magnetisch veld in de top van de toren. Zo zou de toren overeind blijven door de kinetische energie van de korrels. Zo'n toren zou honderden kilometers hoog kunnen zijn. In tegenstelling tot kabelliften zou deze ruimtefontein niet per se op de evenaar moeten staan maar zou hij overal op de aarde kunnen staan, wel zou er een constante stroomtoevoer nodig zijn om de toren overeind te houden.

Drukstructuren zijn gebaseerd op hetzelfde principe als luchtmasten (bv. voor gsm), ze zouden overeind blijven door een grote binnendruk. Deze torens zouden wel tot de officiële ruimtehoogte (100 km) geraken maar nooit tot aan de geostationaire banen (35.786 km). Dus zou er om tot op een geostationaire baan te geraken nog conventionele aandrijving gebruikt moeten worden.


Algemene structuur van een ruimtelift

De grondgebouwen
Er zijn twee verschillende soorten grondcomplexen die een kabel kunnen "herbergen". Je hebt bewegende en vast complexen. De bewegende zijn normaal grote drijvende zee-platforms, hoewel luchtplatforms ook werden voorgesteld maar minder realistisch zijn. Vaststaande platforms zouden optimaal op hoge hoogte gebouwd moeten worden zoals op de top van een hoge berg, maar zouden ook, om ideaal te werken, op de evenaar gebouwd moeten worden

Bewegende platforms hebben het voordeel zich te kunnen verplaatsen en dus stormen, satellieten, meteorieten of ruimteafval te kunnen ontwijken. Vaststaande platforms hebben het voordeel om gemakkelijker aan goedkope energie te komen en dat de kabel dan korter zou moeten zijn. (dat is maar een paar kilometer, maar heeft grote gevolgen voor hoe sterk de kabel moet zijn en hoe dik).

De kabel
De kabel moet bestaan uit zeer resistent materiaal dat heel grote drukken (hier eigenlijk uitrekking) moet kunnen weerstaan, namelijk ongeveer 65 GPa (GigaPascal). Ter vergelijking: de meeste stalen kunnen zelfs niet 1 GPa verdragen, en kwarts en diamant slechts maximum 20 GPa. Daarom zullen er koolstof nanobuisjes gebruikt moeten worden. Die kunnen theoretisch tot 300GPa verdragen. In laboratoria heeft men reeds een verdraagzaamheid tot 60-63 GPa behaald. De meeste ontwerpen gebruiken nanobuisjes met slechts één wand, maar men zou ook nanobuisjes met meerdere wanden kunnen gebruiken. Hierdoor zou de te verdragen druk verhogen maar het gewicht zou sneller groter worden per bijkomende wand dan de verdragen druk. Het probleem is dat de prijs van nanobuisjes voor het moment enorm hoog is, dus zal de kostprijs moeten dalen om het economisch mogelijk te maken.

De liften zelf
De ruimtelift zal onmogelijk een lift zijn met bewegende kabels zoals in een kabellift doordat de kabel breder moet zijn in het midden dan aan de uiteinden om de druk te kunnen verdragen. Dus zullen de liften zelf eigenlijk langs de kabel "klimmen". Het mechanisme dat hiervoor gebruikt zou moeten worden is nog niet ontworpen (de liften zullen toch wel in de honderden tonnen wegen). Voor de aandrijving van de liften is energie nodig. Omdat energie opslaan voor een hele rit naar boven of beneden onmogelijk is (de batterijen zouden enorm veel plaats innemen) zullen andere methoden gebruikt moeten worden zoals lasers die de liften de hele rit lang zouden "volgen", gebruik te maken van de energie die opgewekt wordt door een lift die naar beneden gaat en er zijn nog vele andere methoden. Er zijn verschillende soorten liften mogelijk: liften die alleen naar boven gaan langs de kabel, zich dan loskoppelen en op eigen kracht terugkomen naar de aarde (zwaartekracht) of liften die zowel naar boven als beneden gaan (dit is technologisch wel moeilijker omdat sommige delen van de kabel zwakker zijn dan andere en dus zou een zéér stipte coördinatie nodig zijn voor de liften).

Het tegengewicht
Er zijn twee echt realistische methoden om een tegengewicht te creëren die de zwaartekracht tegen moet gaan:

ofwel een zeer zwaar object zoals een planetoïde die dan artificieel op een geostationaire baan wordt geplaatst en aan de kabel vast zit
ofwel de kabel zelf veel langer maken zodat een groter deel van de kabel een grotere kracht ondervindt door de rotatie van de aarde dan de zwaartekracht en dus de kabel niet op de aarde "valt".
Deze laatste methode wordt als interessanter beschouwd omdat er aan het einde van zo'n lange kabel een enorme middelpuntvliedende kracht zou ontstaan die gebruikt zou kunnen worden om ruimteschepen met een enorme snelheid naar bijvoorbeeld andere planeten te lanceren (zonder enorme hoeveelheden brandstof ervoor te moeten gebruiken!).


Andere ruimteliftprojecten
Men zou bijvoorbeeld een ruimtelift op Mars bouwen, voordeel is dat de kabel veel minder sterk en veel korter zou mogen zijn gezien Mars een aantrekkingskracht heeft die slechts 38% is van die van de aarde. Mars heeft echter het probleem dat de kabel tegen de dichtstbijzijnde maan van Mars (Phobos) zou botsen.

Ook zijn er mogelijkheden om een ruimtelift te bouwen op de maan. Hoewel de aantrekkingskracht op de maan slechts 1/6 bedraagt van die op aarde, zou de kabel een stuk langer moeten zijn, vermits de maan veel trager om haar as draait en bijgevolg de middelpuntvliedende kracht veel kleiner is.

Een van de voordelen van een ruimtelift op de maan zou kunnen liggen in het ontginnen van de daar aanwezige helium3. Drie Space Shuttles gevuld met helium 3 zouden voldoende zijn om de ganse aarde een jaar lang van energie te voorzien via kernfusie. Hiervoor moet evenwel eerst het probleem van energievoorziening met kernfusie opgelost worden.

Venus is theoretisch ook een kandidaat, maar gezien de hoge temperatuur is dit moeilijk haalbaar.

De bouw
Het bouwen van een ruimtelift zou een gigantisch project zijn waarvoor grote vooruitgang nodig is in onder meer bouwtechniek en fysische technologie. De NASA heeft vijf zeer belangrijke technologieën voor toekomstige ruimteontwikkeling van de lift geïdentificeerd:

Het materiaal voor de kabel (bv. betere koolstof nanobuisjes en nanotechnologie)
Controle en plaatsing van de kabel
Torenbouwtechnologie
Elektromagnetische aandrijving (bv. magnetisch levitatie)
Ruimte-infrastructuur en ontwikkeling van de ruimte-industrie en -economie

Traditionele manier
Het eerste plan was om de gehele massa van de ruimtelift de ruimte in te sturen, en in een geostationaire baan te plaatsen, en dan de kabel geleidelijk aan af te rollen naar het aardeoppervlak, totdat de zwaartekracht gelijk is aan de middelpuntvliedende kracht, zo zou de kabel in evenwicht blijven. Deze methode zou echter zeer duur zijn door de honderden of zelfs duizenden raketten die afgevuurd zouden moeten worden om de gehele massa van de kabel de ruimte in te sturen.

Brad Edwards' manier
Bradley C. Edwards, die vroeger directeur was van het ISR (Institute for Scientific Research) is een van de voornaamste wetenschappers die aan de ruimtelift werkt. Zijn methode is om eerst een flinterdunne kabel de ruimte in te sturen (zowat de dikte van een haar) die in totaal slechts 20 ton zou wegen (door de enorme lengte ven de kabel) en die dan zoals met de traditionele manier geplaatst zou worden. Dan zou men langs die flinterdunne kabel een tweede flinterdunne kabel ophijsen en plaatsen. En langs die nu tweemaal dikkere kabel zou men een nog dikkere kabel ophijsen, enz... totdat de kabel dik genoeg en sterk genoeg is om liften naar boven te hijsen. 20 ton lijkt wel veel maar de eerste kabel zou slechts 0,2 kilogram per kilometer wegen. Telefoonkabels wegen bijvoorbeeld 4 kilogram per kilometer. Deze manier zou ons in staat stellen om zo een kabel al in 2018 klaar te hebben (de bouwtijd zou slechts 10 jaar zijn!), men zou alleen al de technische problemen voor 2008 moeten hebben opgelost en over 5 miljard dollar beschikken.

Andere manieren
Deze manieren zijn veel minder goed ontwikkeld dan de twee anderen. Bijvoorbeeld om een tweede kabel te bouwen als er al een staat: men bouwt de bestaande kabel verder en wanneer die lang genoeg is laten we die naar de aarde terugbuigen en zo een u-vormige kabel te creëren die eventueel nog in twee verschillende kabels verdeeld kan worden. Hiervoor zou de bestaande kabel wel sterk genoeg moeten zijn om niet te breken als men de kabel langer maakt. De twee delen van de kabel zouden door corioliskrachten van elkaar gehouden worden zodat ze elkaar niet raken. Zo een tweede kabel bouwen zou veel vlugger gaan dan met een van de twee eerste manieren. Op deze manier kan men ook kabels inbeelden met 2, 3, of meer u-vormen die dan een hogere capaciteit zouden hebben.

Satellieten
Als er niets zou worden gedaan zou een groot deel van de satellieten uiteindelijk in botsing komen met de ruimtelift. Natuurlijk kunnen de meeste actieve satellieten hun koers enkele graden wijzigen, maar de satellieten die allang niet meer in gebruik zijn zouden met de kabel kunnen botsen. Daarom zou men dus op voorhand die satellieten weghalen of ze allemaal van dichtbij volgen en ze onderscheppen wanneer ze in de baan van de ruimtelift komen.

Meteorieten en micrometeorieten
Meteorieten zijn een lastig probleem, ze zijn namelijk onmogelijk allemaal in kaart te brengen waardoor men ze niet allemaal zou kunnen tegenhouden. Daardoor zou de ruimtelift voortdurend hersteld moeten worden. Maar nog erger dan meteorieten zijn de micrometeorieten, dat zijn zeer kleine deeltjes die met een zeer hoge snelheid in de ruimte rondvliegen. Hierop zijn al theoretische manieren gevonden om ervoor te zorgen dat de kabel het toch zou houden.

Het weer
In de atmosfeer spelen wind en bliksems ook een rol. Het grondgebouw zou in een rustig gebied gebouwd moeten worden. Moesten er toch stormen zijn dan zou de kabel moeten kunnen bewegen om ze toch lichtjes te kunnen ontwijken. Bliksems kunnen vermeden worden door een niet-geleidbare kabel te maken.

Sabotage
Er moet ook rekening gehouden worden met sabotage. Terroristen zouden de ruimtelift kunnen saboteren en zo vele mensen doden en vele miljarden dollars in rook laten opgaan. Om sabotage te voorkomen zou het grondgebouw op een relatief veilig gebied moeten gebouwd worden en zwaar beveiligd moeten worden.

Vibraties
De ruimtelift zou kunnen beginnen te trillen zoals vioolsnaren door het naar boven en beneden gaan van de lift zelf. Dit zou de stevigheid van de kabel kunnen ondermijnen. Dit kan vermeden worden door het naar boven en naar beneden gaan van de lift heel precies te coördineren zodat de trillingen geen bepaalde waarde overschrijden.

Breken van de kabel
Het breken van de kabel kan op twee plaatsen gebeuren: hier op aarde en in de ruimte: Moest de kabel hier op aarde breken zou de rest van de kabel samen met het tegengewicht verder vliegen van de aarde tot het in een hogere baan rond de aarde zou vliegen, zodat het evenwicht tussen de zwaartekracht en de middelpuntvliedende kracht weer hersteld is. Moest de kabel in de ruimte breken en een helft dus op aarde terugvallen zou de kabel hoogstwaarschijnlijk in onze atmosfeer desintegreren samen met de lift. Het tegengewicht zou hier weer in een baan rond de aarde vliegen zodat het evenwicht tussen de krachten hersteld is.

Van Allen-Gordels
Doordat de lift traag gaat zou men teveel tijd in de Van Allen-gordels blijven en dit zou leiden tot radioactieve schade voor elk onbeschermd levend wezen. We kunnen ons er niet tegen beschermen met lood want wanneer hoogenergetische protonen en elektronen tegen zware atomen botsen veroorzaakt dat x-stralen. We zouden ons dus moeten beschermen met materiaal die uit lichte elementen opgebouwd is zoals water (het bevat veel waterstof) of bepaalde soorten plastieken. Dit zou ons ook nog voldoende bescherming geven tegen de x-stralen van de zon.

Economische haalbaarheid
Langs een ruimtelift zou men materialen de ruimte in kunnen sturen voor een prijs die vele malen lager zou zijn dan de huidige kostprijs per kilogram. Vandaag kost het meerdere duizenden dollars om een kilogram op een lage baan rond de aarde te plaatsen en ongeveer 20.000 dollar per kilogram in een geostationaire baan om de aarde. Om 1 kilogram op een geostationaire baan te plaatsen met de ruimtelift zou niet veel meer dan enkele honderden dollars kosten, en waarschijnlijk nog veel minder op termijn.

Het eigenlijke probleem is de kostprijs om zo'n ruimtelift te bouwen, die is op zo'n 5 à 6,2 miljard dollar geraamd, en het zou minstens 10 jaar duren voordat dit compleet terugbetaald zou zijn. In totaal zou het ongeveer evenveel kosten als het ontwikkelen van de Space Shuttle, en dat was tijdens de koude oorlog toen er erg veel geld in de ruimtevaart werd gepompt. Op dit moment zijn er nog maar heel weinig landen of organisaties die over genoeg kapitaal beschikken om zoiets te kunnen financieren.

Politieke haalbaarheid
Een potentieel probleem met de ruimtelift is wie er de eigenaar van zou zijn en wie wat bestuurt. Waarschijnlijk zullen eerst alleen de landen die in het project geïnvesteerd hebben toegang krijgen tot de ruimtelift, wat zal leiden tot politiek en militair onevenwicht tussen landen. Een ander probleem is dat de eerste ruimtelift een monopoliepositie zal bezitten op de ruimtevaartsmarkt doordat zij de prijzen zullen kelderen. De installatie van een ruimtelift zal ook de vernietiging van verscheidene andere satellieten betekenen doordat er anders een botsing zou kunnen zijn, dit zal weer andere mensen kwaad maken. Dan is er ook nog het probleem van terrorisme, want de lift zal heel kwetsbaar zijn. En uiteindelijk is er nog de vraag: "waar gaan we de ruimtelift bouwen?" want het moet op de evenaar zijn en de meeste landen op de evenaar zijn politiek onstabiel. Eerst zullen al deze politieke obstakels overwonnen moeten worden voordat de ruimtelift gebouwd zou kunnen worden.

quote:

Op woensdag 22 juli 2009 17:03 schreef erikkll het volgende:
de maan draait toch om de aarde? hoe kan dat dan

quote:

Op woensdag 22 juli 2009 17:41 schreef RRGJL het volgende:
Ja leuk met al die spacejunk. Ben benieuwd hoe lang dat ding zou leven.
Het zal maar gebeuren dat je er in zit en een of andere kleine meteoriet er tegenaan knalt

quote:

Op woensdag 22 juli 2009 23:00 schreef SpecialK het volgende:
Ik hoop dat de TS zich realiseert dat het verbinden op vaste punten van 2 niet stationaire roterende en instabiel om elkaar heen draaiende lichamen vrij... onmogelijk is?