Космический лифт на Марсе с современными технологиями возможен?

простой ответ - нет. Материалы для земного лифта в настоящее время как минимум на один порядок слишком слабые. Гравитация Марса составляет около 0,378 земной, поэтому материалы все еще слишком слабы.

Длинный ответ намного сложнее: 1. Конус троса играет такую ​​же роль, как и фактор безопасности, который вы хотите заложить в свой лифт, сколько может удерживать трос и сколько материала вы можете разместить в пространстве, чтобы построить его. . Прочность, конусность и масса троса взаимосвязаны. Вы можете проверить условия осуществимости Space Elevator через isec.org или Google. По сути, это некоторая форма уравнения распада: сколько вам нужно продолжать поднимать, чтобы поддерживать или увеличивать свой лифт, в основном забирая у транспорта полезную нагрузку для обслуживания/ремонта. 2. У Марса есть несколько интересных вариантов: Деймос состоит в основном из углерода. Материал для привязи может быть улучшен на месте, например, когда компания Planetary Resources разрабатывает соответствующую технологию для астероидов. Орбитальный период Деймоса составляет 30:30, что близко к сидерическому периоду вращения Марса (24 часа). 6229 час. Вы могли бы работать с тросом, который частично спускается с Деймоса в атмосферу Марса, и получить что-то, к чему вы могли бы прикрепиться с гораздо меньшей Delta V, чем при выходе на орбиту, тем самым существенно ограничивая требования к прочности и массе троса. Я твердо верю, что модель Деймоса, вероятно, близка к тому, чтобы быть в пределах досягаемости современных передовых материалов. Конечно, вам нужно выработать некоторый контроль, чтобы избежать того, чтобы Фобос время от времени падал ниже Деймоса. 3. Лучшей точкой крепления для марсианского лифта, когда материал станет достаточно прочным для крепления на поверхности, будет гора Олимп. Это ставит его выше песчаных бурь и другой марсианской погоды. тем самым существенно ограничивая требования к прочности и массе троса. Я твердо верю, что модель Деймоса, вероятно, близка к тому, чтобы быть в пределах досягаемости современных передовых материалов. Конечно, вам нужно выработать некоторый контроль, чтобы избежать того, чтобы Фобос время от времени падал ниже Деймоса. 3. Лучшей точкой крепления для марсианского лифта, когда материал станет достаточно прочным для крепления на поверхности, будет гора Олимп. Это ставит его выше песчаных бурь и другой марсианской погоды. тем самым существенно ограничивая требования к прочности и массе троса. Я твердо верю, что модель Деймоса, вероятно, близка к тому, чтобы быть в пределах досягаемости современных передовых материалов. Конечно, вам нужно выработать некоторый контроль, чтобы избежать того, чтобы Фобос время от времени падал ниже Деймоса. 3. Лучшая точка крепления для марсианского лифта, как только материал станет достаточно прочным для крепления на поверхности, будет на горе Олимп. Это ставит его выше песчаных бурь и другой марсианской погоды. как только материал станет достаточно прочным для крепления к поверхности, он окажется на горе Олимп. Это ставит его выше песчаных бурь и другой марсианской погоды. как только материал станет достаточно прочным для крепления к поверхности, он окажется на горе Олимп. Это ставит его выше песчаных бурь и другой марсианской погоды.

Наконец: я верю, что Марсу суждено стать верфью для Солнечной системы. Он достаточно удобен для строительных площадок, а более низкая гравитация делает его гораздо более подходящим для подъема вещей в космос, чем Земля.

Надеюсь это поможет. Дайте мне знать, если у вас есть еще вопросы о прочности материала.

Мартин

Расчеты для конусообразного космического лифта немного неприятны, но, по-видимому, вполне работоспособны в закрытой форме. Мне кажется, довольно неудовлетворительно оставлять этот вопрос без количественного смысла, учитывая, что это возможно.

Для начала нам нужно формализовать тот факт, что нас интересует изменение площади , натяжения или линейной массы-толщины по длине. Все 3 из них прямо пропорциональны друг другу. Более того, дифференциальному уравнению сужения все равно, какое именно. То есть:

$$\frac{ \lambda'(r) }{ \lambda(r) } = \frac{ \frac{ G M }{ r^2 } - \omega^2 r }{ \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) }$$

Величина (сигма/ро) представляет собой удельную прочность материала. Я использую лямбду для обозначения толщины линейной массы в кг/м, но вы можете легко заменить ее любым другим заместителем. Это уравнение имеет решение. Здесь это с точки зрения простых значений, а затем с точки зрения псевдопотенциала.

$$\lambda(r) \propto \exp{ \left( \frac{ - \frac{ GM}{r } - \frac{1}{2} \omega^2 r^2 } { \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) } \rightarrow \exp{ \left( \frac{ U(r) }{\left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) }$$

Чтобы получить «коэффициент конусности», нас интересует площадь на геостационарной орбите, деленная на площади на поверхности. Это просто состоит из подстановки значений.

$$\frac{ \lambda(r_{GEO}) }{ \lambda(r) } = \exp{ \left( \frac{ U(r_{GEO}) - U(r) } { \left( \frac{ \sigma}{ \rho} \right) } \right) }$$

Большинство людей, читающих это, вероятно, обладают необходимыми знаниями для выполнения этого расчета. Вот некоторые, просто посмотреть. Я разделил удельную прочность на коэффициент 3, чтобы дать представление о «инженерном запасе».

   mat        m^2/s^2     ratio       3x ratio
Nanotubes   46268000      1.228         1.851
Zylon        3766000     12.449      1929.560
Kevlar       2514000     43.707     83493.590
Stainless     254000      1.728E+16     5.16E+48
seatbelt      108693.     8.806E+37     

Вы можете видеть, что педантично говоря, да, кевлар достаточно прочен, чтобы быть марсианским лифтом, работающим по пределу текучести. Но это только в том случае, если он буквально напряжен до предела текучести. Даже в этом случае у вас коэффициент конусности 43. Добавьте немного запаса, и это увеличится до коэффициентов, которые составляют добрую долю миллиона.

Я не включил коэффициент 3x для материала ремня безопасности, потому что я взял значение, которое является фактической «рабочей нагрузкой». Хороший образец "повседневного" материала, пусть и депрессивного.

Но все же я должен признать, что это возможно , поскольку Zylon — это реальный материал, даже если я скептически отношусь к возможностям промышленного производства и контролю качества. Если вы просто примете соотношение 1929, то мы согласимся, что это возможно. Он может быть быстро сломан метеоритом, но это не вопрос. Так как это отношение площадей, то отношение диаметров будет всего около 43. То есть, если диаметр на поверхности 1 мм, то диаметр на ГЕО будет 4,3 см. Вы вольны интерпретировать последствия этого результата по своему усмотрению.

---

Научно-фантастическая книга « Волна Уроборос» поддерживает именно эту идею. В этой книге они использовали инженерные системы, чтобы согнуть марсианский космический лифт, сделанный из углеродных нанотрубок, чтобы избежать Фобоса, когда он пролетал мимо, что является важным моментом.

Если бы вы собирались построить марсианский космический лифт, вам нужно было бы либо сделать что-то подобное, чтобы избежать Фобоса, либо просто врезаться в планету, прежде чем начать. Есть внятное предложение поставить космический лифт на темной стороне Фобоса, так как она заперта на прилив. Фобос совершает почти 3 оборота за каждый марсианский день. Что означает, что$\omega$больше для этой системы, а это значит, что ее будет намного проще построить.

Алан Роминджер дал хорошую информацию в своем ответе. Не только некоторые цифры, но и как их получить. Я хотел бы добавить к этому.

Подход, который я использую, отличается от подхода Роминджера. Я пытаюсь объяснить это здесь . Чтобы получить ускорение на ноге руля высоты, модель вычитает$\omega^2r$из$GM_{planet}/r^2$чтобы получить чистое ускорение. Если луна - якорь,$GM_{moon}/r_{moon}^2$также включено, добавляется или вычитается это ускорение, зависит от того, находится ли трос над или под луной.

Это чистое ускорение, умноженное на килограммы, дает полезную нагрузку в ньютонах. Это устанавливает толщину первой длины зайлона. Следующая длина троса толще, так как она поддерживает первую длину, а также полезную нагрузку. Модель разрезает трос на 1000 длин.

Вот скриншот моего взгляда на марсианский лифт :

Меня успокаивает, что мои цифры не сильно отличаются от цифр Роминджера. Для коэффициента безопасности, равного единице, Ромингер дает коэффициент конусности Zylon 12,449 (против 13 для моей модели). Для коэффициента безопасности, равного трем, он дает коэффициент конусности Zylon 1929,560 (по сравнению с 2016 годом для моей модели).

Моя модель, основанная на электронной таблице Вулфа, также дает отношение длины троса Zylon к массе полезной нагрузки. Для коэффициента безопасности, равного 1, вам потребуется в 154 раза больше массы Zylon, чем поднимаемая полезная нагрузка. Под «полезной нагрузкой» я подразумеваю кабину лифта и содержимое. Кабине лифта потребуются собственный источник энергии и двигатели. Так что реальный груз будет еще меньше.

При коэффициенте безопасности 1 малейшая царапина или царапина могут привести к поломке. Учитывая большую длину этого лифта, я ожидаю, что перерывы будут частыми. Я бы не рискнул на таком лифте ценным грузом, а тем более человеческими жизнями.

При разумном коэффициенте безопасности, равном трем, отношение привязи к полезной нагрузке составит 51 824.

И это не весь лифт. Над синхронной орбитой Марса должны быть трос и противовес, чтобы уравновесить нисходящие ньютоны, создаваемые нижним лифтом.

Башня Zylon Clarke для Марса неправдоподобна.

Однако я не сбрасываю со счетов идею марсианских лифтов. Экватор Марса — не единственное место, где можно закрепить лифт. Я рассматриваю несколько сценариев:
Нижний лифт
Фобоса Верхний лифт Фобоса Лифт
Деймоса

Я в восторге от лифтов, позволяющих использовать орбиту перехода с нулевой относительной скоростью (ZRVTO) между Фобосом и Деймосом:

Соотношения конусности и отношения троса к полезной нагрузке для этих двух лифтов довольно скромные:

Расширьте верхний лифт Фобоса, и вы сможете сбрасывать полезные грузы в Главный пояс астероидов, а также на Землю. И без запредельных соотношений массы привязи к массе полезной нагрузки.

Расширьте нижний лифт Фобоса на 1400 километров, и вы сможете сбрасывать полезные грузы на орбиты, где перицентр проходит через верхние слои атмосферы Марса. Несколько проходов сопротивления вокруг центра могут двигаться по кругу на низкой орбите Марса со скоростью около 3,4 км / с. EDL будет проще, чем вход в атмосферу со скоростью 5,5 км / с, который испытал бы полезный груз, прибывающий с Земли на Марс, Хохманн. Особенно, если у спускаемого аппарата есть двигатель и реактивная масса от Фобоса. Mars EDL может быть значительно проще. При факторе безопасности, равном трем, отношение массы троса к массе полезной нагрузки будет равно 0,33.

Может ли лифт Zylon Phobos опуститься в верхние слои атмосферы Марса? Если это так, то скорость ступни троса относительно Марса будет всего 0,6 км/с. Вот только около 2 махов, у Конкорда такое было. Но, увы, при факторе безопасности, равном трем, отношение массы троса к массе полезной нагрузки будет равно 638. Я не думаю, что нижний элеватор Phobos Zylon длиной 5800 км будет практичным.

На самом деле это старый миф о том, что космический лифт невозможно построить с помощью современных технологий. Это было бы просто чрезвычайно дороже с текущими материалами.

Лифт нужно строить с геостационарной орбиты вниз. Это означает, что весь материал необходимо поднимать с помощью обычных двигателей, что является основным фактором, влияющим на стоимость. Обычный подход к строительству лифта без материалов, удовлетворяющих строгим требованиям к растяжению, которые требуются для конструкции с одним тросом, должен был бы иметь экспоненциальную структуру; один трос, соединенный с землей, поддерживаемый двумя тросами, поддерживаемыми 4 тросами, ... до достижения над геоорбитой, где нам нужно будет прикрепить$2^n$привязывается к противовесу, где$n$определяется прочностными свойствами выбранного материала.

Если у вас уже есть один космический лифт, то проще/дешевле построить второй, потому что дорогостоящий этап подъема массы уже запущен. В случае с Марсом было бы экономически выгоднее отправлять строительные материалы с Земли, чем поднимать их с поверхности Марса, если, конечно, у нас уже есть работающий лифт на Земле.