Можем ли мы преобразовать энергию движения тел (например, спутников), движущихся вокруг объектов с высокой гравитацией (таких как Земля или Солнце), в какую-то полезную энергию?
Для начала рассмотрим Землю и Луну. Очевидно, мы можем извлекать энергию с помощью приливной энергии (что вполне реально, хотя экономический вопрос нетривиален). Это возможно, потому что Земля вращается быстрее, чем Луна.
Однако эта приливная сила ограничена по скорости. Пока мы используем воду в качестве рабочей жидкости, теоретическая максимальная скорость преобразования энергии довольно близка к тому, что мы получили бы, перекрыв все океаны мира плотиной.
Из каких других систем мы можем получать энергию? Чтобы ответить на этот вопрос, я бы предложил следующий общий контрольный список:
Я могу использовать это, чтобы ответить для ряда конфигураций.
Эллиптические орбиты
Я представлю себе пару двойных астероидов, вращающихся по сильно вытянутой орбите друг вокруг друга. Если вы считаете, что сжигание необходимо для круговой орбиты в перигее (ближайшая точка), вы пытаетесь выбросить кинетическую энергию, сжигая свои двигатели. Очевидно, вместо этого вы могли бы преобразовать эту дополнительную энергию в полезную энергию.
Я использую астероиды в качестве примера, потому что масштабы и силы могут быть обработаны материалами, которые мы действительно можем построить. Вы можете буквально соединить два тела веревками, предназначенными для космоса. Тогда процесс преобразования энергии состоит из шкивов и генераторов.
Чтобы компенсировать изменение углового момента, вы просто ускорите вращение самих астероидов. Даже если это привело к отрицательной эффективной гравитации на экваторе, мы знаем, что некоторые астероиды все еще могут держаться вместе. Конечно, есть некоторые бинарные системы астероидов, где это возможно в определенных пределах.
Круглый, но вращающийся
Это случай Земли и Луны. Если вас интересует более прямо механический (абсурдистский) процесс, чем приливная энергия, то вы можете представить себе некоторые из них. Просто постройте космические лифты вокруг земного экватора. Затем сделайте станцию противовеса полным кольцом. Затем постройте космический лифт с поверхности Луны в точку L1 Земля-Луна, с волокном, идущим вниз к кольцу противовеса космического лифта Земли.
Теперь у вас есть система с относительным движением между земными и лунными космическими лифтами, которые могут быть существенно преобразованы при контакте в энергию. Скорости были бы слишком велики для какой-то прямой (космический поезд) механической связи, поэтому нам пришлось бы постулировать электромагнитную связь, но это не возмутительно, поскольку мы уже в космосе и (очевидно) имеем технологию для создания космические лифты для начала.
Исходная система состоит из одного тела, запертого на орбите приливом, а другое тело вращается слишком быстро. Это интересное свойство системы Земля-Луна. Конечным состоянием является то, что Земля выбрасывает Луну в космос. Наша система извлечения энергии ускорит этот процесс. Приливная сила тоже действует, но не так быстро. Продолжительность земных суток будет сокращаться тем быстрее, чем больше энергии мы производим. Если бы мы делали это достаточно долго, Луна улетела бы, чтобы играть в гравитационные бильярдные шары с остальной частью нашей Солнечной системы.
Полностью приливно заблокирован
Эта ситуация была настоящим вызовом для меня, чтобы думать. Вы не можете получить энергию от движения по орбите или вращения тел, если вы не можете ухватиться за другую систему отсчета. По постановке задачи это недопустимо (тоже не очень практично).
Оказывается, мы могли бы получить энергию из этой системы, если бы одно тело было больше другого, но только гравитационную энергию. Вот как:
Представьте себе систему Земля-Луна. Лунный гравитационный колодец довольно мал по сравнению с земным. Итак, на Луне бросьте камни в Землю из рельсотрона, нацелившись на орбиту, чтобы они задели НОО. В LEO есть какая-то система улавливания, которая преобразует энергию. Это может быть простое орбитальное кольцо (намного проще, чем космический лифт), хотя часть «ловли» будет трудной, физически ее все же можно защитить. Эта система будет работать совершенно независимо от вращения Земли. Вы можете бросать камни по орбитам Восток-Запад или Запад-Восток и использовать это, чтобы сбалансировать изменения импульса от ловли.
В конечном состоянии этой системы у вас остается большая часть массы Луны, обращающаяся по орбите близко к поверхности Земли (в безопасности? кого это волнует). Низкая круговая орбита имеет меньшую энергию, чем та, с которой мы начали, и поэтому мы заключаем, что энергия, полученная ловцом , может быть больше, чем требуется для запуска камней из рельсотрона на Луну. Но важно то, что это происходит не от орбитального движения. Это происходит от гравитационной энергии.
Последняя система (опять же) будет запускать Луну в космос. На НОО вам придется рассеять лишний импульс, что вы сделаете, чередуя Восток/Запад, но чтобы поддерживать схему как можно дольше, вы предпочтете оставить пойманную массу на орбите Запад->Восток, потому что который содержит правильное направление углового момента. Однако каждая полезная нагрузка, которую вы запускаете, независимо от места ее назначения на Земле, будет отталкивать Луну дальше. Гравитация Луны сама по себе не является решающим фактором, потому что усредненная гравитационная энергия связи Луны мала по сравнению с энергией от падения чего-либо из бесконечности на околоземную орбиту .
Итак, в конце концов, одно гигантское орбитальное кольцо лунного камня находится на НОО, оставшаяся луна вот-вот выйдет из-под контроля, и куча политиков спрашивает: « Что теперь ?»
Переход, который я описываю, — это своего рода созревание планет по Оствальду , когда энергия минимизируется за счет объединения всех малых тел в более крупные тела, подобно корпоративной консолидации. Однако внутри орбитальных систем вам все равно придется выбрасывать небольшую часть в космос, чтобы сохранить условие углового момента. В конце концов, именно поэтому у нас есть Луна! Было бы невозможно объединить Землю и Луну в одно тело, потому что гравитация недостаточно сильна, чтобы удерживать это тело вместе с его нынешним значением углового момента. В конце процесса большая планета может остаться с некоторым угловым моментом (по замыслу), а меньший объект может превысить скорость убегания на некоторую величину, продиктованную оптимизацией задачи.
Приливно заперты, равные массы
Из этой системы труднее всего получить энергию, потому что это невозможно сделать по- разному . Вы можете перебросить часть массы из одного объекта в другой, но даже при 100% эффективности вы точно останетесь в безубыточности. Для практических целей это делает схему невозможной. Вам придется перемещать массы планетарного масштаба, прежде чем вы сможете начать получать вознаграждение, и это чепуха... если, возможно, мы не говорим о бинарной системе астероидов, которая может перемещать массу с помощью (буквального) конвейера.
Что касается крупномасштабных систем, единственный способ получить из них энергию — использовать другую систему отсчета на картинке.
ДДжонМ
AlanSE