Die Zukunft der Menschheit mag im Weltraum liegen, aber dort herauszukommen ist eine sehr große Herausforderung. Kurz gesagt, es ist ziemlich teuer, Nutzlasten vom Boden der Schwerkraftquelle der Erde in den Weltraum zu starten, unabhängig davon, ob es sich um wiederverwendbare Raketen handelt oder nicht. Und während einige vorgeschlagen haben, dass der Bau eines Weltraumaufzug eine langfristige Lösung dieses Problems wäre, ist dieses Konzept zudem sehr teuer und birgt allerhand technische Hürden.
Als Alternative empfehlen zwei Astronomie-Studenten aus den USA und Großbritannien eine inspirierte Alternative, die als bekannt ist Raumlinie . Dieses Konzept würde darin bestehen, eine hochfeste Kapsel auf dem Mond zu verankern, die sich tief in die Schwerkraft der Erde erstrecken würde. Dies würde den freien Verkehr von Menschen und Materialien zwischen Erde und Mond zu einem Bruchteil der Kosten ermöglichen.
Die für dieses Konzept verantwortlichen Paare sind Zephyre Penoyre und Emily Standford , die von der University of Cambridge stammen Institut für Astronomie und die Abteilung für Astronomie at Universität von Columbia , bzw. Die lernen die ihre Ergebnisse beschreibt, ist kürzlich online erschienen und wird in naher Zukunft zur Veröffentlichung eingereicht.
Das Konzept des Weltraumaufzugs reicht viele Jahrzehnte zurück und geht vermutlich auf die russischen Wissenschaftler Konstantin Tsiolkovsky und Yuri Artsutanov zurück. Während es Tsiolkovsky war, der sich einen Überbau vorstellte, der die Erde mit dem Weltraum verbinden könnte, war Artutanov derjenige, der ursprünglich eine Aufhängungsstruktur mit einem Gegengewicht in der Umlaufbahn vorschlug.
Seit dieser Zeit haben sich viele Wissenschaftler für die Entwicklung von Space Elevator aufgrund der Vorteile eingesetzt, die er für die Raumfahrt bringen würde. Wie bereits erwähnt, ist das Senden von Raketen in den Weltraum ziemlich teuer, da jedes Raumfahrzeug, das sich von der Erdanziehungskraft befreien möchte, eine Fluchtgeschwindigkeit von 11,186 km/s (40.270 km/h; 25.020 mph) erreichen muss. Das kostet viel Treibstoff, kostet viel Geld und erfordert ziemlich große Raumfahrzeuge.
Durch den Wegfall der Notwendigkeit, Nutzlasten und Besatzungen in den Weltraum zu befördern, würde ein Weltraumaufzug die Kosten der Weltraumforschung erheblich senken. Verwenden von SpaceXs Falke 9 Rakete, es kostet derzeit 62 Millionen US-Dollar um Nutzlasten von bis zu 22.800 kg (50.265 lb) an LEO zu senden. Das entspricht etwa 2.700 US-Dollar pro kg oder 1.230 US-Dollar pro Pfund. Aber mit einem Weltraumaufzug könnten Nutzlasten mit einer Geschwindigkeit von wenigen Dollar pro kg/lbs ins All befördert werden.
Dies würde es uns ermöglichen, alles von weltraumgestützten Solaranlagen und kommerziellen Lebensräumen bis hin zu neuen Raumstationen, Satelliten und Weltraumteleskopen in die Umlaufbahn zu bringen und LEO effektiv zu kommerzialisieren (und sogar zu kolonisieren). Gleichzeitig würde es die Kosten von Weltraummissionen drastisch senken, indem es die Notwendigkeit beseitigt, Raumschiffe in die Umlaufbahn zu bringen.
Künstlerische Darstellung eines möglichen Space Elevators. Bildnachweis: NASA
Raumschiffe, die für Mars, Venus, Merkur und das äußere Sonnensystem bestimmt wären, könnten im Orbit gebaut und vom Aufzug selbst gestartet werden. Diese Raumsonden könnten auch wiederverwendbar sein und Lebensräume um andere Planeten und Körper ermöglichen, was uns die Möglichkeit gibt, unsere Präsenz über das Sonnensystem auszudehnen. Leider stößt all diese Planung auf einen großen Haken, der sich auch aus der Schwerkraft der Erde ergibt.
Einfach ausgedrückt, stießen alle Vorschläge für einen Weltraumaufzug im 20. Jahrhundert auf das gleiche Problem: Kein bekanntes Material war stark genug, um eine mit der Erde verbundene Orbitalstruktur zu tragen. Im 21. Jahrhundert weckte die Erfindung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen das Interesse an diesem Konzept. Aber wie Penoyre Universe Today per E-Mail mitteilte, hat dies das Problem nicht gelöst:
„Der klassische Weltraumaufzug ist derzeit leider physisch unmöglich. Der Materialstärke sind grundlegende Grenzen gesetzt und obwohl Kohlenstoff-Nanoröhrchen (und andere noch exotischere Materialien) ausreichend stark sein könnten, steckt die Erforschung ihrer Massenproduktion und Verwendung noch in den Kinderschuhen. Es gibt noch andere Probleme … wie zum Beispiel, wie wir es sicher und kostengünstig einsetzen könnten, seine Stabilität und die Angst vor Kollisionen mit umlaufendem Material (während es durch die verkehrsreichste und am stärksten verschmutzte Region des Weltraums zwischen erdnaher Umlaufbahn und geostationärer Umlaufbahn fließt). ”
Um fair zu sein, glaubt Penoyre, dass diese Herausforderungen mit der Zeit gelöst werden, hauptsächlich weil die Vorteile eines Weltraumaufzugs so groß sind. Während jedoch die notwendigen Durchbrüche in den Ingenieur- und Materialwissenschaften abgewartet werden, können wir noch viel tun, um die Kosten der Weltraumforschung zu senken und unsere Präsenz über die Erde hinaus auszudehnen.
Künstlerisches Konzept für einen Mondaufzug. Bildnachweis: Liftport/Michael Laine
Hier kommt das Konzept einer Spaceline ins Spiel. Das Konzept ähnelt in vielerlei Hinsicht einem Mondaufzug, der auf der Oberfläche des Mondes gebaut wird und in die Schwerkraft der Erde hineinragt. In der Vergangenheit wurde diese Idee vorgeschlagen, um die Probleme bei der Schaffung eines Weltraumaufzugs auf der Erde zu umgehen.
Die geringere Fluchtgeschwindigkeit würde nicht nur das Heben von Fracht in den Weltraum erleichtern, sondern auch die Schwerkraft der Erde nutzen, um sich selbst zu stabilisieren. Die Spaceline baut auf diesen Vorteilen auf, indem sie ein Konzept einführt, das mit bereits verfügbaren und bewährten Materialien und Techniken gebaut werden kann. Kurz gesagt, die Verlängerung eines Kabels in eine geostationäre Umlaufbahn (GSO) ist heute theoretisch möglich und würde es ermöglichen, Nutzlasten zwischen GSO und dem Mond zu bewegen.
Im Vergleich zu einem Weltraumaufzug bietet die Spaceline viele der gleichen Vorteile und löst gleichzeitig die größten technischen Herausforderungen. Mit einem einfachen analytischen Ansatz konnten Penoyre und Standford zeigen, dass die grundlegenden physikalischen Grenzen eingehalten werden können. Wie Penoyre sie skizzierte:
„[D]ie notwendige Festigkeit des Materials ist viel geringer als bei einem erdbasierten Aufzug – und könnte daher aus Fasern gebaut werden, die bereits in Massenproduktion hergestellt werden … und relativ erschwinglich sind. Die Spaceline vermeidet auch den Bereich des Weltraums, in dem Kollisionen am wahrscheinlichsten sind (in der Nähe der Erde), kann relativ billig und einfach eingesetzt werden (durch gleichzeitiges Aufspulen des Kabels in Richtung Erde und Mond vom Lagrange-Punkt) und ist stabiler.
Illustration der Spaceline, eine Alternative zu einem Space Elevator. Bildnachweis: Penoyre & Standford (2019)
Natürlich löst dieser Vorschlag nicht alle technischen Probleme, die eine solche Megastruktur mit sich bringt. Penoyre und Standford hoffen jedoch, dass ihre Studie dazu beitragen wird, weitere Forschungen anzuregen und diese Probleme anzugehen. Dazu gehören (ohne darauf beschränkt zu sein) die Stabilität der Linie selbst, Kollisionsraten und die optimalen Materialien für den Bau einer solchen Struktur.
Anfänglich entwickelten Penoyre und Standford das Konzept für eine Spaceline unabhängig voneinander, wurden jedoch schnell auf frühere Vorschläge für einen Mondaufzug aufmerksam, der auftauchte, um die gleichen Probleme anzugehen. Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede zwischen den beiden Ideen, die es wert sind, erwähnt zu werden. Nicht zuletzt die beabsichtigte Funktion.
„Die meisten Konzepte für Mondraumaufzüge scheinen sich ihre Hauptfunktion darin vorzustellen, Fracht in großen Mengen zur und von der Mondoberfläche zu transportieren“, sagte Penoyre. „Viele stellen sich Materialien vor, die über die derzeitige Kapazität hinausgehen und als spätere Werkzeuge für die Weltraumforschung dienen. Ein entscheidender Punkt [nach unserem Verständnis]… ist die Verwendung eines Gegengewichts (oder Ankergewichts) – einer großen Masse am freien Ende des Seils – die die stabilisierende Kraft erhöht.“
„Da die Gravitationskraft mit der Entfernung abnimmt, muss ein Gegengewicht immer massiver sein, um die gleiche Kraft bereitzustellen, als das zusätzliche Gewicht, das durch einfaches Verlängern des Kabels in den Gravitationsschacht der Erde entsteht. Wenn Ihr Kabel also hauptsächlich für den Einsatz in Bezug auf den Mond gebaut wird, ist ein Gegengewicht keine unangemessene Einbeziehung.“
Im Gegensatz dazu besteht der beabsichtigte Zweck einer Spaceline nicht ausschließlich darin, Reisen und von der Mondoberfläche aus zu erleichtern. Darüber hinaus stellen sich Penoyre und Standford nicht vor, dass es nur eine Weltraumlinie geben könnte, die sich von der Mondoberfläche aus erstreckt. Sobald die erste gebaut ist, werden die Kosten für nachfolgende Raumlinien dramatisch sinken und größere Nutzlasten könnten zwischen der geostationären Umlaufbahn und dem Mond transportiert werden.
Ein Team von NASA-Ingenieuren hat die weltweit ersten Teleskopspiegel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. Bildnachweis: NASA
Aber natürlich muss noch viel passieren, bevor auch nur eine einzige Spaceline machbar ist. Wie bei allen Plänen, die eine Ausdehnung der Präsenz der Menschheit über die Erde hinaus vorsehen, ist die größte Hürde die Infrastruktur. Grundsätzlich müssen viele Nutzlasten in den Orbit und in den cislunaren Raum geschickt werden, wenn wir hoffen, genau die Strukturen zu bauen, die das An- und Aussteigen einfacher, billiger und sogar rentabler machen.
„Schwerkraftbrunnen sind teuer – sie brauchen Ressourcen, die so gut wie verschwendet sind, um hinein- und herauszuklettern“, erinnert uns Penoyre. „Der machbarste und erreichbarste nächste Schritt für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen besteht darin, Teile des Weltraums außerhalb der starken Schwerkraft eines anderen Körpers zu bewohnen und sich freier zwischen diesen Regionen zu bewegen. Zumindest [die Spaceline] ist ein Sprungbrett, um die Erdkörper im Sonnensystem bewegen und bewohnen zu können.“
Während eine Spacline (wie ein Weltraumaufzug oder ein Mondaufzug) immer noch ein weitgehend theoretisches Konzept ist, sind die Vorteile, die eine solche Struktur mit sich bringen würde, wirklich großartig, wenn man darüber nachdenkt. Laut Penoyre ist eine der spannendsten Ideen, wie eine Spaceline zwischen Mond und Erde Lebensräume im Weltraum ermöglichen würde – insbesondere an Orten wie dem L1 Lagrange Point. Wie er es ausdrückte:
„Dieser Punkt ist allein nicht stabil, kleine Bewegungen in Richtung oder von der Erde weg bewirken, dass jede Masse von diesem Punkt weg beschleunigt. Aber wenn sie an einer angebundenen Linie befestigt ist, wird diese radiale Bewegung gestoppt (und L1 ist stabil gegenüber tangentialer Bewegung). Die zusätzliche Möglichkeit, Material vergleichsweise günstig und einfach dorthin zu transportieren, senkt die Kosten weiter und erhöht die Bewohnbarkeit dieser Region.
Künstlerische Illustration, die die Lage der Sonne-Erde-Lagrange-Punkte zeigt. Bildnachweis: NASA
Ein oder mehrere Außenposten in dieser Region könnten in der Lage sein, beispiellose wissenschaftliche Forschungen durchzuführen, mit Möglichkeiten, die von Astronomie und Schwerewellendetektion bis hin zu Teilchenphysik und biologischer Forschung in Mikrogravitation reichen. Im Wesentlichen könnte die gesamte Forschung, die derzeit an Bord der ISS stattfindet, an Lagrange Points durchgeführt werden, und zwar billiger und effektiver.
Um in das wirklich Spekulative zu kommen, könnten eine oder mehrere Spacelines auch den Bau von Weltraumlebensräumen an den Lagrange Points ermöglichen. Stellen Sie sich eine ganze Reihe von O'Neill-Zylindern vor, die von L1 bis L5 kreisen, Millionen von Menschen ein Zuhause bieten und sich drehen, um künstliche Schwerkraft zu simulieren. unter Bedingungen, die das Leben auf der Erde simulieren (einschließlich der erdnormalen Schwerkraft).
Zwischen Plänen für neue und aufregende Missionen zum Mond, zum Mars und darüber hinaus (und Vorschlägen für eine Infrastruktur, die es uns ermöglichen würde, dort zu bleiben) versprechen die nächsten Jahrzehnte eine aufregende Zeit!
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