Space Elevator

Zitat von: Schillrich am 13. Januar 2010, 22:31:20

Na ein fahrbares Fahrzeug aufgrund der Haftreibung zu bauen, sollten wir doch schaffen . Die "Kabine" benötigt ein paar Führungs- und Treibräder, die mit Anpressdruck und Haftreibung  den Vortrieb leisten.

Über zehntausende von Kilometern senkrecht nach oben (oder nach unten )? Vergessen wir nicht, dass der Abrieb am Seil extrem niedrig sein muss! Und welche Sicherheitssysteme könnte man einbauen? Ein gerissenes Seil mag für die Erdoberfläche kein allzu großes Problem sein, für die Insassen einer Kabine dagegen um so mehr. (In dem Fall eines gerissenen Seiles haben wir auch noch keine brauchbare Idee, was mit dem Gegengewicht bzw. Raumstation gemacht werden müsste.)

Zitat

Das Abbremsen einer abfahrenden Kabine ist dagegen wirklich ein Problem. Wohin mit der Energie? Wenn wir eine kabellose Fernübertragung der Energie für die Auffahrt haben, wie und wohin gibt die abfahrende die Energie ab?

Genial wäre natürlich, die Energie irgendwie auf eine aufsteigende zu übertragen, aber wie soll man das machen?

Wieso reden hier viele über tausende km die der Fahrstuhl fahren muss. Man möchte doch nur ins All auf eine Bahn, die einen nicht wieder zur Erde zieht. Dieser muss doch nur in eine Höhe von 300-500km. Wozu sollte man noch weiter von der Erde weg? Km 36.000 hängt nur das Gegengewicht. Wenn das Gegengewicht gößer wäre z.b. ein kleiner Asteoriert könnte man auch das Seil auch verkürzen.

Hallo,

wenn du bei 500km loslässt, fällst du wieder runter. Außerdem, auch ein 500km Aufzug ist jenseits allen was wir heute können.
Das Seil kannst du auch nicht verkürzen, es muss bis in den GEO gehen und darüber hinaus.

Wieso reden hier viele über tausende km die der Fahrstuhl fahren muss. Man möchte doch nur ins All auf eine Bahn, die einen nicht wieder zur Erde zieht. Dieser muss doch nur in eine Höhe von 300-500km. Wozu sollte man noch weiter von der Erde weg? Km 36.000 hängt nur das Gegengewicht. Wenn das Gegengewicht gößer wäre z.b. ein kleiner Asteoriert könnte man auch das Seil auch verkürzen.

1. der GEO ist bei ca. 36.000km, d.h. alles was sich da befindet, bleibt auch da (und zwar mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die der Erde. Damit 'schwebt' ein Objekt im GEO direkt ueber einem Fixpunkt der Erde). Haenge ich an dieses Objekt etwas dran, faellt es in Richtung Erde. Ergo muss ueber dem GEO (>36.000km) ein Gegengewicht haben, dass die Kraefte aufhebt. (kurz gesagt, unter dem GEO ist die Erdanziehung positiv, ueber dem GEO negativ)

2. Wenn du in 500km Hoehe aussteigst, faellst du wieder zurueck. Alle Objekte, wie z.b. die ISS, die sich in 350km hoehe befinden, bewegen sich aber auch mit einer enormen Geschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit wesentlich groesser als die der Erde). Ansonsten wuerden auch die wieder zurueck auf die Erde fallen.

3. Nach meinem Bauchgefuehl (ich hab noch keine genaue berechnung angestellt) wuerde man eh fuer die ersten 1000km die meiste Energie brauchen (keine Atmosphaere, abnehmende netto Erdschwerebeschleunigung)

4. Erst der GEO ist fuer weitere Aktivitaeten richtig spannend (Flug zum Mond, Mars, ...)

5. 350km hoehe ist was fuer Maedchen...

Über dem GEO ist die Erdanziehung nicht negativ ... das kann falsch verstanden werden. Mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie auf der GEO-Bahn überwiegt dort draußen dann einfach die Fliehkaft gegenüber der (immer noch positiven) Erdanziehung. Man kann höchstens sagen, dass sich das Vorzeichen der Nettokraft umkehrt ...

Über dem GEO ist die Erdanziehung nicht negativ ... das kann  falsch verstanden werden. Mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die GEO-Bahn überwiegt dort draußen dann einfach die Fliehkaft gegenüber der (immer noch positiven) Erdanziehung. Man kann höchstens sagen, dass sich das Vorzeichen der Nettokraft umkehrt ...

Bei mir ist die Erdanziehung F die netto Kraft, d.h. F=Fg-Fz, wobei Fg die Erdschwerebeschleunigung bei Radius r und Fz die Fliehkraft Winkelgeschwindigkeit w ist. Ueber dem GEO (bei Winkelgeschwindigkeit gleich die der Erde) gilt Fz > Fg, demzufolge ist die Erdanziehung (in Summe) negativ.

Ich glaub da gibts nix falsch zu verstehen. By the way, wenn die Fliehkraft groesser ist als die Erdschwerebeschleunigung, dann existiert netto keine Kraft, die einen Koerper zur Erde 'zieht'. Demzufolge ist die Aussage, die Erdanziehung ist negativ, nicht falsch. Die Gravitationskraft, und da hast du natuerlich recht, ist nicht negativ. Wuerd sie auch nie. Aber um die gehts ja hier nur mittelbar...

Ich glaube, viele verstehen nicht, dass man 'oberhalb' des GEO bei Winkelgeschwindigkeit die der Erde von der Erde 'weggestossen' wird. Nur deshalb funktioniert der space elevator in der theorie.

Stimmt dummer Gedankenfehler! Die ISS hat ja eine Relativ hohe Bahngeschwindigkeit und hält somit ihre Position. Wollte das mit ISS vergleichen, geht natürlich nicht.
Also bleiben wir bei 23k km

@boober

Ich glaub da gibts nix falsch zu verstehen.

Mir ging es nur darum möglichen Fehlerinterpretationen für Leser auszuschließen. Zu sagen "Die Erdanziehung wird negativ" ist mindestens ungewöhnlich, und gilt auch bei dir nur mit dem Zusatz, dass etwas rotiert. Allein stehend wird das falsch verstanden, vor allem wenn man den Text nur überfliegt.

@Poldie
Was meinst du mit 23k km =  23000km?

@Schillrich:

Ich verstehe deine Bedenken. Das Problem ist, dass wir nicht ueber einen einheitlichen Syntax sprechen und es deswegen zu Fehlinterpretationen kommen kann. Denn haeufig wird die Gravitationskraft (aus der Fg folgt) mit der Erdanziehung gleichgesetzt. Das stimmt aber nicht, da die Erdanziehung bzw. Erdschwerebeschleunigung (ich glaub das ist richtiger) immer netto ist (d.h. Gravitationskraft und Zentrifugalkraft).

Naja, wenigstens wir verstehen uns. Und Poldie hat uns ja auch verstanden. und ich glaub Poldie meint 35k km. Hat sich bestimmt nur vertippt mit seinen dicken fingern...

Gehen wir einmal davon aus! Und falls nicht, hier noch einmal der Hinweis, dass sich der Schwerpunkt des Gesamtsystems aus Seil, Gondeln, eventuellen Zwischenstationen und dem abschließenden Gegenwicht im geostationären Orbit befinden muss. Das ist die theoretische Grundvoraussetzung für das Ganze. Im GEO selber muss sich noch nicht einmal irgendetwas wichtiges befinden...

@Ruhri: das beschreibt es wohl besser. Sollange der Schwerpunkt im GEO ist, faellt nix runter oder fliegt weg.

Dabei faellt mir etwas ein: Haeufig wurde hier doch die Meinung vertreten, dass die auftretenden Lateralkraefte (von vielen auch als Coriloriskraft bezeichnet) beim auf und abfahren aufgrund der Drehimpulserhaltung (in Bezug auf die ERde) zu vernachlaessigen sein.

Wenn ich mir das ganze aber so vorstelle, dann muss man doch das System in Bezug auf den Schwerpunkt im GEO betrachten. Ob das Seil nun an der ERde befestigt ist oder nicht, spielt doch nur fuer die Praktikabilitaet eine Rolle, nicht jedoch in Bezug auf die Physik. Somit ist es egal, ob das Seil an der ERde befestigt ist oder nicht. Damit spielt die Erde eigentlich nur die Rolle einer 'Gravitationsquelle'

Was bei der Einweihung des (teuren) Space Elevators auf jeden Fall verhindert werden muss:



Quelle:  XKCD

Hallo

Nach 27 Seiten Lektüre möchte ich folgende eine Modifikation
der Liftkonstruktion vorstellen!

Wenn man die Konstruktion nicht unbedingt bis auf NN hinab
baut sondern, wie in einigen Beiträgen angedacht, sehr hohe Türme errichten will wird die Baulänge etwas verringert.
Nun kann man aber auch gleich auf 10 km hohe Türme verzichten wenn man zur Einstiegsstation mit Flugzeugen oder Ballonen pendelt. Bei Flugzeugen tritt dann aber das Problem auf das bei einer Relativgeschwindigkeit von null zur Erdoberfläche gar kein Auftrieb mehr vorhanden wäre. Das führt uns weiter zum Verzicht auf die geostationäre Umlaufbahn des Liftes zu einer Relativgeschwindigkeit gegen die Erdoberfläche die der Geschwindigkeit des Zubringers entspricht. Der Schwerpunk des Liftes d.h. die Höhe der Umlaufbahn muss dann entsprechend angepasst werden.

Nr.    Typ                 h (km)      v_rel (m/s)     h_orbit (km)
0      Ballon               beliebig        0               35.789
1      Kleinflugzeug       1              60              32.512
2      Passagier-Jet      10            240             25.575
3      Kampfjet            20            600             17.901
4      SpaceShipOne   100           1200            11.675

Bei Auswahl von Variante 4 ist die Anforderung an die Zugfestigkeit des Materials etwa gedrittelt.

Ist das jetzt noch billig genug für den Dauerbetrieb und welche anderen grundsätzlichen Bedenken sind gegen einen solchen Lift vorzubringen

Du meinst vermutlich sowas
http://en.wikipedia.org/wiki/Skyhook_%28structure%29

Abgesehen davon, dass auch dafür die heutigen Materialien nicht reichen gibt es auch noch etliche Nachteile. Zum einen muss die ganze Konstruktion ständig beschleunigt werden. Die Energie um in den Orbit zu kommen gibt es ja nicht kostenlos. Beim vollen Space Elevator wird halt über die Bodenverankerung die Erde dafür abgebremst (geringfügig). Zum anderen hat man ein loses Seilende, was irgendwo in der oberen Atmosphäre "herumbaumelt". Vielleicht auch noch mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit. Das dürfte erstens sehr warm und zweitens sehr beweglich und umherschwingend sein. Mein Space Elevator wird ja das Seil durch das Gegengewicht straff gespannt.

Ich halte sowas für nicht sonderlich sinnvoll. Gerade wegen der ständig benötigten Beschleunigung der ganzen Struktur.

Zum einen muss die ganze Konstruktion ständig beschleunigt werden.

Also ich halte von einer freischwingenden Konstruktion auch nix, da dabei einige schoene Vorteile vernichtet werden. Allerdings ist mir nicht ganz klar, wieso eine solche Konstruktion staendig beschleunigt werden muss. Was meinst du damit? translatorisch? rotatorisch?

Beim vollen Space Elevator wird halt über die Bodenverankerung die Erde dafür abgebremst (geringfügig).

Die physikalische Sichtweise ist zu sehr auf die Erde als Mittelpunkt fixiert. Tatsaechlich muss man das ganze vom SpaceElevator aus betrachten. Dieser bewegt sich zum einen um die Erde auf einer Umlaufbahn, hat dazu aber eine Eigendrehung, die mit der Umlaufgeschwindigkeit korreliert. Nur so ist es moeglich das die Achse immer senkrecht in Richtung Erde zeigt. Damit ist der SpaceElevator selber das System, von dem wir ausgehen muessen, wenn wir ueber die Drehimpulserhaltung reden, und nicht die Erde.

Zitat von: trallala am 05. Februar 2010, 09:30:31

Zum einen muss die ganze Konstruktion ständig beschleunigt werden.

Also ich halte von einer freischwingenden Konstruktion auch nix, da dabei einige schoene Vorteile vernichtet werden. Allerdings ist mir nicht ganz klar, wieso eine solche Konstruktion staendig beschleunigt werden muss. Was meinst du damit? translatorisch? rotatorisch?

Erstens gibt es natürlich Reibungsverluste an der Atmosphäre und zweitens muss ja auch die Energie zum Beschleunigen der hochgebrachten Masse irgendwoher kommen.

Zitat von: trallala am 05. Februar 2010, 09:30:31

Beim vollen Space Elevator wird halt über die Bodenverankerung die Erde dafür abgebremst (geringfügig).

Die physikalische Sichtweise ist zu sehr auf die Erde als Mittelpunkt fixiert. Tatsaechlich muss man das ganze vom SpaceElevator aus betrachten. Dieser bewegt sich zum einen um die Erde auf einer Umlaufbahn, hat dazu aber eine Eigendrehung, die mit der Umlaufgeschwindigkeit korreliert. Nur so ist es moeglich das die Achse immer senkrecht in Richtung Erde zeigt. Damit ist der SpaceElevator selber das System, von dem wir ausgehen muessen, wenn wir ueber die Drehimpulserhaltung reden, und nicht die Erde.

Das Seil wird durch ein Gegengewicht am äußeren Ende jenseits des GEOs durch die Fliehkraft straff gespannt. Falls es hinter seinen Fußpunkt auf der Erde zurückfällt wird es von der Erde wieder beschleunigt.
Ich verstehe nicht ganz warum du den SpaceElevator alleine ohne Erde betrachten willst. Man kann doch beim Kettenkarusell auch nicht nur die Ketten betrachten.

Hallo miteinander,

Ich möchte den Vorschlag von Exobrain gerne aufgreifen, für den Zugang Flugzeuge oder ähnliches zu verwenden.
Ich stellle mir ein Seil entlang des Äquator gespannt vor (ca. 40 000 km), wir diskutieren hier über etwas von ähnlicher Länge.
Dies Seil wird durch eine grosse Anzahl von Minisatelliten gebildet, die alle miteinander verbunden sind.
Weiter benötigen wir ein zweites Seil, das diese Satelliten beschleunigen. Durch die Beschleunigung des 2. Seils werden die Satelliten abgebremst, aber das macht nichts, da sich dadurch die Fliehkraft des Beschleunigungsseils erhöht.
Nach und nach kann man mehr Masse dorthin schaffen, die erforderliche Geschwindigkeit sinkt durch das Beschleunigungsseil und natürlich mehr Masse, die beschleunigt wird.
In einer frühen Phase wird dieser Ring z.B. für Telekommunikation genutzt.
Später werden auf einer abgesenkten Höhe Flugzeuge anstatt Raketen eingesetzt. Ein Teil der Beschleunigungsmasse besteht aus Kapseln in einer Magnetbahn, die über Monate in der Schwerelosigkeit bleiben können. Eine weitere Magnetbahn zur Beschleunigung von Raumkapseln in den Orbit ist nur für wenig Masse nutzbar, da dies den Ring möglicherweise destabilisiert.
Weltraumtourismus wird durch das Flugzeug bezahlbar.

Das Seil wird durch ein Gegengewicht am äußeren Ende jenseits des GEOs durch die Fliehkraft straff gespannt. Falls es hinter seinen Fußpunkt auf der Erde zurückfällt wird es von der Erde wieder beschleunigt.
Ich verstehe nicht ganz warum du den SpaceElevator alleine ohne Erde betrachten willst. Man kann doch beim Kettenkarusell auch nicht nur die Ketten betrachten.

Das Prinzip hat an sich Exobrain bereits mit seiner Flugzeug-Idee gebracht. Denn normalerweise benötigen wir keine Verankerung am Boden (wenn man die Atmosphäre mal außen vor läßt).

Stell dir vor, die ERde wäre ein schwarzes Loch (brauchen wir für die Gravitation). Im GEO haben wir eine Raumstation. Von dort bringen wir in beide Richtungen ein "Seil" aus. Aufgrund der Gravitationkraft/Fliehkraft wird das Seil in beide Richtungen gezogen, d.h. man benötigt keine Verankerung, damit es straff ist. Dies übernehmen die beiden obengenannten Kräfte aufgrund des Eigengewichtes des Seils von ganz alleine. Man kann sich das gut beim Mond vorstellen, da der keine Atmosphäre hat. Dort würde es ausreichen, wenn das Seil einen halben Meter über dem Boden schwebt. Es wäre trotztdem straff. So weit so gut.

Damit nun aber das System als Ganzes funktioniert, benötigen wir zwei Voraussetzungen: a) die Raumstation im GEO muss sich auf einer Kreisbahn um die ERde bewegen, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Kreisbewegung gleich der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung sein muss (sonst stünde die Station nicht immer über ein und dem selben Punkt auf der Erde) und b) Die Station selber muss sich drehen, damit die Längsachse immer senkrecht auf der ERde steht (Wie beim Mond, der dreht sich ebenfalls um die eigene Achse, so dass wir immer die selbe Seite sehen.). Genau das brauchen wir beim Elevator auch, sonst würde sich das ganze wie ein Kettenkarussel drehen.

Womit auch der Unterschied zwischen einem Kettenkarusell und einem SpaceElevator dargelegt wäre Wenn du unbedingt den Vergleich ziehen willst, so ist das Seil die Kette und die STation im GEO das sich drehende Karusell...

Die Erde dient in erster Line lediglich zur Gravitationserzeugung...

@boober:
Das Seil ist natürlich auch straff, wenn man es nicht am Boden befestigt.
Aber du übersiehst einen ganz wesentlichen Punkt:
Wo soll die Energie zum Beschleunigen herkommen, wenn das Seil nicht am Boden festgemacht ist?
Die GEO-Station wird mit jedem Kilogramm hochgebrachter Masse langsamer und fällt dir irgendwann auf den Kopf.

@gfelske:
Ich verstehe nicht ganz wo sich dein "2.Seil" befinden soll. Über dem Ring um die Erde? Darunter?
Wenn sich der Ring in für Flugzeuge erreichbarer Höhe befindet wird er stark abgebremst durch die Atmosphäre, wodurch soll das ausgeglichen werden?

meinst du vielleicht sowas hier?
http://en.wikipedia.org/wiki/Launch_loop

Hallo Verworrene

Vorab: Die Energie die aufgewendet werden muss um eine Nutzlast mit dem Fahrstuhl hoch zu bringen ist die gleiche die eine Rakete für die selbe Last benötigt aber die benötigte Energiedichte ist viel geringer. Man kann sich ruhig einen Tag Zeit lassen und muss nicht wie beim Shuttle in 8 min oben sein.

@trallala:
Das Gegengewicht darf nicht etwas grösser als das Seilgewicht sein (um das Seil zu spannen), weil sonst der Schwerpunkt der Gesamtkonstruktion nicht mehr bei auf der Höhe des gewünschten Orbits liegt. Wir haben also bei allen Varianten das Problem, wenn die Nutzlast am Startpunkt angedockt wird
- es sinkt der Schwerpunkt
- die Bahngeschwindigkeit ist zu gering
- Absturz (dauert sicherlich etwas länger)

später mehr

MfG

Wir haben also bei allen Varianten das Problem, wenn die Nutzlast am Startpunkt angedockt wird
- es sinkt der Schwerpunkt
- die Bahngeschwindigkeit ist zu gering
- Absturz (dauert sicherlich etwas länger)

Beim vollen SpaceElevator hat man dieses Problem eben nicht, WEIL der Schwerpunkt über dem GEO liegt. Nur deshalb bleibt das Seil straff, wenn die Erde den zurückfallenden Schwerpunkt wieder beschleunigt.

@boober:
Das Seil ist natürlich auch straff, wenn man es nicht am Boden befestigt.
Aber du übersiehst einen ganz wesentlichen Punkt:
Wo soll die Energie zum Beschleunigen herkommen, wenn das Seil nicht am Boden festgemacht ist?
Die GEO-Station wird mit jedem Kilogramm hochgebrachter Masse langsamer und fällt dir irgendwann auf den Kopf.

Was fuer eine Beschleunigung meinst du denn? Eine translatorische oder rotatorische?

Die Station im GEO wird nicht langsamer, sobald man da was hochbringt. Allerdings wird die Gesamtrechnung veraendert, sollange der Elevator unterwegs ist, denn damit ist ja der Bereich unter der Station schwerer, als vorher (naemlich beim start um das Gewicht des Elevators, was bis zum GEO hin auf null abnimmt). Man kann das Problem loesen, in dem man das Seil am boden festmacht oder staendig mit dem Gegengewicht ausgleicht. Aber die Bahngeschwindigkeit der Station veraendert sich nicht, weil es eben kein Kettenkarusell-Model ist, wie du naemlich irrtuemlicherweise dem ganzen zugrundelegst 

Hallo

Aus der Drehimpulserhaltung ergibt sich ganz automatisch, dass die Station langsamer wird, sobald sich eine Masse an ihr entlang nach oben bewegt. Die Pirouette der Eiskunstläuferin ist das passende anschauliche Beispiel.
Erst durch die Verankerung mit der Erde ändern sich die Größenordnungen der beteiligten Massen (und damit Drehimpulse) so, dass die hinauf transportierte Masse keinen nennenswerten Einfluss auf den Drehimpuls der Gesamtkonstruktion hat.

Ich dachte man klaut eher den Drehimpuls der Erde?

@Schillrich: Genau das versuche ich doch die ganze Zeit zu erklaeren, dass das Bsp. mit der Eiskunstlaeuferin oder auch Kettenkarusell nicht anwendbar ist.

Warum. Nimm als Bsp. den Fall, dass das Seil NICHT mit der Erde verbunden ist. Das Seil selber (inkl. Station im GEO und Gegengewicht) vollzieht naemlich zwei Bewegungen, (1) eine Kreisbewegung um die Erde und (2) eine Bewegung um die eigene Achse. Beide Bewegungen sind derart aufeinander abgestimmt, dass es zu einem Gleichgewicht kommt und dass Seil quasi ueber einem Punkt der Erde 'schwebt. Demnach ist das System aus Sicht der Station im GEO zu betrachten, da die Erde lediglich als Gravitationsquelle dient und nicht als Quelle der rotatorischen Bewegung, wie beim Kettenkarusell.

P.S. Nur weil man staendig die Drehimpulserhaltung gebetsmuehlenartig wiederholt, wird es nicht richtiger. Wenn du die Drehimpulserhaltung anwenden willst (und sogar musst), dann aus sicht der Station. Nur dadurch wird die Station nicht langsamer (Punkt 1) oben bleibt unberuhert), sondern es hat lediglich Einfluss auf die rotatorische Bewegung (Punkt 2) oben).

Hallo,

auf jeden Orbit wird Drehimpulserhaltung angewandt, da ein Orbit auch eine Rotation ist, in diesem Fall um die Erde. Es gibt die Eigenrotation der Station um ihren Schwerpunkt und die Rotation des Schwerpunkts um die Erde (und die Rotation der Erde um die Sonne und die der Sonne um das Zentrum der Galaxis ... aber das sind Effekte höherer Ordnung). Du kannst nicht nur das eine (einfache) Teilsystem betrachten, sondern das (relevante) Gesamtsystem.
Die Analogie der Eistänzerin besagt nur, dass in einem rotierenden geschlossenen System (egal wie es verbunden ist), die Rotationsgeschwindigkeit abnimmt, wenn man  Massen nach außen bewegt (und umgekehrt).
Wenn der Elevator mit der Erde verbunden ist, passt die Analogie 1 zu 1. Wenn er nicht verbunden ist, dann muss die herauffahrende Masse auch von "irgendwo" Drehimpuls für ihren Orbit erhalten (quasi Orbitenergie). Wenn sie keinen eigenen Antrieb zum Beschleunigen hat, dann "klaut" sie sich den Drehimpuls vom Seil ...


Und ich "wiederhole es nur gebetsmühlenartig", um Fehler hier richtigzustellen. Bei der Beschreibung eines Orbits ist Drehimpulserhaltung eine Grundlage.