Eine Startschleife ist ein vorgeschlagenes System zum Starten von Objekten in die Umlaufbahn . Es kann einfach als ein Kabel beschrieben werden, das in einer Hülle verlegt ist, die an beiden Enden am Boden befestigt ist, aber für den größten Teil der Strecke zwischen den beiden Stationen über der Atmosphäre hängt. Keith Lofstrom führte dieses Konzept ein, indem er ein Kabel beschrieb, das wie ein Magnetschwebebahn über eine Länge von 2000 km in 80 km Höhe aktiv getragen wird. Der Schlaufenmantel würde durch den Drehimpuls des Kabels im Inneren in dieser Höhe gehalten . Dieses Kabel überträgt auch das Gewicht der Struktur auf ein Paar Magnetlager an den Enden der Struktur. (siehe Abbildung).
Die im Referenzdokument dargestellten Startschleifen sind Installationen, die für den Start von Raumfahrzeugen mit einer Kapazität von etwa 5 Tonnen in die Erdumlaufbahn oder darüber hinaus ausgelegt und dimensioniert sind . Das Schiff wird über den Teil der Schleife, der sich außerhalb der Atmosphäre befindet, auf die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt .
Das System ist für den Start bemannter Flüge für den Weltraumtourismus, die Erforschung des Weltraums und die Besiedlung des Weltraums geeignet . Von wo aus die schwache Beschleunigung von 3 g angekündigt wurde .
Die Startschleifen werden von K. Lofstrom im November 1981 beschrieben.
Im Jahr 1982 veröffentlichte Paul Birch eine Reihe von Artikeln im Journal der British Interplanetary Society, in denen er Orbitalringe beschrieb . Eine bestimmte Form dieser Ringe entspricht der Beschreibung einer Startschleife. Dies sind "Teilringe", die als PORS (Partial Orbital Ringsystem) bezeichnet werden.
Die Idee wird später von Lofstrom um 1985 ausführlicher bearbeitet. Die erweiterte Version wurde modifiziert, um einen Magnetbeschleuniger zu bilden, der zum Starten von Menschen in den Weltraum geeignet ist. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Orbitalring eine supraleitende Levitation ( Meissner-Effekt ) verwendet, während die Startschleifen eine elektromagnetische Levitation verwenden .
Das im Originaldokument vorgeschlagene Modell lautet wie folgt: Die Struktur ist 2000 km lang und 80 km hoch.
Wie im Bild in der Einleitung gezeigt, ist der Stromkreis geschlossen, der größte Teil befindet sich in der Höhe, während sich ein kleiner Teil der Route in der Nähe der Bodenstationen zwischen 0 und 80 km Höhe befindet
Der Kreislauf besteht aus einem Kanal, in dem ein Luftvakuum erzeugt wird. Diese Hülle enthält den Rotor (langes Hohlkabel mit einem Durchmesser von 5 cm ) aus Eisen . Der Rotor wird auf 14 km / s beschleunigt, um den Betrieb zu ermöglichen.
Obwohl die gesamte Schleife sehr lang ist (~ 4000 km), ist der Rotor selbst hohl und dünn mit einem Durchmesser von 5 cm . Die Hülle, die es schützt, muss auch nicht sehr breit sein.
In Ruhe befindet sich die Schleife auf Meereshöhe. Der Rotor muss auf eine ausreichende Geschwindigkeit beschleunigt werden. Bei einer ausreichend hohen Drehzahl biegt sich der Rotor, um einen Lichtbogen zu bilden. Die Struktur wird durch die Kraft des Rotors in der Luft gehalten, der versucht, einem parabolischen Pfad zu folgen. Die Anker zwingen die Schleife, in einer Höhe von 80 km parallel zur Bodenoberfläche zu bleiben. Eine kontinuierliche Stromversorgung ist erforderlich, um Verluste im System auszugleichen. Zusätzliche Energie muss hinzugefügt werden (die Schleife noch weiter beschleunigen), wenn ein Fahrzeug gesendet werden muss.
Um ein Fahrzeug zu starten, muss es an einem Aufzug montiert werden, der vom Boden an der Seite der Station 'A' beginnt und bis zur maximalen Höhe der Schleife an der Seite der Station A reicht. Sobald das Schiff angekommen ist, wird es auf die Scheide gelegt die als Leitfaden dienen wird. Das Gerät legt durch die Ummantelung ein Magnetfeld an, das Wirbelströme im Rotor erzeugt, die sich schnell bewegen. Diese Ströme treiben den Behälter mit einer gewünschten Beschleunigung von 3 g (~ 30 m / s²) in Richtung des Rotors. Sobald das Raumschiff die erforderliche Umlaufgeschwindigkeit erreicht hat, verlässt es die Startschleife und nimmt eine niedrige Umlaufbahn ein, die durch Keplers Gesetze beschrieben wird .
Wenn eine kreisförmige und stabile Umlaufbahn erforderlich ist, muss das Schiff seine Umlaufbahn unbedingt kreisen, sobald es den höchsten Punkt seiner Flugbahn ( Apogäum ) erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, hat das Raumschiff eine elliptische Umlaufbahn, deren tiefster Punkt (Perigäum) sich auf einer Höhe von 80 km befindet, wodurch sich seine Umlaufbahn verschlechtert und in der Atmosphäre zerfällt. Um die Umlaufbahn zu zirkulieren, hat das Schiff keine andere Wahl, als bei Bedarf Schub mit Ionen- oder Raketenmotoren anzuwenden .
Die Wirbelstromtechnik ist kompakt, leicht und leistungsstark. Es funktioniert jedoch nicht gut. Tatsächlich steigt mit jedem Schuss die Temperatur des Rotors aufgrund der Wärmeableitung der erzeugten Ströme um 80 ° C. Wenn die Schüsse zu häufig sind, kann der Rotor 770 ° C überschreiten. Temperatur, bei der Eisen seine ferromagnetischen Eigenschaften durch Curie-Übergang verliert, was zu einem Verlust der Rotorsteuerung führt.
Volle Umlaufbahnen mit einem Perigäum von 80 km verschlechtern sich schnell und führen schließlich zum Wiedereintritt des Raumfahrzeugs. Es ist nicht möglich, eine Kreisbahn ausschließlich mit der oben beschriebenen Startschleife zu erreichen. Es ist jedoch möglich, Befreiungspfade zu senden , Gravitationshilfe zu leisten, indem man auf die Nähe des Mondes zielt, oder sogar in Betracht zu ziehen, Objekte auf Trojanern zu platzieren .
Um über die Startschleifen auf Kreisbahnen zuzugreifen, muss ein in der Nutzlast enthaltener Hilfsmotor verwendet werden. Dieser Motor würde abgefeuert, sobald die Nutzlast ihren Höhepunkt erreicht hätte, was dazu führen würde, dass das Perigäum angehoben und möglicherweise die Umlaufbahn zirkularisiert würde. Zum Einsetzen in die geostationäre Umlaufbahn muss der Motor ein Delta-v von 1,6 km / s liefern . Für die Zirkularisierung in einer niedrigen Umlaufbahn in einer Höhe von 300 km beträgt das erforderliche Delta-v nur 65 m / s. Dies ist mit dem gesamten Delta-V zu vergleichen, das Raketen heutzutage liefern müssen, wenn sie den gesamten Start in die Umlaufbahn durchführen. Für die niedrige Umlaufbahn benötigen wir etwa 10 km / s und 14 km / s für die geostationäre Umlaufbahn.
In den Lofstrom-Ebenen befinden sich die Schleifen in der Nähe des Äquators und können nur in einer äquatorialen Umlaufbahn ( Umlaufbahnneigung von 0 °) schießen . Der Zugang zu anderen Orbitalebenen kann durch gewünschte Einflüsse des Mondes, Luftwiderstand oder Manövrieren mit Triebwerken in großer Höhe ermöglicht werden.
Die Startrate ist in absoluten Zahlen durch den Temperaturanstieg des Rotors und die Geschwindigkeit, mit der er abkühlt, auf 80 / h begrenzt. Um so oft zu ziehen, ist dennoch ein Kraftwerk erforderlich, das 17 GW Strom erzeugen kann. Eine kleinere 500-MW-Station reicht aus, um 35 5-Tonnen-Fahrzeuge pro Tag zu ziehen. Das entspricht 3 Schüssen von Falcon Heavy pro Tag. Falcon Heavy ist die derzeit stärkste Rakete in Produktion (60 Tonnen in niedriger Umlaufbahn pro Schuss).
Um wirtschaftlich rentabel zu sein, müssen Sie Kunden finden, bei denen ein erheblicher Bedarf besteht, Nutzlasten in den Orbit zu bringen.
Lofstrom schätzt, dass eine erste Fertigstellung der Startschleife, die rund 10 Milliarden US-Dollar bei einer Kapitalrendite von einem Jahr kostet, rund 40.000 Tonnen pro Jahr bei einem Umlaufpreis von 300 US-Dollar pro kg starten kann. Mit einer Anfangsinvestition von 30 Milliarden US-Dollar erhöht sich die Startkapazität auf 6 Millionen Tonnen / Jahr mit einer Kapitalrendite nach 5 Jahren. Der Einführungspreis fällt dann auf 3 USD / kg.
Im Vergleich zu Weltraumaufzügen ist kein neues Material mit neuen mechanischen Eigenschaften erforderlich, da die Struktur ihr eigenes Gewicht mit der kinetischen Energie des sich bewegenden Rotors und nicht durch mechanischen Widerstand trägt (tatsächlich, wenn der Rotor stoppt, die Schleife zurück zur Erde).
Lofstrom-Loops sollen mit hoher Geschwindigkeit (mehrere pro Stunde, unabhängig vom Wetter) und umweltfreundlich schießen. Raketen verursachen abhängig von den verwendeten Treibmitteln (Nitrate, Treibhausgase, Aluminiumoxid usw.) Umweltverschmutzung. Kreisläufe, die elektrische Energie nutzen, können sauber sein, wenn sie mit grüner Energie (Geothermie, Sonne, Atomkraft usw.) betrieben werden. Die Stromquelle muss nicht konstant sein, da der Strom in massiven Reserven gespeichert ist, die für seinen Betrieb erforderlich sind.
Im Gegensatz zu Raum Aufzüge , die die überqueren Van - Allen - Gürtel für mehrere Tage, können die Start - Schleifen Passagiere in einer niedrigen Umlaufbahn schicken , ohne die Bänder , die durch oder wenn notwendig , sie durchqueren diese gefährliche Region in wenigen Stunden haben als getan. Die Astronauten von der Apollo-Missionen . Letztere waren einer 200-mal niedrigeren Strahlungsdosis ausgesetzt als eine Besatzung in einem Aufzug.
Im Gegensatz zu Weltraumaufzügen, die über ihre gesamte Länge dem Risiko von Weltraummüll und Mikrometeoriten ausgesetzt sind, befinden sich die Schleifen in einer Höhe, in der die Umlaufbahnen aufgrund der schwachen Erdatmosphäre, die sich immer noch in Form eines diffusen Gases erstreckt, nicht stabil sind . Da Trümmer nicht lange in diesen Höhen bleiben, ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision gering. Im Gegenteil, der Bruch eines Aufzugs wird aufgrund des durch die Mikrometeoriten verursachten Verschleißes einige Jahre nach seiner Installation geschätzt. Darüber hinaus sind die Orbitalschleifen im Falle eines Unfalls keine signifikante Quelle für Orbitalabfälle. Alle Trümmer, die unter der Annahme eines Mantelbruchs entstehen, haben ausreichende Geschwindigkeiten, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, oder einen Weg, der sie durch die Atmosphäre führt.
Die Startschleifen sind für den menschlichen Transport vorgesehen, daher die Wahl einer Beschleunigung von 3 g, die von den meisten Menschen unterstützt werden kann und dennoch im Vergleich zu Aufzügen ein schnelles Mittel ist.
Die Startschleifen würden im Gegensatz zum Raketenfeuer im Betrieb geräuschlos sein.
Schließlich sind ihre geringe Belastung und ihre geringen Kosten mit dem großflächigen Weltraumtourismus und sogar der Besiedlung des Weltraums vereinbar .
| Methode | Minimale Verschmutzung | Anschaffungskosten (in Milliarden Dollar) | Drehkosten $ / kg | Brennfrequenz Tonnen / Tag |
|---|---|---|---|---|
| Orbitalring | Praktisch Null | 30 | ~ 0,05 | ? |
| Schleife starten | Praktisch Null | 30 | 300 bis 3 | 175 |
| Aufzüge | Praktisch Null | ? | - - | ? |
| wiederverwendbare Raketen | Verbrennungsgas + Schmutz | - - | ~ 2000 | ? |
| klassische Raketen | Verbrennungsgas + Schmutz + nicht wiederverwendbare Stufen | - - | ~ 20.000 | ? |
Aus Gründen der Orbitalmechanik und der Sicherheit sollten diese Schleifen über einem Ozean in der Nähe des Äquators und weit entfernt von Häusern installiert werden.
Herstellung UmgebungDie Struktur durchquert die untere Atmosphäre an ihren Enden. Daher ist es ratsam, die Frage nach dem Einfluss des Klimas auf seine Integrität zu stellen. Der gewählte Ort wäre weit entfernt von Gebieten, die häufig von Wirbelstürmen und tropischen Stürmen heimgesucht werden .
StabilitätDas veröffentlichte Konzept sieht eine elektronische Steuerung der Magnetschwebebahn vor, um die Energiedissipation zu minimieren und das Kabel zu stabilisieren.
Die beiden Hauptinstabilitätspunkte sind das Richten der Kabelabschnitte und die Stabilisierung des Rotors.
Eine Servosteuerung der Magnetschwebebahn ist unerlässlich, da dies ein physikalisches System im instabilen Gleichgewicht ist.
Kabelabschnitte teilen auch dieses Problem, obwohl die Kräfte viel schwächer sind. Instabilität ist jedoch immer ein Problem, da die Kabelträger- / Mantel- / Rotorbaugruppe im Schwingungsmodus mäanderförmig werden kann. Diese nehmen unbegrenzt an Amplitude zu. Lofstrom glaubt, dass diese Instabilität auch in Echtzeit durch Servomechanismen gesteuert werden kann, obwohl dies nie versucht wurde.
SicherheitEine Arbeitsschleife enthält enorme Energie in kinetischer Form . Bei einer starken Redundanz der magnetischen Aufhängungen sollte das Versagen kleiner Abschnitte keine größeren Auswirkungen haben. Im Falle eines größeren Ausfalls würde die Energie, die von der Schleife freigesetzt würde, 1,5 Petajoule oder 350 Kilotonnen TNT-Äquivalent oder eine Atomexplosion (ohne Strahlung) betragen.
Obwohl dies eine große Energiemenge ist, ist es unwahrscheinlich, dass ein Großteil der Struktur aufgrund ihrer sehr großen Größe und der Tatsache, dass die Energie absichtlich über dem Ozean freigesetzt wird und 400.000 m 3 Salzwasser verdampft, zerstört wird. Gegenmaßnahmen wie Fallschirme müssen dennoch getroffen werden, um Schäden beim Herunterfallen des Kabels zu begrenzen.