O que está acontecendo com o projeto do elevador espacial do Google?

Esta é a verdade sobre um dos projetos mais promissores do Google X, de um engenheiro de sistemas espaciais que os pesquisou: eles são lentos demais. Mas existe uma solução potencial.

O que está acontecendo com o projeto do elevador espacial do Google?

Gosto muito de Fast Company leitores, fiquei intrigado com a menção de um conceito de elevador espacial em desenvolvimento no laboratório skunkworks do Google, conhecido simplesmente como Google X.



Você sabe o que é um elevador espacial, certo? DeVaul pergunta. Ele enumera os fatos essenciais - um cabo conectado a um satélite fixo no espaço, dezenas de milhares de quilômetros acima da Terra. Para DeVaul, sem dúvida satisfaria os critérios X de algo saído diretamente da ficção científica.

Os elevadores espaciais seriam uma virada de jogo no nível de eletricidade ou vôo motorizado. Como um engenheiro que projetou conceitos de elevadores espaciais para a divisão de sistemas espaciais da Boeing, e colaborador ocasional da FastCoLabs, pensei em adicionar alguns detalhes a este conceito promissor semelhante a uma miragem.



O espaço já é um negócio de US $ 304 bilhões, mas tem potencial para ser muito maior se não fosse extremamente caro para chegar lá. Qualquer negócio futuro, como turismo espacial (que envolve transporte de pessoas) ou mineração de asteróides (que exige transporte de matérias-primas), é confrontado com o custo atual para entregar qualquer coisa ao espaço.

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Ofertas SpaceX os preços de lançamento mais baratos a $ 2.550 / kg, ou cerca de quatro vezes o preço da prata. Quando seus custos são medidos em múltiplos de um metal precioso, você precisa cortar custos. Portanto, engenheiros como eu procuram maneiras mais baratas de levar as coisas para o espaço.

Os desafios do projeto de um elevador espacial

Uma maneira atraente de reduzir o custo do transporte de cargas e pessoas para o espaço é um elevador espacial.

E presumivelmente seria transformador ao reduzir as viagens espaciais a uma fração de seu custo atual: as naves de transporte seriam presas ao cabo e navegariam até uma estação espacial. Um poderia subir enquanto o outro descia. Seria um grande investimento de capital, diz DeVaul, mas depois disso poderia levá-lo do solo à órbita com uma rede de energia basicamente zero. Ele reduz os custos de acesso ao espaço, operacionalmente, a níveis incrivelmente baixos.



Exatamente - essa ideia de um elevador espacial é simples, atraente, mas provavelmente errada. Para ver por que está errado - e como podemos salvar partes do conceito - precisamos olhar mais profundamente em seu design e economia para ver qual abordagem faz mais sentido e quando podemos construir tal coisa no final deste século. Como diz a peça:

Não surpreendentemente, a equipe encontrou um obstáculo. Se foram os problemas de dimensionamento que trouxeram os hoverboards à Terra, as questões da ciência dos materiais derrubaram o elevador espacial. A equipe sabia que o cabo teria que ser excepcionalmente forte - pelo menos cem vezes mais forte do que o aço mais forte que temos, pelos cálculos de Piponi. Ele encontrou um material que poderia fazer isso: nanotubos de carbono.

Os cabos de nanotubos de carbono são teoricamente 12 vezes mais fortes do que o melhor aço, mas 5 vezes mais leves, portanto 60 vezes melhores em relação ao peso, que é o que importa para os elevadores espaciais. Libra por libra que é 60 vezes mais forte.



O projeto de qualquer estrutura, seja arranha-céu, ponte ou elevador espacial, é governado pela necessidade de suportar todas as cargas presentes em cada ponto. Em um prédio alto que não inclui apenas o conteúdo, mas também as colunas de suporte acima do ponto para o qual você está olhando. Portanto, os andares inferiores devem ser mais fortes para suportar o peso de tudo que está acima deles.

Se o aço ou concreto que sustenta o edifício tiver a mesma resistência em toda parte, a única maneira de tornar as colunas mais fortes é torná-las maiores. Afinando de baixo para cima é mais visível no Burj Khalifa e na Torre Eiffel, mas também ocorre sob a pele de edifícios de escritórios em caixa.


Leia a reportagem que inspirou esta resposta: A verdade sobre o Google X: um olhar exclusivo por trás das portas fechadas do laboratório secreto


A estrutura de um elevador espacial também deve suportar as cargas ao longo de todo o seu comprimento, mas em vez de ser apoiada no solo, é principalmente suspensa órbita síncrona . Nessa altitude, a gravidade e a aceleração centrífuga da órbita estão equilibradas; isso é verdade para todas as órbitas estáveis, razão pela qual as coisas permanecem em órbita e não caem.

Aqui está o grande problema, explicado

No entanto, conforme você desce o elevador, a gravidade fica mais forte e a aceleração centrífuga diminui; você está se movendo mais devagar à medida que se aproxima da Terra. A estrutura do elevador também vê essa diferença como peso que ela precisa para suportar com mais estrutura.

As forças líquidas podem ser demonstradas em um carro em movimento: você sempre sente a gravidade da Terra, mas quando acelera para frente, também sente essa força. Algo pendurado no espelho retrovisor ficará pendurado em um ângulo para trás devido à força combinada. Em um elevador espacial, a gravidade o puxa para baixo e a aceleração centrífuga o puxa para cima, e seu peso aparente é a diferença.

Em outras palavras, a estrutura suspensa do elevador precisa suportar mais e mais peso de tudo que está abaixo à medida que você sobe de perto do solo para a órbita síncrona. Isso inclui a própria estrutura e qualquer conteúdo, como cápsulas de carga, trilhos, cabos de força ou luzes de advertência de aeronaves.

Se usarmos o material mais forte disponível, atualmente a fibra de carbono, o elevador deve ficar mais grosso à medida que subimos, para suportar todo o peso abaixo dessa altura. O quanto mais espesso ele precisa ficar pode ser encontrado a partir de duas propriedades de qualquer material: a resistência e a densidade. A força informa quanto você precisa para suportar uma determinada carga, e a densidade informa quanto mais carga é adicionada pelo próprio material. A proporção é chamada de força específica. Para obter a melhor fibra de carbono, com margens de projeto razoáveis ​​para segurança e sobrecarga, são 150 km.

Quando você faz as contas, calcula que você precisa aumentar a área e o peso do cabo por um fator de e (2,718 ...) para cada 150 km de carga, para evitar que a tensão do cabo ultrapasse o limite de seu projeto. Infelizmente, a gravidade da Terra bem do solo à órbita síncrona é equivalente a 6.230 km. Portanto, a massa do cabo será o fator e 41,5 vezes (e41,5) ou 1,1 milhão de trilhões de vezes a massa da carga. Você nunca pode enviar carga suficiente para justificar um cabo tão grande.

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Precisamos de um material mais forte ou de tornar o elevador mais curto, para que não tenha uma massa tão extrema. Como diz o artigo original, a fibra de carbono não é a única opção. Existem também nanotubos de carbono.

Mas ninguém fabricou um fio de nanotubo de carbono com mais de um metro. E assim os elevadores foram congelados, como diz Heinrich, e a equipe decidiu manter o controle sobre quaisquer avanços no campo do nanotubo de carbono.

Então, isso vai funcionar?

Os nanotubos de carbono têm uma força teórica extraordinária, mas na realidade não podem atingir esses níveis de força por causa de defeitos. Um estudo prevê uma resistência real do cabo, permitindo as margens do projeto, de 623 km, ou cerca de 4 vezes melhor do que a fibra de carbono atual. Este é agora 1/10 do poço gravitacional da Terra, e a massa do cabo cai drasticamente para e10 = 22.000 vezes a massa da carga.

Isso significa que um elevador espacial é viável? Essa ideia está no futuro?

Uma massa de cabo de 22.000 vezes a carga é uma grande melhoria em relação a um milhão de trilhões, mas ainda não é baixa o suficiente para tornar um elevador viável. Por enquanto, vamos ignorar que hoje só podemos fazer nanotubos de carbono em fibras microscópicas. Presumimos que os pesquisadores eventualmente serão capazes de fabricá-lo em quantidade e espessura de cabo suficientes para a estrutura do elevador.

Mas há outro problema: tempo de retorno para o elevador.

O problema da velocidade do elevador espacial

A proporção de massa do cabo para a cápsula de carga que ele carrega é fixa para um determinado material e design. Se você tiver várias cápsulas de carga em trânsito, também precisará de várias quantidades de cabo para suportá-las. Para simplificar, podemos considerar uma cápsula e uma unidade de cabo.

Deve haver algum tipo de mecanismo para elevar as cápsulas do solo à altitude síncrona (35.000 km). Os elevadores convencionais são elevados por cabos, mas isso é muito lento para considerar. O elevador mais rápido existente, na torre Taipei 101, levaria 24 dias. Em vez disso, vamos supor que você use a levitação magnética tão rápido quanto o trem maglev mais rápido existente (581 km / h). Isso o levaria ao topo em 60 horas.

Para entregar 22.000 cargas - ou quase tanta massa quanto o próprio cabo do elevador - levaria 150 anos. Isso mesmo. Se começássemos hoje, demoraria até 2164 para entregar seu próprio peso.

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Já que você tem que lançar o elevador espacial ao espaço, você quer que ele entregue mais carga do que sua própria massa. Caso contrário, por que não pular o elevador e apenas lançar a carga diretamente?

Portanto, se demorar 150 anos para fazer isso, sua taxa de retorno é de 0,6% por cento ao ano, o que simplesmente não é viável do ponto de vista econômico. Mas que tal torná-los menores?

Será que algum dia construiremos elevadores espaciais sensíveis?

A ideia original de um elevador espacial, do solo à órbita síncrona como uma estrutura gigante, foi descrita pela primeira vez pelo pioneiro dos foguetes Konstantin Tsiolkovsky em 1895. Pretendia ser teórico, como a ilustração de Isaac Newton de um canhão em uma montanha disparando em órbita. Não tinha a intenção de ser um projeto prático.

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E, de fato, não é: 60 horas, ou 2,5 dias, para entregar 1 / 22.000 da massa do elevador como carga significa que leva muito tempo - 150 anos - para entregar o suficiente para fazer o elevador valer a pena. Como analogia, imagine um reboque de trator (caminhão grande) que pode entregar 3 libras a cada 2,5 dias. Não é muito útil, não é?

Então, vamos dispensar duas suposições na ideia [original]: que ela precisa ser uma estrutura gigante e que precisa fazer todo o trabalho de alcançar a órbita.

A maior lição aqui é que qualquer ideia do Google X de que depende de algum tipo de novo desenvolvimento na ciência dos materiais não pode prosseguir. Este não é o caso com a eletrônica - X poderia avançar com um dispositivo que depende de melhorias de curto prazo na capacidade de computação porque a lei de Moore prevê um aumento exponencial no poder de computação. É por isso que a equipe de DeVaul está confiante de que o Google Glass ficará menos estranho a cada ano que passa. Mas não há como prever com precisão quando um novo material ou processo de fabricação será inventado. Pode acontecer no ano que vem ou pode levar 100 anos.

Este é um lugar onde a comunidade de pesquisadores de elevadores espaciais diverge do pessoal do Google X. Todos nós queremos materiais mais fortes, porque isso torna o cabo muito mais leve - mas para a Terra, mesmo com materiais ideais, é muito difícil fazer um elevador completo de uma peça.

A Lua e Marte têm poços de gravidade menores, então podemos considerar soluções inteiras, mas para a Terra precisamos quebrá-los em pedaços menores e transferir parte do trabalho para um foguete.

Temos mais controle sobre a viabilidade de um elevador espacial do que pensamos, questionando as duas suposições acima.

Veja, os foguetes convencionais também têm um problema de proporção de massa. Para alcançar a órbita síncrona, eles são cerca de 100 vezes mais pesados ​​que a carga útil que entregam. A maior parte disso é combustível, e o resto, até agora, tem sido hardware aeroespacial caro que foi jogado fora após um uso. Portanto, faz sentido dividir o trabalho entre um foguete e um elevador. Isso diminui as razões de massa de ambos e a soma das razões de massa combinadas será menor.

Combinando foguetes e elevadores espaciais

Também podemos dividir o elevador espacial em duas partes, uma em órbita baixa e outra próxima à órbita síncrona. O inferior passa a cápsula de carga para o superior usando mecânica orbital, em vez de um trilho maglev. Cruzar a lacuna entre eles usando nada além da física será mais barato do que um trilho maglev - eles não são baratos. Os elevadores menores também terão proporções de massa exponencialmente menores do que um único fazendo o mesmo trabalho.

Para colocar alguns números, o foguete fornece 4.600 m / s (mais várias perdas como arrasto), o elevador inferior fornece 4.800 m / s para a carga e o superior adiciona outros 1.500 m / s. Como o foguete está fazendo muito menos trabalho, sua proporção de massa é agora de 10-15 em vez de 100. O número exato dependerá de quanto da economia será usada para fazê-lo durar muito mais como um avião (20.000 voos) do que um foguete descartável.

O elevador inferior, usando fibra de carbono já existente - não alguma coisa de nanotubos do futuro - terá uma proporção de massa de 14, e o superior de 1,4. Esses são números muito mais razoáveis. Esses números podem não ser os ideais, eles dependerão de uma série de compensações de design que ninguém fez ainda, mas são muito mais encorajadores do que a abordagem de um grande elevador.

Em suma, um elevador espacial pode ser impossível - mas foguetes menores auxiliados por elevadores espaciais podem de fato acontecer durante nossas vidas.