Wenn wir einen Aufzug ins All bauen wollen, wie können wir ihn an der rotierenden Erde befestigen? Keine Notwendigkeit zur Reparatur

Das Konzept des Weltraumaufzugs klingt zwar sehr nach Science-Fiction, könnte aber durchaus noch zu unseren Lebzeiten Realität werden. Einige japanische Wissenschaftler haben sogar vorausgesagt, dass die Menschheit bereits im Jahr 2050 den ersten echten Weltraumaufzug bauen wird. Ist das möglich? Wenn Sie mich fragen, warum ich das sage, ist es tatsächlich möglich, dass es aus Ziolkowskis Mund kam.

Ziolkowski wurde 1857 in Russland geboren. Er war Mathematik- und Physiklehrer. Er hatte auch einen anderen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft anerkannten Titel, nämlich „Vater der Astronautik“. Wenn Sie Ziolkowski nicht kennen, wird Sie dieser Titel verwirren. Wie konnte ein Russe, der im 19. Jahrhundert lebte, als Vater der Astronautik bezeichnet werden? Sie sollten wissen, dass die Gebrüder Wright das Flugzeug erst am 17. Dezember 1903 erfanden und den ersten Testflug absolvierten. Mit anderen Worten: Ziolkowski hatte noch nie ein Flugzeug gesehen.

Ziolkowski hatte nicht nur noch nie ein Flugzeug gesehen, er war auch von Geburt an taub und brachte sich sogar selbst Mathematik und Physik bei. Er wagte jedoch die Vorstellung und glaubte daran, dass die Menschen eines Tages in der Lage sein würden, die Erde zu verlassen und ins Universum zu reisen.

Da man glaubte, dass der Mensch die Erde verlassen könnte, musste eine Methode gefunden werden, sonst wäre es Unsinn. So schlug Ziolkowski die Idee einer Strahlrakete vor und schlug später die Idee von flüssigem Raketentreibstoff und mehrstufigen Raketen vor. Heute wissen wir alle, dass alle fortschrittlichen Ideen Ziolkowskis Wirklichkeit geworden sind, weshalb Ziolkowski zu Recht den Titel „Vater des Weltraums“ trägt. Neben Raketen hatte Ziolkowski auch eine andere Möglichkeit im Sinn, ins All zu reisen: einen Weltraumaufzug.

Im Vergleich zu Raketen erscheint das Konzept eines Weltraumaufzugs viel mysteriöser. Die Erde ist keine stationäre Kugel. Es dreht sich ständig. Am Äquator kann die lineare Geschwindigkeit der Erdrotation 1.670 Kilometer pro Stunde erreichen. Wie kann ein dünner Aufzug auf einer so schnell rotierenden Kugel stehen? Das klingt unmöglich, ist aber tatsächlich möglich.

Alle Objekte mit Masse unterliegen der Schwerkraft, und je größer die Masse, desto größer die Schwerkraft. Die Erde ist eine Kugel mit einer Masse von 5,965 x 10∧24 kg, daher ist die Schwerkraft ziemlich stark. Selbst wenn Sie die erste kosmische Geschwindigkeit erreichen und in eine niedrige Erdumlaufbahn eintreten, werden Sie immer noch von der Schwerkraft der Erde beeinflusst. Objekte, die die Erde umkreisen, werden nicht nur von der Schwerkraft beeinflusst, sondern auch von einer virtuellen Kraft in entgegengesetzter Richtung der Schwerkraft, nämlich der Trägheitszentrifugalkraft.

Die auf ein Objekt wirkende Gravitationskraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, das heißt, je weiter es von der Erde entfernt ist, desto geringer ist die Gravitationskraft, die es erfährt. Allerdings ist die Trägheitszentrifugalkraft auf ein Objekt direkt proportional zur Entfernung. Je größer die Entfernung, desto größer die Trägheitszentrifugalkraft. Daher tendieren die Größen der Schwerkraft und der Trägheitszentrifugalkraft in einer bestimmten Höhe über der Erdoberfläche dazu, sich zu gleichen und ein Gleichgewicht zu erreichen. Diese Position wird von uns als „geosynchrone Umlaufbahn“ bezeichnet.

Objekte in geosynchronen Umlaufbahnen bewegen sich synchron mit der Erdrotation. Aus der Perspektive der Erde scheinen Objekte in dieser Umlaufbahn daher stationär zu sein. Daher kann diese Umlaufbahn zur Platzierung der Endstation des Weltraumaufzugs verwendet werden. Nachdem wir nun das Terminal haben, stellt sich als nächstes die Frage, wie wir den Startpunkt auf der Erde mit dem Terminal im Weltraum verbinden.

Die geosynchrone Umlaufbahn befindet sich 36.000 Kilometer über der Erdoberfläche, aber wenn wir einen Aufzug bauen, können wir nicht nur eine Länge von 36.000 Kilometern bauen.

Da die Schwerkraft, die auf den Aufzugskörper unterhalb der geosynchronen Umlaufbahn ausgeübt wird, größer ist als die Trägheitszentrifugalkraft, ist seine Geschwindigkeit nicht mit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde vereinbar und er kann nicht aufrecht stehen. Um dieses Problem zu lösen, muss der Aufzug länger gebaut werden, was bedeutet, dass die Gesamthöhe des Aufzugskörpers viel höher sein muss als die Höhe der geosynchronen Umlaufbahn. Auf diese Weise ist die Trägheitszentrifugalkraft auf den Aufzugskörper oberhalb der geosynchronen Umlaufbahn größer als die Schwerkraft der Erde, während die Schwerkraft der Erde auf den Aufzugskörper unterhalb der geosynchronen Umlaufbahn größer ist als die Trägheitszentrifugalkraft. Dadurch ziehen sich die beiden Körperteile gegenseitig. Wenn die auf die beiden Teile wirkenden Kräfte gleich sind, kann ein Gleichgewicht erreicht werden. Der gesamte Aufzug benötigt keinerlei Unterstützung und kann unter der ausgeglichenen Wirkung von Schwerkraft und Trägheitszentrifugalkraft über der Erde stehen.

Aus theoretischer Sicht entspricht das Konzept eines Weltraumaufzugs völlig den Tatsachen. Auch mit dem aktuellen Stand der Technik können die Baubedingungen grundsätzlich erfüllt werden. Wenn etwas fehlt, dann sind es die Baumaterialien.

Die Konstruktion eines Weltraumaufzugs beruht auf dem Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft und der Trägheitszentrifugalkraft, die auf den Hauptteil des Aufzugs wirkt. Dieses Gleichgewicht wird durch den Zugeffekt erreicht. Daher müssen die zum Bau eines Weltraumaufzugs benötigten Materialien über eine ausreichende Festigkeit verfügen. Derzeit sind Kohlenstoffnanoröhren das einzige bekannte Material, das die Anforderungen für den Bau eines Weltraumaufzugs erfüllen kann. Allerdings sind wir noch nicht in der Lage, dieses Material sehr lange herzustellen. Das längste derzeit weltweit hergestellte Kohlenstoffnanoröhrenmaterial ist nur einen halben Meter lang und wurde von Forschern der Tsinghua-Universität hergestellt. Daher wird es einige Zeit dauern, einen Weltraumaufzug mit einer Reichweite von mehreren zehntausend Kilometern zu bauen.

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