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Space Elevator

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by

Dario Sechi

on 24 June 2014

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Transcript of Space Elevator

Ascensore Spaziale
Verso altri pianeti
Più un oggetto si allontana dall'asse terrestre,più guadagna velocità lineare. In quale modo è possibile sfruttare una struttura del genere per raggiungere altri pianeti?
Manovra di Hohmann
Una delle principali manovre svolte dai satelliti per raggiungere orbite diverse oppure diversi pianeti è denominata "Hohmann".Essa consiste di un orbita ellittica bitangente che attraversa l'orbita di partenza e quella di arrivo.Richiede la minima velocità di fuga, di conseguenza non è necessario dotarsi di motori più potenti,inoltre è adattabile per sfruttare la velocità lineare ottenuta da un satellite stazionante ad una determinata altezza dell'ascensore
I nanotubi di carbonio hanno aperto la strada per la costruzione di strutture neanche lontanamente realizzabili nei secoli precedenti
L'idea della sua costruzione è nata alla fine del diciannovesimo secolo, ma è arrivata alla ribalta solo nell'ultimo decennio grazie allo sviluppo della scienza dei materiali
Come giustificare una costruzione di dimensioni tali?
Riduzione immediata dei costi di lancio orbitale e conseguente incremento delle missioni su altri pianeti
Incremento delle possibilità per la realizzazione di un sistema di pannelli fotovoltaici orbitanti
Possibilità di evitare lanci orbitali dalla superfice terrestre e quindi meno rischio per gli astronauti e riduzione dei costi per la progettazione di razzi
Abbattimento immediato dell'utilizzo di idrocarburi
Creazione di un sistema di comunicazione e trasporto nel sistema solare e successivo incremento del turismo spaziale
Nuove tecnologie
Avendo un resistenza al proprio peso fino a 10204 km,si son rivelati la tecnologia più affidabile per la costruzione di questa struttura. È da ricordare infatti che non è necessaria una struttura in grado di reggere il proprio peso fino a 100000km(altezza in cui essa controbilancerebbe la forza di gravità con quella centrifuga) perchè la gravità diminuisce con l'altezza
Design
Pur essendo possibile la costruzione dell'ascensore utilizzando un solo filamento di carbonio, si è resa necessaria la creazione di un nastro di filamenti in modo da coprire un eventuale rottura di qualche filamento,per distribuire meglio il peso della struttura e per permettere la successiva riparazione di essa. Il risultato delle ricerche è riportato nella figura a fianco. Per connettere i vari filamenti è stato dovuto usare un materiale leggero,con un alto grado di resistenza e capace di resistere alle radiazioni solari, chiamato Kapton metallizzato
Dispiegamento del cavo
Il dispiegamento del cavo avverrà sostanzialmente nello spazio. Il primo space shuttle comincerà a calare il primo chilometro di nanotubi,fungendo da massa dominante. Per tenere il cavo perpendicolare alla superfice terreste bisognerà essere in grado di sfruttare il gradiente di torsione della gravità, il quale è dato dalla differenza di gravità fra i due estremi del cavo e tende a orientarlo verso la terra, dispiegando il cavo ad una velocità costante e cercando di tenerlo ad un angolo fissato
L'elevatore
L'elevatore ,il mezzo di trasporto insomma, deve essere progettato per applicare, in un primo momento, al sottile cavo iniziale i restanti filamenti in modo da formare un nastro di all'incirca 30 centimenti. L'intero sistema dovrà essere trasportato in orbita attraverso degli space shuttle "c" di nuova generazione attraverso tre viaggi(i carichi degli shuttle sono bassi perchè il carburante occupa la maggior parte della capienza).
Di grande importanza è l'introduzione di un sisema di locomozione in grado di tracciare la velocità di dispiegamento del cavo,di modificarla (se neccessario) e di controllare continuamento lo stato del cavo (se ha subito danneggiamenti)
Le forze affrontate dall'elevatore, sono notevolmente minori rispetto a quelle di un normale space shuttle, ma comunque ha bisogno di un design in grado di resistere a forze prolungate
Come alimentare l'elevatore?
l'alimentazione dell'elevatore è un problema importante. I cavi ellettrici in rame in fatti non hanno una resistenza troppo alta per portare energia elettrica a sufficenza in tutto l'ascensore.
Si è pensato allora di utilizzare la capacità di superconduttore dell'elevatore stesso,o per alimentare motori elettrici o per generare campo magnetico in grado di dare propulsione all'elevatore (come i moderni treni giapponesi) ma il problema si è ripresentato, per la dispersione di energia causata sempre dai 100000 km di altezza di questa struttura.Anche dispore di energia nucleare sull'elevatore si è dimostrata una pessima idea, vista la mancanza di generatori leggeri e poco ingombranti.
Quindi?
La trasmissione via laser si è rivelata la scielta migliore.Questo procedimento consta di due parabole e un pannello fotovoltaico.La prima parabola,posta a terra trasmette una determinata frequenza d'onda prodotta in loco,la seconda parabola la riceve e la trasmette interamente al pannello fotovoltaico che la converte in energia elettrica
Ancora
Molto importante si è rivelata la scelta del luogo dove ancorare l'ascensore sulla Terra. Dopo studi sulle varie condizione ambientali(concentrazione di fulmini,tempeste,vento) e sulla possibilità di avere una postazione mobile e facilmente costruibile si è deciso di utilizzare una struttura simile ad una stazione petrolifera(quindi di facile produzione) posta a ovest dell'america latina nell'oceano pacifico
Dov'è finita la capacità di connessione fra pianeti di cui si parlava all'inizio?
A questo punto è meglio ritornare sulla terra per rendersi conto delle varie difficoltà che dovrà affrontare quotidianamente questa struttura
Sfide
I fulmini possono fondere una struttura del genere.Infatti i nanotubi di carbonio rappresentano per essi il percorso più facile verso il terreno(come un parafulmini)
Le meteore sono milioni ,vanno dai 12 ai 36 km/s,ed è possibile individurane solo se grandi almeno 10 cm.Ad una velocità di impatto del genere anche i più piccoli frammenti possono determinare la rottura della struttura,quindi è indispensabile un’adeguata progettazione che permetta una percentuale di impatti minore sul cavo
I satelliti in disuso possono essere un reale problema,infatti non esiste una vera e propria catalogazione di essi, e hanno il potenziale distruttivo dei metoriti
Una qualsiasi oscillazione del cavo potrebbe portare esso ad una frequenza di risonanza(come un bicchiere di cristallo) le quali vibrazioni porterebbero alla sua rottura.
L’ossigeno atomico è estremamente corrosivo. Un recente studio della Nasa di un veicolo in movimento(quindi che evita la maggior parte dell’ossigeno) ha dimostrato che è grado di diminuire lo spessore di una fibra di carbonio di un micron per mese.Solo ricomprendo i cavi con una fibra d'oro si potrebbe evitarlo
Gli uragani forza 5,possono causare la torsione del cavo necessaria alla sua rottura.Questi non son presenti nella zona dove si è scelto il posizionamento della struttura
Ed in caso di rottura del cavo?
Il secondo problema che ci si è posti è sull’impatto ambientale di una rottura del cavo. Si è visto che nel caso di una rottura, solamente 3000 km di cavo massimo cadrebbe sul mare, ad una velocità similare a quella di una piuma, quindi non provocherebbe danni visibili. Invece la formazione di polvere di carbonio incrementerebbe dell’8,9% la quantità di polvere che arriva sulla terra dallo spazio e son quindi necessari ulteriori studi per verificarne i danni alla salute.Il resto del cavo che rimarra nello spazio in seguito alla rottura potrebbe essere riutilizzato successivamente
Bilancio
La struttura dovrebbe costare all’incirca 6 miliardi di dollari la quale potrebbe sembrare si una cifra astronomica ma in relazione alla spesa avvenuta dal governo americano per l’intera missione Apollo che ammonta a 125 miliardi di dollari. La crifra potrà essere ammortizzata in 20 anni attraverso 4 elevatori in grado di lavorare quasi in simultanea e portando quindi il costo per portare oggetti in orbita a 300 dollari per chilo,molto inferiore rispetto ai 40.000 dollari attuali. Inoltra una simile struttura permetterebbe la costruzione di altri ascensori notevolmente meno costosi, perchè il costo iniziale per questo elevatore è dato dall'elevato prezzo del trasporto delle materie prime sullo spazio
Un doveroso ringraziamento al canale youtube "Vsauce" per l'idea
Le informazioni qui presenti sono state raccolte attraverso questi libri:
Fundamentals of astrodynamics(Roger R.Bate,Donaldd D.Muller Jerry E.White);
The space Elevator " A revolutionary Earth-to-space trasportation System"(Bradley C.Edwards,Ph.D.,Eric A.Westling);
Space Elevators "An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium" (D.V.Smitherman Jr. for national aeronautics and space administration)
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