¿Qué sucede si un ascensor espacial se descompone?

¿Qué sucede si un ascensor espacial se descompone?

¿Qué sucede si un ascensor espacial se descompone?

DCT | Prod.DB | AppleTV+/ | Lamy

En el primer episodio de Fundación serie en Apple TV, se ve a un terrorista intentando destruir el ascensor espacial utilizado por el Imperio Galáctico. Esta parece una gran oportunidad para hablar sobre la física de los ascensores espaciales y pensar qué pasaría si uno explotara. (Pista: eso no sería bueno.)

A la gente le gusta colocar cosas más allá de la atmósfera terrestre: nos permite tener satélites meteorológicos, una estación espacial, satélites GPS e incluso el telescopio espacial James Webb. Pero en este momento, nuestra única opción para enviar objetos al espacio es unirlos a una explosión química controlada que solemos llamar «un cohete».

No me malinterpreten, los cohetes son geniales, pero también son caros e ineficientes. Considere lo que se necesita para poner un objeto de 1 kilogramo en órbita terrestre baja (LEO). Se encuentra a unos 400 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, aproximadamente donde se encuentra la Estación Espacial Internacional. Para poner este objeto en órbita, necesitas lograr dos cosas. Primero, debes levantarlo durante 400 kilómetros. Pero si solo aumentara la altitud del objeto, no permanecería en el espacio por mucho tiempo. Simplemente volvería a caer a la Tierra. Entonces, en segundo lugar, para mantener esta cosa en LEO, tiene que moverse muy rápido.

Solo un repaso rápido sobre la energía: resulta que la cantidad de energía que ponemos en un sistema (lo llamamos trabajo) es igual al cambio de energía en ese sistema. Podemos modelar matemáticamente diferentes tipos de energía. La energía cinética es la energía que posee un objeto debido a su velocidad. Entonces, si aumenta la velocidad de un objeto, su energía cinética aumentará. La energía potencial gravitacional depende de la distancia entre el objeto y la Tierra. Esto significa que al aumentar la altitud de un objeto aumenta la energía potencial gravitatoria.

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Así que suponga que quiere usar un cohete para aumentar la energía potencial gravitatoria del objeto (para elevarlo a la altitud correcta) y también aumentar su energía cinética (para nivelarlo). Entrar en órbita tiene más que ver con la velocidad que con la altura. Solo el 11% de la energía estaría en energía potencial gravitacional. El resto sería cinético.

La energía total para poner en órbita este objeto de 1 kilogramo sería de unos 33 millones de julios. A modo de comparación, si toma un libro de texto del suelo y lo pone sobre una mesa, se necesitan unos 10 julios. Se necesitaría mucha más energía para entrar en órbita.

Pero el problema es en realidad aún más difícil que eso. Con los cohetes químicos, no solo necesitan la energía para poner en órbita ese objeto de un kilogramo, los cohetes también necesitan transportar su combustible para el viaje a LEO. Hasta que queman ese combustible, es básicamente masa extra para la carga útil, lo que significa que tienen que lanzar con todavía más Gasolina. Para muchos cohetes reales, hasta el 85% de la masa total puede ser simplemente combustible. Es súper ineficiente.

¿Qué pasaría si, en lugar de lanzarse sobre un cohete químico, su objeto simplemente pudiera viajar en un cable que se extiende hacia el espacio? Esto es lo que sucedería con un ascensor espacial.

Conceptos básicos del ascensor espacial

Supón que construyes una torre gigante de 400 kilómetros de altura. Podrías tomar un ascensor hasta la cima y luego estarías en el espacio. Sencillo, ¿verdad? No, de hecho no lo es.

En primer lugar, no se podría construir fácilmente una estructura como esta con acero; el peso comprimiría y probablemente colapsaría las partes inferiores de la torre. Además, requeriría grandes cantidades de hardware.

Pero ese no es el mayor problema, siempre está el tema de la velocidad. (Recuerda que tienes que moverte muy rápido para entrar en órbita). Si estuvieras en lo alto de una torre de 400 kilómetros cuya base está en algún lugar del ecuador terrestre, en realidad te estarías moviendo, porque el planeta gira. es como el movimiento de una persona fuera de un tiovivo que gira. Dado que la Tierra gira aproximadamente una vez al día (hay una diferencia entre las rotaciones sideral y sinódica), tiene una velocidad angular de 7,29 x 10-5 radianes por segundo.

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La velocidad angular es diferente de la velocidad lineal. Es una medida de la velocidad de rotación en lugar de lo que normalmente consideramos velocidad: movimiento en línea recta. (Los radianes son una unidad de medida para usar con rotaciones, en lugar de grados).

Si dos personas se paran en un tiovivo mientras gira, ambos tendrán la misma velocidad angular. (Digamos que es 1 radian por segundo). Sin embargo, la persona más alejada del centro de rotación se moverá más rápido. Digamos que una persona está a 1 metro del centro y la otra a 3 metros del centro. Sus velocidades serán de 1 m/s y 3 m/s respectivamente. Esto mismo funciona con una Tierra en rotación. Es posible alejarse lo suficiente para que la rotación de la Tierra le dé la velocidad orbital requerida para permanecer en órbita alrededor del planeta.

Así que volvamos a nuestro ejemplo de una persona parada en lo alto de una torre de 400 kilómetros. ¿Están lo suficientemente lejos de la Tierra para poder permanecer en órbita? Para una rotación completa de la Tierra, su velocidad angular sería de 2π radianes por día. Puede que no parezca muy rápido, pero en el ecuador esta rotación te da una velocidad de 465 metros por segundo. Eso es más de 1,000 millas por hora. Sin embargo, esto todavía no es suficiente. La velocidad orbital (la velocidad necesaria para permanecer en órbita) a esta altitud es de 7,7 kilómetros por segundo, o más de 17 000 millas por hora.

De hecho, hay otro factor: a medida que te alejas de la Tierra, la velocidad orbital también disminuye. Si pasas de una altitud de 400 a 800 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, la velocidad orbital aumenta de 7,7 km/s a 7,5 km/s. No parece una gran diferencia, pero recuerda, lo que realmente importa es el radio orbital y no solo la altura sobre la superficie de la Tierra. Teóricamente, podrías construir una torre mágica lo suficientemente alta como para bajar y estar en órbita, pero tendría que tener 36,000 kilómetros de altura. No va a suceder.

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