Die Illustration eines Künstlers eines massiven Raumaufzugstransportsystems. Zukünftige Versionen der Technologie könnten sich eines Tages selbst reparieren.
(Bild: © Japan Space Elevator Association)
Weltraumaufzüge zur Beförderung von Passagieren und Fracht zum und vom Orbit könnten unter Verwendung vorhandener Materialien gebaut werden, wenn die Technologie sich von der Biologie inspirieren lässt, um sich bei Bedarf selbst zu reparieren, so eine neue Studie.
Theoretisch besteht ein Weltraumaufzug aus einem Kabel oder einem Bündel von Kabeln, die sich über Tausende von Kilometern bis zu einem Gegengewicht im Weltraum erstrecken. Die Rotation der Erde würde das Kabel straff halten, und Kletterfahrzeuge würden das Kabel mit der Geschwindigkeit eines Zuges auf und ab fahren.
Die Fahrt mit einem Weltraumaufzug würde wahrscheinlich Tage dauern. Sobald jedoch ein Weltraumaufzug gebaut ist, könnte eine Reise in den Weltraum mit der Technologie weitaus billiger und sicherer sein als mit einer Rakete. Die Weltraumaufzugstechnologie wird jetzt im japanischen STARS-Me-Experiment (kurz für Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Elevator) getestet, das am 27. September an Bord des japanischen Roboter-Frachtraumfahrzeugs HTV-7 auf der Internationalen Raumstation eintraf .
Das Konzept des bohnenstielartigen Aufzugs in den Weltraum geht auf ein "Gedankenexperiment" des russischen Weltraumpioniers Konstantin Tsiolkovsky aus dem Jahr 1895 zurück. Seitdem sind solche "Megastrukturen" oft in der Science-Fiction aufgetaucht. Das Hauptproblem bei der Schaffung von Weltraumaufzügen besteht darin, ein Kabel zu bauen, das stark genug ist, um den außergewöhnlichen Kräften standzuhalten, denen es ausgesetzt wäre. ['Säule zum Himmel': Fragen und Antworten zum Weltraumaufzug mit dem Autor William Forstchen]
Eine natürliche Wahl für den Bau eines Weltraumaufzugskabels sind Carbonrohre mit einer Breite von nur Nanometern oder Milliardstel Metern. Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass sich solche Kohlenstoffnanoröhren bei einem Sechstel des Gewichts als 100-mal stärker als Stahl erweisen können.
Derzeit können Wissenschaftler Kohlenstoffnanoröhren jedoch höchstens 55 Zentimeter lang herstellen. Eine Alternative ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen, die mit Kohlenstoffnanoröhren beladen sind, die jedoch für sich genommen nicht stark genug sind.
Jetzt haben Forscher vorgeschlagen, dass die Inspiration aus der Biologie Ingenieuren helfen könnte, Weltraumaufzüge aus vorhandenen Materialien zu bauen. "Hoffentlich wird dies jemanden dazu inspirieren, den Weltraumaufzug zu bauen", sagte der Co-Autor der Studie, Sean Sun, Maschinenbauingenieur an der Johns Hopkins University in Baltimore, gegenüber Space.com.
Inspiration für Bio-Aufzüge
Die Wissenschaftler stellten fest, dass Ingenieure beim Entwurf von Strukturen häufig verlangen, dass die Materialien für diese Strukturen nur mit der Hälfte ihrer maximalen Zugfestigkeit oder weniger arbeiten. Dieses Kriterium begrenzt die Wahrscheinlichkeit des Versagens von Strukturen, da es ihnen Spielraum gibt, mit Schwankungen der Materialfestigkeit oder unvorhergesehenen Umständen umzugehen. [Werden wir jemals aufhören, Raketen einzusetzen, um den Weltraum zu erreichen?]
Im Gegensatz dazu hält die Achillessehne beim Menschen routinemäßig mechanischen Belastungen stand, die sehr nahe an ihrer liegen
ultimative Zugfestigkeit. Die Biologie kann Materialien aufgrund kontinuierlicher Reparaturmechanismen an ihre Grenzen bringen, sagten die Forscher.
"Mit der Selbstreparatur können technische Strukturen anders und robuster gestaltet werden", sagte Sun.
Zum Beispiel dreht sich der Motor, der die peitschenartigen Flagellen antreibt, die viele Bakterien für den Antrieb verwenden, "mit etwa 10.000 U / min [Umdrehungen pro Minute], aber er repariert und dreht alle seine Komponenten aktiv auf der Zeitskala von Minuten." Sagte Sun. "Das ist, als würden Sie mit 160 km / h die Straße hinunterfahren, während Sie Ihre Motoren und Ihr Getriebe herausnehmen, um sie zu ersetzen!"
Die Forscher entwickelten einen mathematischen Rahmen, um zu analysieren, wie lange ein Weltraumaufzug halten könnte, wenn Teile seines Haltegurts zufällig reißen, die Megastruktur jedoch eine Selbstreparatur besitzt
Mechanismus. Die Forscher fanden heraus, dass ein hochzuverlässiger Weltraumaufzug unter Verwendung der derzeit vorhandenen Materialien möglich ist, wenn er mäßige Reparaturraten aufweist, beispielsweise von Robotern.
Angesichts der kommerziellen synthetischen Faser M5 ist beispielsweise "eine Masse von 4 Milliarden Tonnen möglich", sagte Sun. "Dies ist ungefähr das 10.000-fache der Masse des höchsten Gebäudes der Welt, des Burj Khalifa. Realistischer wird etwas wie ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundwerkstoff die Aufgabe erfüllen."
Dan Popescu, Doktorand an der Johns Hopkins University, Sun und Studienleiter, erläuterte ihre Ergebnisse am Mittwoch (17. Oktober) im Journal of the Royal Society Interface.
