우주 엘리베이터 작동 방식

1981년 4월 12일 플로리다주 케네디 우주센터에서 컬럼비아호가 이륙하여 최초의 우주왕복선 임무 를 시작했을 때 재사용 가능한 우주선의 꿈이 실현되었습니다. 그 이후로 NASA는 100개 이상의 임무를 시작했지만 우주 임무의 가격표는 거의 변하지 않았습니다. 우주 왕복선이든 재사용 불가능한 러시아 우주선이든 발사 비용은 파운드당 약 $10,000(kg당 $22,000)입니다.

개발 중인 새로운 우주 운송 시스템은 정지 지구 궤도(GEO) 여행을 일상적인 이벤트로 만들고 세계 경제를 변화시킬 수 있습니다.

연안 해상 플랫폼에 고정 된 탄소 나노튜브 복합 리본으로 만든 우주 엘리베이터는 우주로 약 62,000마일(100,000km)의 작은 평형추까지 뻗어 있습니다. 리본에 부착된 기계식 리프터는 파운드당 약 $100~$400(kg당 $220~$880)의 가격으로 화물과 인간을 우주로 실어 나르는 리본을 타고 올라갈 것입니다.

이 기사에서는 우주 엘리베이터에 대한 아이디어가 공상과학 소설에서 현실로 어떻게 옮겨가고 있는지 살펴보겠습니다.

내용물

1. 우주 엘리베이터 리본
2. 우주 엘리베이터를 타고 정상으로
3. 우주 엘리베이터 유지 보수
4. 우주 엘리베이터 충격

우주 엘리베이터의 개념을 더 잘 이해하기 위해 한쪽 끝은 기둥에, 다른 쪽 끝은 공에 연결되는 밧줄 게임을 생각해 보십시오. 이 비유에서 로프는 탄소 나노튜브 복합 리본 이고 기둥은 지구이고 공은 균형추입니다. 이제 공이 기둥 주위를 계속 회전하며 너무 빨라서 밧줄을 팽팽하게 유지한다고 상상해 보십시오. 이것이 우주 엘리베이터의 일반적인 개념입니다. 평형추는 지구 주위를 회전하여 케이블을 직선으로 유지하고 로봇 리프터가 리본을 오르내릴 수 있도록 합니다.

LiftPort가 제안한 설계에 따르면 우주 엘리베이터의 높이는 약 100,000km 입니다. LiftPort는 우주 엘리베이터 또는 그 구성 요소에 대한 계획을 개발 중인 여러 회사 중 하나입니다. 전 세계의 팀들이 2006년 10월 뉴멕시코주 라스 크루세스에서 열린 X Prize Cup 에서 Space Elevator Games의 1등 상금 $400,000를 놓고 경쟁할 예정 입니다.

엘리베이터의 중심 부분은 폭이 불과 몇 센티미터에 불과하고 종이 한 장만큼 얇은 탄소 나노튜브 복합 리본이 될 것입니다. 1991년에 발견된 탄소 나노튜브는 과학자들이 우주 엘리베이터를 만들 수 있다고 믿게 만드는 것입니다. Spaceward Foundation 의 Dr. Bradley Edwards에 따르면 , "이전에는 물질적 도전이 너무 컸다. 그러나 지금 우리는 탄소 나노튜브를 만드는 데 필요한 많은 양의 물질을 회전시킬 수 있는 기계를 만드는 발전에 가까워지고 있습니다. 우주로 뻗어나갈 리본" [ ref ].

탄소 나노 튜브가 될 가능성이 강철보다 100 배 강하게 되고, 플라스틱과 같은가요로 . 탄소나노튜브의 강도는 축구공을 닮은 독특한 구조에서 나온다. 과학자들이 탄소 나노튜브로 섬유를 만들 수 있게 되면 우주 엘리베이터의 리본을 형성할 실을 만드는 것이 가능할 것입니다. 이전에 사용 가능한 재료는 리본을 형성하기에 너무 약하거나 유연하지 않아 쉽게 부러졌을 것입니다.

LiftPort Group의 연구 이사인 Tom Nugent는 "이 제품은 탄성 계수가 매우 높고 인장 강도가 정말 높으며 이론상 우주 엘리베이터를 비교적 쉽게 만들 수 있는 재료를 가리킵니다."라고 말했습니다.

리본은 두 가지 방법으로 만들 수 있습니다.

나노튜브의 긴 리본이 만들어지면 궤도로 발사될 스풀에 감길 것입니다. 스풀을 실은 우주선이 특정 고도(아마도 낮은 지구 궤도)에 도달하면 스풀을 풀기 시작하여 리본을 다시 지구로 내립니다. 동시에 스풀은 더 높은 고도로 계속 이동합니다. 리본이 지구 대기권으로 내려오면 잡아당겨 바다에 있는 이동식 플랫폼에 고정됩니다.

리본은 우주로 향하는 일종의 철도 트랙 역할을 할 것입니다. 그런 다음 기계식 리프터를 사용하여 리본을 우주로 올라갑니다.

우주 엘리베이터의 측정 방법

만약 건설된다면, 리본은 현대 세계의 경이로움을 상징할 것이며 지금까지 지어진 것 중 가장 높은 건축물이 될 것입니다. 2005년에 세계에서 가장 높은 독립형 타워가 캐나다 토론토 위로 1,815피트 5인치(553.34미터) 높이 의 CN 타워 임을 고려하십시오 . 우주 엘리베이터는 CN 타워보다 180,720배 더 높을 것입니다!

62,000마일(100,000km) 길이의 우주 엘리베이터는 우주 왕복선의 평균 궤도 높이(115-400마일/185-643km)보다 훨씬 높습니다. 사실, 그것은 237,674마일(382,500km)에서 지구를 공전하는 달까지의 거리의 거의 4분의 1에 해당합니다.

리본은 여전히 ​​개념적 구성 요소이지만 로봇 리프터 , 앵커 스테이션 및 파워 빔 시스템을 포함하여 알려진 기술을 사용하여 우주 엘리베이터의 다른 모든 부분을 구성할 수 있습니다 . 리본이 구성될 때쯤이면 다른 구성 요소는 2018년경 출시될 준비가 거의 완료될 것입니다.

리프터

로봇 리프터는 리본을 사용하여 우주로의 상승을 안내합니다. 리프터의 트랙션 트레드 롤러는 리본에 고정되고 리본을 통해 당겨 리프터가 엘리베이터를 올라갈 수 있습니다.

앵커 스테이션

우주 엘리베이터는 적도 태평양의 모바일 플랫폼에서 시작되어 리본을 지구에 고정합니다.

균형추

리본 상단에는 무거운 균형추 가 있습니다. 우주 엘리베이터에 대한 초기 계획에는 소행성을 포착 하고 균형추로 사용하는 것이 포함되었습니다. 그러나 LiftPort 및 ISR(Institute for Scientific Research)과 같은 보다 최근의 계획에는 인공 평형추 사용이 포함됩니다. 실제로 평형추는 리본을 발사하는 데 사용되는 우주선을 포함하여 리본을 만드는 데 사용되는 장비로 조립될 수 있습니다.

파워빔

리프터는 앵커 스테이션 또는 그 근처에 위치한 자유 전자 레이저 시스템 에 의해 구동됩니다 . 레이저 뜻 빔 아마도 이루어지는 태양 전지, 에너지의 2.4 메가 와트 갈륨 비소 다음으로 에너지를 변환한다 리프터에 부착 (갈륨 비소) 전력은 통상, 니오븀 자석 DC에 의해 사용되는 전기 모터 ISR이있어서, .

일단 작동하면 리프터는 거의 매일 우주 엘리베이터를 올라갈 수 있습니다. 리프터의 크기는 처음에는 5톤에서 20톤까지 다양합니다. 20톤 리프터는 최대 13톤의 탑재하중을 실을 수 있고 900입방미터의 공간을 갖습니다. 리프터는 위성 에서 태양열 패널에 이르기까지 다양한 화물을 운반 하고 결국 인간은 약 118마일(190km/h)의 속도로 리본을 올라갑니다.

62,000마일(100,000km) 길이의 우주 엘리베이터는 날씨, 우주 쓰레기 및 테러리스트를 포함한 많은 위험에 취약할 것입니다. 우주 엘리베이터 설계에 대한 계획이 진행됨에 따라 개발자는 이러한 위험과 극복 방법을 고려하고 있습니다. 사실, 항상 작동하는 우주 엘리베이터가 있는지 확인하기 위해 개발자는 여러 대의 우주 엘리베이터를 만들 계획입니다. 각각은 이전 것보다 저렴할 것입니다. 첫 번째 우주 엘리베이터는 추가 우주 엘리베이터를 만드는 플랫폼 역할을 합니다. 이를 통해 개발자는 한 우주 엘리베이터에 문제가 발생하더라도 다른 엘리베이터가 계속해서 탑재물을 우주로 들어올릴 수 있도록 합니다.

우주 파편 피하기

우주 정거장 이나 우주 왕복선 처럼 우주 엘리베이터는 파편이나 위성 과 같은 궤도 물체를 피할 수 있는 능력이 필요합니다 . 앵커 플랫폼은 이러한 물체로부터 우주 엘리베이터를 보호하기 위해 능동적 회피 를 사용합니다. 현재 NORAD(North American Aerospace Defense Command)는 10cm(3.9인치)보다 큰 물체를 추적합니다. 우주 엘리베이터를 보호하려면 크기가 약 1cm(0.39인치)인 물체를 감지할 수 있는 궤도 파편 추적 시스템이 필요합니다. 이 기술은 현재 다른 우주 프로젝트를 위해 개발 중입니다.

"우리의 계획은 리본을 바다의 모바일 플랫폼에 고정하는 것입니다."라고 LiftPort의 Tom Nugent가 말했습니다. "당신은 실제로 닻을 이리저리 움직여서 리본을 인공위성의 방해에서 벗어날 수 있습니다."

격퇴 공격

우주 엘리베이터의 고립된 위치는 테러 공격의 위험을 낮추는 가장 큰 요인이 될 것입니다. 예를 들어, 첫 번째 앵커는 적도 태평양에 위치하며, LiftPort에 따르면 모든 항공 또는 선박 항로에서 404마일(650km) 떨어져 있습니다. 9.3마일(15km) 이하의 모든 공격에 도달할 수 있는 공간은 우주 엘리베이터의 작은 부분뿐입니다. 또한 우주 엘리베이터는 귀중한 글로벌 자원이 될 것이며 미국 및 기타 외국 군대의 보호를 받을 가능성이 높습니다.

우주 엘리베이터의 잠재적인 글로벌 영향은 또 다른 위대한 운송 업적인 미국 대륙 횡단 철도와 비교되고 있습니다. 1869년 유타주 프로몬토리에서 완공된 대륙횡단철도는 처음으로 미국의 동부와 서부 해안을 연결하고 미국 서부의 정착을 가속화했습니다. 크로스 컨트리 여행은 몇 달에서 며칠로 단축되었습니다. 또한 새로운 시장을 열었고 완전히 새로운 산업을 일으켰습니다. 1893년까지 미국에는 5개의 대륙 횡단 철도가 있었습니다.

우주 엘리베이터의 아이디어는 대륙 횡단 철도와 동일한 요소를 많이 공유합니다. 우주 엘리베이터는 결코 닫히지 않을 영구적인 지구-우주 연결을 만들 것입니다. 우주 여행을 더 빠르게 만들지는 않겠지만 우주 여행을 더 자주 만들고 우주 개발의 새로운 시대를 열 것입니다. 아마도 우주 엘리베이터의 아이디어를 추진하는 가장 큰 요인은 화물을 우주로 보내는 비용을 상당히 낮출 것이라는 점일 것입니다. 화학적으로 추진되는 우주 왕복선보다 느리지만 리프터는 발사 비용을 파운드당 10,000달러에서 20,000달러로, 파운드당 약 400달러로 줄입니다.

"The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report"의 저자인 Bradley Edwards에 따르면 현재 추정치에 따르면 우주 엘리베이터 건설 비용은 60억 달러, 법적 및 규제 비용은 40억 달러 라고 합니다. (Edwards는 또한 Carbon Designs의 사장이자 설립자인 Dr. Bradley Carl Edwards이기도 합니다.) 이에 비해 우주 왕복선 프로그램의 비용은 1971년에 52억 달러로 예측되었지만 결국 195억 달러가 들게 되었습니다. 또한 각 우주 왕복선 비행 비용은 원래 추정치의 50배 이상인 5억 달러입니다.

우주 엘리베이터는 주요 우주 차량으로 우주 왕복선을 대체할 수 있으며 위성 배치, 방위, 관광 및 추가 탐사에 사용될 수 있습니다 . 후자의 시점까지 우주선은 엘리베이터의 리본을 타고 올라간 다음 우주에서 한 번 주요 목표물을 향해 발사할 것입니다. 이러한 유형의 발사는 일반적으로 지구 대기를 탈출하는 데 필요한 것보다 적은 연료를 필요로 합니다. 일부 설계자들은 우주 엘리베이터가 화성을 포함한 다른 행성에도 건설될 수 있다고 믿습니다.

NASA는 3년 동안 Edwards 박사의 연구에 자금을 지원했습니다. 그러나 2005년에는 우주 엘리베이터를 연구하는 회사에 2,800만 달러만 수여했습니다. 비록 여전히 프로젝트에 매우 관심이 있지만, 지금은 가만히 앉아서 더 구체적인 개발을 기다리는 것을 선호할 것입니다.

우주 엘리베이터 및 관련 주제에 대한 자세한 정보는 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

기술 테스트

2006년 2월, LiftPort 그룹은 고공 풍선을 사용하여 플랫폼을 성공적으로 출시했다고 발표했습니다. 이 풍선은 플랫폼을 6시간 동안 공중에서 1마일을 유지했습니다.

LiftPort는 HALE(High Altitude Long Endurance)라는 플랫폼을 보안 카메라, 휴대폰 및 무선 전송 스테이션으로 판매할 계획입니다. [ 참조 ].

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출처