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sábado, 10 de marzo de 2012

Razones por las que creo que el ascensor espacial no será factible



Realmente es porque nunca el ascensor espacial será el método predominante para acceder al espacio en la Tierra. Quizás se construya uno, pero supondrá algo anecdótico en lo que se refiere al porcentaje de masa que se eleva al espacio. Y será descartado rápidamente por otras opciones.

Mis razones.

La longitud del cable sería de 36.000 km si esta anclado en el extremo superior a una masa lo suficientemente elevada, sino resultaría mucho más largo. Seré conservador y me quedaré con este valor de longitud. Consideraré un diámetro del cable de más a menos un metro.

Siendo la densidad de los nanotubos de carbono alrededor de 1400 kg/m3, obtengo que la masa del ascensor es de 5*10E10 kg.

73 millones de toneladas fueron las emisiones de CO2 de España durante el 2011, que son 2*10E10 kg de carbono puro. Se necesitaría el doble de carbono que el emitido por todas las emisiones en España.

Actualmente el precio de los nanotubos de carbono es de 50.000$/kg, pero no voy a ser malo y consideraré que se puede reducir ese valor. El precio de la fibra de carbono es de alrededor de 20$/Kg. Seré optimista e imaginare que el precio de los nanotubos puede descender incluso a 10$/kg mediante procesos industriales que usen una química convencional. Por lo tanto un ascensor espacial costaría 500.000 millones. Que es superior a 25 años de presupuesto completo de la NASA.
Eso uno solo.

La actividad aérea mundial es de 93.000 vuelos diarios desde 9.000 aeropuertos, con más de dos millones de pasajeros al año.



Si queremos un nivel de acceso al espacio comparable deberíamos tener muchos ascensores. Realmente muchos

Un ascensor es como tener solo un aeropuerto, para dos millones de pasajeros.

Viajando a la velocidad del sonido un pasajero tardaría más de un día y medio en llegar a orbita.

Cuantos ascensores seria necesarios para que dos millones de personas viajasen al espacio al año?

Podríamos imaginar un mundo con nanotecnología molecular, donde construir ascensores espaciales fuese realmente barato y fácil, pero entonces también podríamos construir miles de SSTO(como el Skylon de la imagen) de forma muy barata y con un $/kg también muy barato, poniéndonos a la altura del numero de vuelos aéreos, despegando desde cualquier punto del planeta, y en minutos, por lo que un ascensor espacial no tendría sentido.

viernes, 9 de julio de 2010

¿Dónde invertir? Nanotecnología molecular o exploración espacial

Aunque discrepo, parece que la situación actual de los programas espaciales, hace que la gente tienda al pesimismo a la hora de imaginar la evolución de estos, en los próximos años o décadas. Tanto como para decir que no volveremos a la Luna, ni mucho menos a Marte, en 100 años.

En mi opinión cualquiera que realice un pronóstico tan pesimista para 30 años en adelante sin contar con la nanotecnología molecular (MNT), simplemente no sabe qué es ésta, o en todo caso no lo ve como algo posible, más bien como algo de la ciencia-ficción.

La MNT traerá una colonización del espacio espectacular, realmente barata y accesible incluso para la gente normal y corriente. Supondrá un salto tan grande, como si se pasase en el mundo de la aviación de los diseños de Leonardo a un Concorde en un par de décadas y no 500 años.

Veamos unos ejemplos de lo puede hacer la MNT por la carrera espacial.

-HLLV realmente económicos.

Tomemos el caso del Ares V. A continuación haré unos cálculos muy aproximativos.

El ares V hubiese poseído una masa total aproximada de alrededor de 3700 Tn, 400 de ellas siendo peso seco, 150 de carga, y el resto combustible. Tomando un coste de alrededor de 1000$/kg de cohete vacío, daría alrededor de 400 millones de $ lo cual esta cerca de los 500-1000 millones de $ que se suponía que habría costado un Ares V listo para lanzar (gracias a Daniel por el dato).

Mediante MNT se podrían sustituir los materiales del cohete por otros de resistencia superior (diamantoide), permitiendo una reducción espectacular de peso, posiblemente entre un 90% o un 98%. Seré conservador y consideraré una reducción de peso de tan sólo un 90%. Eso permitiría reducir el peso del cohete sin combustible a 40 Tn. Esas 350 Tn de diferencia podrían ir a la carga útil, que sería ahora de 550 Tn.

El coste de cualquier producto obtenido por MNT sería equivalente al de otros productos que ya obtenemos por MNT natural, los productos de agricultura, inferior a 1$/kg. Eso reduciría el coste a 40.000$, lo cual está cerca de los 60.000$ que estimó Drexler que costaría fabricar una lanzadera de las existentes con MNT. Lo mismo que un coche de lujo. Estimo que el coste del combustible se ve reducido igualmente gracias a la MNT.

Pasaríamos de una situación de 500-1000 millones$/cohete para 150 Tn, a una de 60.000$/cohete para 550 Tn, lo cual daría que por el precio de un ARES V ahora, con MNT podríamos colocar 30.000-60.000 veces más carga en órbita, alrededor de 4,5-9 millones de toneladas. Lo cual es la masa de uno o dos hábitats espaciales pequeños, unas cuantas bases lunares, o estaciones de energía solar en órbita (SPS) como para sustituir un par de centenares de centrales nucleares (a kg/m2 y rendimiento de panel solar actual).

-Trajes espaciales tan finos que parecería que estás desnudo en el espacio. Capaz de repararse o de usar la energía solar para convertir el CO2 y el agua en oxígeno y comida.

-Sistemas de soporte vital para ambientes cerrados, Closed Environment Life Support System (CELSS), capaces de reciclar perfectamente desechos de las colonias, transformándolos en materias útiles.

-Space thethers y ascensores espaciales.

-Velas solares gigantescas de nanómetros de grosor y km de radio, capaces de alcanzar un porcentaje pequeño de c.

-Nanobots capaces de reparar el ADN por los defectos de la radiación, capaces de impedir que los huesos y los músculos se debiliten.

-Formas de biostasis a temperatura ambiente. Como la criónica pero sin el frío, ideal para los viajes largos.

Por lo tanto, en un par de décadas después de poder realizar MNT podríamos tener hábitats espaciales, colonias con grandes poblaciones en muchos sitios del sistema solar, y ser capaces de realizar la primera misión interestelar.

Toda la exploración espacial pre-MNT quedará empequeñecida ante lo conseguido una vez tengamos MNT. Igual hubiese sido al fabricar el Concorde que Leonardo hubiese experimentado con 10 o con 30 modelos de aparatos voladores.

Podríamos sacar de conclusión que mejor sería desviar el dinero invertido en la exploración espacial en conseguir MNT cuanto antes. Si en vez de 2040 por dar una fecha posible, los esfuerzos internacionales consiguiesen que la tuviésemos para el 2025, merecería la pena que hasta entonces la carrera espacial se hubiese detenido momentáneamente.

¿O no?

Las armas tan letales que podrían ser fabricadas con MNT, la cantidades en las que se podrían fabricar en un tiempo récord, su bajo precio, y su fácil acceso, haría de la posibilidad de la extinción de la humanidad o de opresión por un gobierno tirano una posibilidad muy grande. Por lo tanto mejor sería tener cierta parte de la humanidad fuera de la cuna, viviendo de forma independiente. Una bases en la Luna o en Marte con una población lo suficientemente numerosa sería adecuado, o incluso en asteroides.

Existe otra posibilidad, y es que una vez tengamos MNT la aceleración tecnológica sea tal que nos lleve por un camino en que prefiramos explorar hacia dentro en vez de hacia fuera, despreciando la colonización del espacio. Este sería del caso de un escenario con ‘mind uploading’. Si eres capaz de simular una esfera de Dyson para trillones de personas, y con un detalle indistinguible de la realidad, colonizar el espacio quizás no resulte interesante. Si además tenemos en cuenta que esas mentes irán aceleradas, la colonización espacial real podría resultarles demasiado pasmosa.

Podría pasar que de surgir la MNT demasiado pronto, hubiese una migración masiva de población terrestre al espacio, antes de que se crease una legislación que administrase las propiedades sobre las superficies del sistema solar, creándose por tanto conflictos por los lugares del sistema solar más adecuados.
Éste es el escenario ‘Sooner’ presentado por Tom McKendree en ‘Planning Scenarios for Space Development’, donde se envían sondas automatizadas con MNT a asteroides condríticos ricos en carbono, la cuales construyen colonias listas para habitar. Provocando que los colonizadores que salen en masa de la Tierra utilicen proyectiles a más de 40 km/s para aniquilar a los competidores por esas colonias.
Una situación poco agradable. El resultado es una prohibición de los vuelos espaciales fuera de la Tierra hasta que surja una legislación que controle la propiedad sobre el sistema solar.
Este escenario contempla MNT que usa sólo carbono, en mi opinión si se ampliase al silicio, el escenario cambiaría, puesto que el silicio es de los materiales más abundantes del sistema solar, y por lo tanto no habría esa limitación en la creación de colonias (el carbono es escaso).
En el escenario ‘Sooner’ la situación del programa espacial es la actual.

Por el contrario en el otro escenario, ‘Slow and planned’, la MNT tarda más, por lo que varios países ya tienen colonias en la Luna, se empieza a explorar los asteroides con intención de usar sus recursos, y se ponen en órbita los primeros prototipos de SPS. Así, cuando surge la MNT, ya hay una legislación que controla la adquisición de terrenos a lo largo del sistema solar. No surgen conflictos cuando la población terrestre se desplaza al sistema solar.

Eso sí, retrasarla sí que sería una mala idea, puesto que haría más probable que otros las consiguiesen. ‘Otros’ es malo si no es una nación democrática.
Es necesario que la MNT surja en el seno se una colaboración de diferentes naciones democráticas, para garantizar su uso adecuado y evitar su abuso. La primera nación o grupo que desarrolle MNT podría adquirir demasiado poder en un tiempo récord, tanto como para tentarle la posibilidad de dominar a los demás.

Sí, realmente es un poco complicado.
Mi opinión es que ante los peligros potenciales de la MNT, deberíamos potenciar la inversión en la colonización espacial, junto a una colaboración internacional, para que en su momento los huevos no estén todos juntos en la misma cesta. A su vez deberíamos invertir más en MNT igualmente en un esfuerzo internacional, para asegurar la adquisición de esta poderosa tecnología, antes que otras naciones o grupos sin escrúpulos.


‘Planning Scenarios for Space Development’ by Thomas L. McKendree

‘Implications of Molecular Nanotechnology Technical Performance Parameters on Previously Defined Space System Architectures’ by Thomas L. McKendree

‘NSS Position Paper on Space and Molecular Nanotechnology’ by Tihamer Toth-Fejel and Tom McKendree

martes, 30 de septiembre de 2008

Torres espaciales

Hace años que la construcción de torres de varios km de altura es posible, pero su elevadísimo coste(varios billones) ha hecho inviable su construcción.

Material modernos como los composites de carbono/epoxy permitirían la construcción de torres de hasta 114 km de altura, con una proporción altura/base de 20, es decir una torre de 100 km de altura tendría que tener una base de 5 km.




Estas torres superaltas( hasta 50 km), servirían de plataforma de lanzamiento de carga hasta una amarra espacial rotatoria o un ascensor espacial cuyo extremo inferior termine en la parte superior de la atmósfera.




Varias torres mediante un maglev podrían servir de lanzamiento de vehículos al espacio, desde una altura donde se evitaría mas del 80% de la atmósfera.




Aparte de esto estas torres tendrían mas aplicaciones que se comentan mas adelante.

Siguiendo con el tema de las torres espaciales voy a comentar el concepto de torre espacial electroestática de Alexander A.Bolonkin del que he hablado ya, que soluciona parte de los problemas de las torres normales y que al ir mas allá se convierte en un sustituto del ascensor espacial.
Básicamente en una torre hinchable que se mantiene en pie gracias a la presión interior de un gas de electrones.

El gas de electrones tiene unas propiedades diferentes a un gas molecular. Un gas de electrones puede tener una presión diferente en un mismo volumen concreto, la presión depende de la intensidad eléctrica, y esta pude ser diferente en diferentes partes de un mismo volumen.

Como se ve en el dibujo la torre electroestática AB(1) es un cilindro hinchable con unas capas dieléctricas(8)(10), en cuyo interior hay una capa conductora fina(9), cargada positivamente, dentro del tubo hay un gas de electrones(12), el tubo esta separado en secciones por una delgada partición(11). La capa conductora permite acelerar(o frenar) las cabinas(3) a cualquier velocidad , las fuerzas electroestáticas impiden que la cabina se separe del tubo.
En la base tendría sujeciones(4) para resistir el viento troposferico. Por el medio pasa un laser de control(13)


La presión del gas de electrones compensa el peso del tubo a lo largo de este, de forma que la torre AB no sufre esfuerzo de compresión longitudinal sino que sufre una fuerza de traccion(6) longitudinal, que la hace mantenerse en pie, lo que hace que a diferencia del ascensor espacial pueda tener una altura de 37.000 sin necesidad de un contrapeso, si la altura supera la orbita geoestacionaria(5) la fuerza centrífuga colabora aun mas en mantener en pie la torre.

La presion del gas es maxima cerca del tubo y cero en el centro(asi como la intensidad electrica),y la carga positiva de la capa interior se equilibra con la carga negativa del gas.

La torre puede tener cualquier altura desde unos pocos km(3-100) hasta una altura considerable (37000-120000 km).

Sus usos podrían ser los siguientes:
-plataformas de observación y entretenimiento. Los turistas podrían ver una amplia zona, incluido el negro del espacio y la curvatura del horizonte.
-sustituto de los satélites de comunicaciones de orbita baja(LEO). De seis a diez torres AB de 100 km de altitud darían al cobertura de la constelación de satélites LEO con mayor potencia, permanencia y posibles mejoras.
-plataformas para rectenas, que permitirían recibir energía con mayor eficiencia de los futuros sps a una frecuencia mas alta
-observatorios permanentes que competirían con los observatorios aerotransportados y observatorios espaciales.
-experimentación y ocio aprovechando la posibilidad de varios minutos en caída libre que ofrecerían.
-plataformas de lanzamiento y aterrizaje de naves espaciales.


Presenta ciertas ventajas respecto al ascensor espacial:

-pueden ser construidas desde la Tierra sin necesidad de cohetes. Esto reduce el costo miles de veces.
-puede tener cualquier altura y una gran capacidad de carga.
-pueden tener la altura de la orbita geosincrona sin necesidad de continuar la torre hasta una altura mucho mayor para hacer de contrapeso.
-el peso de la torre AB es varias decenas menor que el ascensor espacial.
-pueden ser construidas con un material menos resistente que el necesario para el ascensor espacial.
-las torres AB pueden tener rápidos elevadores electroestáticos movidos por un alto voltaje desde la superficie de la Tierra.
-son mas seguras contra el impacto de micrometeoritos, un impacto solo crearía un pequeño agujero en al torre, el escape de electrones se compensaría con inyección de electrones.
-la torre puede ser doblada en la dirección necesitada dando el voltaje necesario en la parte adecuada de la torre.


Por dar un ejemplo una torre AB de 120.000 km con una base de 10 metros tendría una masa de 10.000 toneladas, poco en comparación con los 3.000.000 de toneladas de la torre de la CNN en Toronto de solo 553 metros de altura.

Para entrar mas en profundidad leed el paper original"Optimal Electrostatic Space Tower"

sábado, 6 de septiembre de 2008

Colonización del espacio mediante ascensores espaciales en Phobos

Hay ciertas características que hacen de Marte un puente para la colonización espacial, su atmósfera rica en co2 y la abundancia de agua en los polos son un punto a favor así como su proximidad al cinturón de asteroides, así como la presencia de dos lunas muy cercanas a su superficie.
Marte tiene un pozo gravitatorio que haría que un sistema de transporte basado en cohetes fuese muy caro, es necesario un sistema mas económico y eficaz.
Este sistema se basaría en la utilización de unas amarras espaciales(space tethers), y se aprovecharía de la configuración extraordinaria de Phobos para su establecimiento,



Phobos tiene alrededor de 22 km de diámetro con una masa de 10^16 kg, se cree que contiene cantidades considerables de agua, carbono, nitrógeno, silicio y varios metales, lo cual le da un potencial enorme como fuente de recursos para actividades espaciales, también es altamente positivo que tenga una cara permanentemente mirando a la superficie y la reducida distancia de 6,028 Km a la superficie.
Se usarían dos amarras espaciales(space tethers), ambas anclados en Phobos, una iría hacia la superficie marciana, pero ha diferencia del modelo clásico mas conocido de ascensor espacial terrestre no llegaría hasta la superficie sino que su extremo inferior quedaría en la parte superior de la atmósfera, y el otro se extendería de Phobos hacia fuera apuntando al sistema tierra-luna o al cinturón de asteroides.



El centro de gravedad estaría en Phobos, el cual a causa de su gran masa no se desestabilizaría a consecuencia de las continuas ascensiones, en el trayecto inferior del ascensor dominaría la fuerza de la gravedad, pero a partir de Phobos en el segundo trayecto del ascensor dominaría la fuerza centrífuga, al estar el modulo de ascensión a una altura que le correspondería una orbita mas lenta, pero al ir el cable a una velocidad mas alta el modulo adquiere una velocidad(3.52km/s) al salir del extremo del ascensor que excede la velocidad de escape, enviar materiales y recursos desde Marte con este sistema a orbita lunar seria mas barato que desde la misma superficie lunar.
La punta inferior del ascensor inferior colgaría a una altura de 60 km, con una velocidad de 0.77km/s resultando en 0.52 km/s respecto a la superficie, a esa velocidad cruzaría sobre un mismo punto de la superficie dos veces al día, desde la superficie en una zona montañosa un cohete de propulsión maglev ascendería hasta entrar en contacto la carga con la punta inferior del ascensor , y volver de nuevo vació.

El modelo presentado aquí de cable espacial constaría de incrementos de 100 km cada uno, entre los cuales se instalarían células solares, motores y poleas para elevar los cables con la carga


Varios ascensores independientes se podrían colocar en Phobos para aumentar la capacidad.
Para evitar la rotura de los cables por micrometeoritos se utilizaría el sistema de multitrenzado ideado por Robert L. Forward (1992)(abstract), que daría al cable un aspecto de red de pescar lo cual debido a la redundancia crearía un sistema seguro durante décadas, lo que mediante reparaciones cada pocos años daría un sistema fiable durante un periodo de tiempo muy largo.

Del paper "Space Colonization Using Space-Elevators from Phobos"de Leonard M. Weinstein

La vida ha colonizado cada rincón de la Tierra, ya es hora de ayudarla a colonizar todo el sistema solar.