Как работает петля Лофстрома?

[Diletant]

Трос, который будет висеть от трубы к Земле не порвется, но будет тяжелым. А конструкция большой локальной нагрузки не выдержит - сильно прогнется.

[Крупин]

      понятно, что все эти прожекты (по крайней мере пока) чисто умозрительны и весьма опасны. И обсуждается здесь не конкретно-практическое их построение, а гипотетическая возможность на уровне современных технологий.

[dims]

Я, конечно, целиком и полностью за "обычный" космический лифт. Уверен, это будет первой следующей ступенькой развития космонавтики после современных ракет.  Потому что даже если современные материалы прочны недостаточно, всё равно рано или поздно найдут материалы достаточной прочности. Никаких физических органичений на прочность материалов нет.

[kidmoto]

Для меня так.
Уж если столько лет назад смогли протянуть трансконтинентальный телеграфный медный кабель Европа-С. Америка, то сечйчас, почему бы и не построить петлю Лофстрома? По крайней мере, на сколько я сейчас прочитал в теме и в гугле - это вполне возможно (в относительно ближайшее время).

[dims]

ИМХО, пока невозможно. Трансконтинентальный кабель не имеет движущихся частей (могу ошибаться, но наверняка -- это верно почти). А тут что-то невообразимое. Я думаю, перед петлёй Лофстрома сперва построят трансконтинентальную вакуумную почту: закладываешь посылку в тубус, суёшь в трубу с вакуумом и она без трения на электромагнитной подушке с громадной скоростью за несколько минут достигает другого берега Атлантики.

Пока что везут пароходами и традиционными трубопроводами, то есть, до технологий Лофстрома очень далеко.

[kidmoto]

Про прямо сейчас я и не говорил. Но... Если появиться необходимость, то думаю это будет реализовано намного быстрее, чем космический лифт. ИМХО

[Маска]

Мне кажется,что забыли самое главное - эта "петля" была бы невостребована.На сегодняшний день нет необходимости запускать в космос такое количество космических аппаратов.Современные ракеты-носители стоят не так уж много в общей стоимости "космического аппарата на орбите".

[dims]

Я привык по компьютерным технологиям, что самый главный отрицательный фактор в конструкции -- это количество движущихся частей. Я переношу эту привычку и на данные устройство. Может быть неправомочно.

Петля Лофстрома -- это одна сплошная огроменная движущаяся часть. На каждом погонном метре петли нужно поддерживать вакуум, поддерживать магнитную подушку и "терпеть" несущийся в сердцевине с огромной скоростью трос. Вспомним, что даже на Большом Коллайдере была авария, когда нарушилось магнитное поле и, если не ошибаюсь, целый участок пришлось переделывать. А там-то внутри трубы не трос, а микроскопические частицы.

Всё это разительно отличается от космического лифта, где движущаяся часть только в кабине.

[Крупин]

Я, конечно, целиком и полностью за "обычный" космический лифт. Уверен, это будет первой следующей ступенькой развития космонавтики после современных ракет.  Потому что даже если современные материалы прочны недостаточно, всё равно рано или поздно найдут материалы достаточной прочности. Никаких физических органичений на прочность материалов нет.

     Чудно таковое читать от грамотного, вроде бы, человека. Прочность материала определяется энергиями химических связей. Но для космического троса потребна ещё и лёгкость. одновременно этими качествами обладают углерод-углеродные связи. теоретически практически внатяг углеродный трос (с линейной углеродной цепочкой может выдержать. Но при этом в нём не должно быть никаких изъянов на всём протяжении. Сейчас же лишь микроскопические, можно сказать, опытные образцы высокоупорядоченного полиэтилена (состоящего лишь из углерода и водорода) вродк бы удовлетворяют условию прочности. Но ведь даже если каким-то чудом сделать из этого материала идеальнейший трос 36 000 км., то долго ли он прослужит в условиях космических излучений и микрометеоритной бомбардировки? Да и полимерные материалы довольно быстро стареют.

[MC Именем]

Я туплю, но это же колоссальный гироскоп-колесо? Все подвесы напрочь вырвет от вращения Земли.

[Самодуров Владимир]

Прочность материала определяется энергиями химических связей.

А также изъянами в идеальной кристаллической решетке. Каковые всегда есть. Но - теоретически можно создать технологии, выращивающие сверхдлинные кристаллы с идеальной решеткой.


Второй путь - каким-то образом усилить материалы связующим сверх-сильным электромагнитным полем.  Как - не знаю, но чувствую, что за полями в качестве идеальных "материалов" - лет через 100-200 - будущее.

[Крупин]

   Крмсталлы не катят, по отношению прочности к массе, а следовательно весу, углеродные цепочки вне конкуренции.

[Самодуров Владимир]

   Крмсталлы не катят, по отношению прочности к массе, а следовательно весу, углеродные цепочки вне конкуренции.

Хоспадя! Да вес-то меняется внутри одного порядка, в отличие от прочности связей в разных кристаллах. Вам не приходило в голову, что эти самые "цепочки" - как раз и есть кристаллическая решетка, близкая к идеальной?...   


Собственно, вся битва с этими нанотрубками и идет в направлении построения идеальных кристаллов. Вчитайтесь :

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей.
Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.
Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.

- т.е. - в направлении построения все более идеальных кристаллов (в нанотрубках - это что, не кристалл, что-ли , по Вашему?..). То есть - без примесей, портящих идеальную кристаллическую структуру пресловутых нанотрубок.

[Самодуров Владимир]

По  теме прочности, хорошая статья:

Существует мнение, и мне кажется, что оно справедливо, что вся история человечества - это история борьбы за прочность. Действительно, самое грубое деление на эпохи, как известно, представляется таким: каменный - бронзовый - железный века. Железный век продолжается до сих пор. Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.


Какова же прочность материала, чем она определяется? Известный физик Я.И. Френкель [14] сделал простой расчет этой величины, то есть напряжения разрушения кристаллического твердого тела. Повторим этот расчет для кристалла NaCl, который, как говорилось выше, часто используется как модельный материал. Вычислим силу, которую необходимо приложить, чтобы разорвать кристалл с единичным (1 м2) сечением. Кристалл хлористого натрия состоит из ионов двух сортов, Na и Cl, которые взаимодействуют между собой по закону Кулона. Поскольку кристалл кубический, то а1 = а2 = а3 = а. Следовательно,


.


Здесь e 2 /(4pe0a 2) - сила взаимодействия между парой ионов разного знака, 1/ а 2 - число таких пар на единицу площади. Значения величин в формуле (2) следующие: заряд иона е = 1,6 " 10-19 Кл, межатомное расстояние а ї 2,81" 10-10 м, электрическая постоянная e0 = 8,86 " 10-12 Кл2 " H-1 " м-2.


Проделав необходимые вычисления, получаем sF = 1,44 " 10¹¹ Па и, для того чтобы лучше прочувствовать полученную величину, используем другую размерность:


1,44 " 10¹¹ Па = 1,44 " 10⁴ кг/мм².


Безусловно, полученное значение напряжения разрушения кристалла sF (прочность) кажется удивительным. Ведь это почти 15 тонн на 1 квадратный миллиметр! Всякий, кто когда-нибудь имел дело с поваренной солью, для которой сделан расчет, не поверит в результат. Да и металлы и сплавы не имеют такой прочности. В чем же дело? Ошибку сделать негде, модель решетки NaCl правильна, а цифра в тысячи раз больше, чем в действительности.


Из неверного на первый взгляд результата следуют два важных вывода. Во-первых, разрушение идет, конечно, не так, как мы молчаливо предполагали, производя расчет. Не все связи разрываются одновременно, они рвутся по очереди, так что справиться с ними значительно проще и усилия нужны более скромные. В этом можно убедиться, наблюдая за процессом развития разрушения. На рис. 8 показана трещина, остановившаяся внутри кристалла окиси магния MgO, очень похожего на NaCl. Видны линии равной толщины - результат интерференции на тонком клине, в который превратилась тонкая трещина. Теперь достаточно приложить небольшую силу, и трещина продолжит свой путь до тех пор, пока не развалит кристалл на две половины и не завершит начатый когда-то, но прерванный на полпути процесс разрушения. Между прочим, это очень интересная и важная проблема - рост трещин. Оказывается, что они способны расти со скоростью до 2 км/с, проходя, например, в стальных трубопроводах сотни метров, что, конечно, влечет непоправимо тяжелые последствия [15].


Второе следствие из нашего расчета связано с тем, что полученная цифра должна, конечно, иметь какой-то смысл, должна чему-то соответствовать. Действительно, величина, которую мы рассчитали, называется теоретической прочностью и характеризует абсолютно идеальный кристалл, не содержащий каких-либо дефектов, с которых начинается разрушение. Если бы удалось такой кристалл получить, то он бы имел именно теоретическую прочность. И такие кристаллы существуют. Правда, их удается вырастить только очень маленькими, с площадью поперечного сечения около 10 i 10 мкм и длиной ~ 10 мм. Называются они нитевидными, а чаще просто усами в соответствии с их формой. Открыты они были случайно, но когда обнаружилась их необычайно высокая прочность, их стали искусственно выращивать. Сейчас получены усы металлов и неметаллов, и у всех них обнаруживается чрезвычайно высокая прочность.


Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров (рис. 5). Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.


И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности - дефектной структурой

Еще раз, глянем пост выше - нужно 120 Гигапаскаль, а даже у обычной, банальной поваренной соли идеальный кристалл дает - 1,44 " 10¹¹ Паскаль - то есть, то,  что надо!    Но это - идеальный кристалл.

[dims]

Прочность материала определяется энергиями химических связей. Но для космического троса потребна ещё и лёгкость. одновременно этими качествами обладают углерод-углеродные связи.

Вы рассуждаете точно так же, как рассуждали до открытия сверхпроводимости вообще и высокотемпературной в частности.

Свойства материалов определяются коллективными эффектами, которые очень плохо поддаются пониманию. Не факт, что прочность связей нельзя усилить каким-то образом, допируя, скажем, углеродную трубку какими-то атомами по её оси или где-то ещё.

Но ведь даже если каким-то чудом сделать из этого материала идеальнейший трос 36 000 км., то долго ли он прослужит в условиях космических излучений и микрометеоритной бомбардировки? Да и полимерные материалы довольно быстро стареют.

Это технические ограничения, а не физические.

[Крупин]

    Это ограничения, накладываемые фундаментальной наукой - химией, ну и в принципе, ядерной физикой. Покачто у ная имеются лишь элементы из таблицы Менделеева. Но если конечно удастся синтезировать, скажем вдесятеро более лёгкие протоны и нейтроны, тогда, конечно, будет ощутимый прогресс.

[dims]

Графит, алмаз, углеродная трубка -- это всё один и тот же элемент. Свойства материала на его основе меняются не из-за того, что свойства элемента меняются, а из-за того, что меняется расположение атомов этого элемента в веществе.

P.S. Предрекаю: засунут как-нибудь случайно какой-то лишний атом какого-то элемента внутрь шестиугольников или по оси трубки и прочность трубки по непонятным причинам возрастёт в 100 раз. А удельная масса возрастёт, скажем, всего в 2 раза. И всё, трос готов.

[Крупин]

   Вашими бы устами... Дай то бог. Конечно, неоднократно наука и техника преподносила невероятные неожиданные сюрпризы, поднявшие человечество от каменного века до умунепостижимых современных достижений. я же просто говорю, что на уровне современных знаний о строении веществ трудно ожидать подобных революций.

   Т.е. создание материала для космического лифта - это не просто совершенствование уже имеющихся технологий, это посерьёзнее. 

[dims]

это не просто совершенствование уже имеющихся технологий, это посерьёзнее.

Не согласен. Это не более серьёзно, чем открытие самих углеродных трубок. Их открыли 20 лет назад что ли. Кто раньше мог знать, что углерод способен лепиться в шарики или трубки? До этого открытия казалось, что самое прочное -- это алмазная нить. Ну казалось бы: самый прочный материал, вытянули в нить. Что может быть прочнее? Ничего. А тут открыли трубки и -- бац -- прочность в несколько раз выше, вес меньше и мы уже не дотягиваем до лифта всего чуть-чуть. То есть, если вчера было СОВСЕМ нереально, то сегодня уже ПОЧТИ реально. Что будет завтра?