Pero en mi opinión, este tipo de turismo espacial no sale realmente de la Tierra, sino que todavía nos movemos dentro del alcance de la gravedad terrestre.
Esta vez, quiero impulsar este tema. Tengo muchas ganas de hablar con usted: en el futuro previsible, ¿es posible que los humanos realmente abandonen la Tierra e vayan de vacaciones a la Luna o a Marte? O incluso más: ¿puede la gente corriente utilizar la Luna o la estación espacial como base para dar un paseo por Júpiter, Saturno o incluso Plutón? En el ámbito aeroespacial, ¿existen singularidades tecnológicas clave? Una vez que superemos esta singularidad, ¿tendrá nuestra industria aeroespacial una gran explosión?
Lo más difícil de la industria aeroespacial es escapar de la gravedad de la tierra. Podemos pensar en la Tierra como un pozo de gravedad, y nosotros, los humanos, somos las ranas que están en el fondo. Mientras podamos saltar de este pozo, habrá un Ma Pingchuan afuera y el vasto universo se elevará. ¿Por qué fue Ma Pingchuan quien saltó de este pozo? Debido a que navegar en el espacio realmente ahorra mucho energía, ya que casi no hay resistencia en el vacío, la nave espacial solo necesita consumir combustible al acelerar, desacelerar y cambiar de órbita, lo cual no es nada comparado con el combustible necesario para vencer la gravedad del tierra.
La única tecnología que los humanos han dominado para saltar del pozo de gravedad es la tecnología de cohetes, pero el mayor problema con los cohetes es que el costo de lanzamiento es demasiado alto. Una de las principales razones es que en el pasado los cohetes eran consumibles desechables y construir un cohete costaba entre decenas y cientos de millones de dólares. Por ejemplo, el lanzamiento de un cohete es como si un hombre rico comprara un Boeing 737, lo tirara y luego comprara otro la próxima vez. ¿Cuántos magnates de este tipo hay en el mundo?
Por lo tanto, para reducir el coste de los lanzamientos de cohetes, ya sea la Space Exploration Company de Elon Musk, Virgin Galactic o Blue Origin, lo que están haciendo es intentar que los cohetes sean reciclados y reutilizados.
A principios de 2020, Christopher Couluris, director de integración de vehículos de SpaceX, dijo en una sesión informativa que el coste de un único lanzamiento de un Falcon 9 reciclable podría eventualmente reducirse a 28 millones de dólares[1]. ¿Cuál es este concepto? El Falcon 9 reciclable tiene una capacidad de carga máxima de unas 30 toneladas y cuesta 930.000 dólares la tonelada, casi 200 veces el precio actual del transporte aéreo ordinario. Es posible que no te des cuenta de la diferencia de 200 veces a la vez. Por ejemplo, la diferencia entre su salario mensual de 1000 y el salario mensual de su jefe de 2 millones.
Virgin Galactic, otra empresa de viajes espaciales, incluso ha empezado a vender billetes para viajes espaciales. Según documentos presentados a la SEC [2], Virgin Galactic tiene la intención de enviar un grupo de turistas al espacio cada 32 horas para 2023. Aunque el llamado "turismo espacial" es en realidad como sentarse en un caparazón, simplemente echar un vistazo a una altitud de 100 kilómetros sobre la superficie de la tierra y luego volver a caer rápidamente a la superficie, el precio del billete llega a los 250.000 dólares. dólares por boleto. Richard Branson, fundador de Virgin Galactic, es la estimación más optimista: en 10 años, el precio del billete puede bajar a menos de 50.000 dólares estadounidenses. Otra empresa que anunció el precio del turismo espacial se llama Blue Origin (Blue Origin). ) es similar.
Al escuchar esto, calculo que mucha gente comparará la industria aeroespacial con la industria del transporte tradicional y puede pensar que la producción en masa inevitablemente provocará una rápida caída de los costos. Mientras se pueda seguir cultivando el mercado del turismo espacial, los precios de los billetes deberían ser cada vez más bajos hasta que toda la gente común pueda permitírselo, al igual que los automóviles, los barcos y los aviones de la aviación civil en el pasado.
El problema es que el lanzamiento espacial no es tan simple como crees. Para explicarte claramente sus dificultades, hoy te hablaré de algunos productos de alta gama.
Existe una famosa ecuación de los cohetes, que fue propuesta por el científico ruso Konstantin Edu Ardovich Tsiolkovsky, conocido como el padre de los cohetes humanos. Esta ecuación del cohete es como el círculo de seguridad que Sun Wukong dibujó para Tang Monk. No importa cómo mejore la tecnología, el cohete humano no puede escapar de su relación precio/rendimiento establecida.
Antes de explicar esta ecuación, primero echemos un vistazo a las diferencias esenciales entre cohetes y automóviles, barcos y aviones.
En primer lugar, solo los cohetes necesitan resistir constantemente la gravedad durante el movimiento, y otros medios de transporte básicamente no necesitan resistir la gravedad durante el movimiento. En términos más populares: los cohetes se mueven verticalmente hacia arriba con respecto al suelo, mientras que otros vehículos básicamente siguen moviéndose horizontalmente. No subestimes la diferencia esencial provocada por esta diferente dirección del movimiento. Déjame que te lo explique:
La resistencia que tiene que superar un coche mientras circula es principalmente la fricción del suelo. La fricción depende principalmente del coeficiente de fricción de rodadura entre el neumático y el suelo, y tiene poco que ver con el peso del propio coche. Por ejemplo, en las carreteras urbanas normales, el coeficiente de fricción de rodadura es de aproximadamente 0,02, lo que significa que si se duplica el peso del coche, la fricción sólo aumentará aproximadamente 0,02 veces. Por lo tanto, en términos de rentabilidad, cuanto mayor sea la carga del camión, menor será el consumo de energía por unidad de peso.
La resistencia que debe vencer un barco durante el movimiento proviene principalmente de la resistencia del agua al barco. La resistencia al agua depende principalmente de la velocidad del barco y del área de contacto entre el barco y el agua, y tiene poco que ver con la masa del barco en sí. La fórmula de cálculo es más complicada, pero la conclusión es similar a la de un coche. Cuanto mayor sea la capacidad de carga del barco, menor será el consumo de energía por unidad de peso. Por eso los barcos transoceánicos son cada vez más grandes. Si no fuera por las restricciones de esclusas en varios de los principales estrechos del mundo, construiríamos barcos de transporte más grandes.
La resistencia que debe superar un avión durante el movimiento proviene principalmente de la resistencia del aire, que es similar a la resistencia que encuentran los barcos en el agua. La conclusión también es similar: cuanto mayor sea la capacidad de pasajeros del avión. , menor será el consumo de energía por unidad de peso.
Así que la rentabilidad de vehículos como coches, barcos y aviones se puede resumir en una frase: cuanto más grande sea el vehículo, mayor será la rentabilidad.
Sin embargo, cuando llegó el caso de los Rockets, esta regla se rompió. Debido a que el cohete necesita superar la gravedad para moverse hacia arriba, la mayor resistencia que encuentra el cohete es la gravedad, y el tamaño de la gravedad casi solo está relacionado con una cosa, que es la masa del cohete. Cuanto mayor sea la masa del cohete, mayor será la resistencia que deberá superar. Pero, paradójicamente, el combustible que impulsa el cohete es enorme. Cuanto más combustible agregues, más combustible necesitarás consumir para llegar al cielo. Esto se parece un poco al equipo de logística que entregaba cereales y pasto en la antigüedad. Cuantas más personas y animales haya, más comida y pasto tendrán para comer. Esto hace que calcular la relación entre la carga de combustible de un cohete y la carga útil sea muy complicado.
La primera persona en darse cuenta y explicar claramente esta compleja relación fue Tsiolkovsky. Su ecuación del cohete también se llama ecuación del cohete de Tsiolkovsky. Para comprender profundamente el dilema actual de la tecnología aeroespacial humana, primero debemos comprender profundamente la ecuación del cohete.
Me gustaría pedirles a todos que no tengan miedo, esta ecuación no es difícil de entender. Los próximos minutos son un poco llenos de energía, pero mientras te concentres, podrás entenderlos. Una vez que los comprenda, se divertirá mucho entendiendo los principios.
Esta ecuación describe aproximadamente la relación entre la masa total inicial m0 del cohete cuando despega y la masa pura restante m1 después de que el cohete quema su combustible. La relación entre ellos es una función lineal. Si se escribe como una ecuación, es:
m1 = am0
Si reemplazamos m1 con la conocida Y y m0 con la conocida X, entonces se escribirá así:
y = ax
¿Cuál es la imagen de esta función lineal en el sistema de coordenadas cartesiano? Muy sencillo. Es solo una línea recta que pasa por el origen. Si el coeficiente a=1, entonces es una línea recta con una pendiente de 45 grados.
La pendiente de esta recta depende del valor del coeficiente a.
Si a1, la pendiente es mayor a 45 grados.
Esta pendiente de 45 grados es como una línea divisoria de aguas. Si la pendiente es exactamente de 45 grados, significa: si X se duplica, entonces Y se duplica, y ambos aumentan y disminuyen en la misma proporción. Sin embargo, si la pendiente es mayor que 45 grados, es decir, A es mayor que 1, entonces X se duplica e Y es más del doble. Por otro lado, si la pendiente es menor de 45 grados, entonces x se duplica y y es menos del doble.
Hemos establecido previamente que Y es equivalente a la masa pura que queda después de quemar el combustible del cohete, y X es equivalente a la masa total inicial del cohete. En otras palabras, si el valor de la pendiente A es mayor que 1 o menor que 1 determina una cuestión clave, que es si la masa inicial del cohete se duplica y si la masa pura restante después de quemar el combustible del cohete se puede duplicar. más del doble o menos del doble.
En términos simples, cuanto más grande sea el cohete, más rentable o no, depende de si el valor del coeficiente fatal A es menor que 1 o mayor que 1.
El mayor aporte de Tsiolkovsky, el padre de los cohetes, fue aclarar el método de cálculo de este coeficiente a. Descubrió que el valor de a depende básicamente de dos parámetros clave:
Entonces, ¿cuál es la relación matemática entre el coeficiente A y estos dos parámetros?
Debido a que nuestro propósito es estudiar el valor aproximado de A, ya sea mayor que 1 o menor que 1, explicaré el cálculo de esta fórmula y analizaré el rango de valores de esta fórmula.
Para calcular el rango de valores de a, necesitamos dividirlo en los siguientes tres pasos:
Bien, el cálculo ha terminado. A través de estos tres pasos, podemos calcular el valor del coeficiente A. Debido a que los valores anteriores se han simplificado, el valor real de a es alrededor de 0,05.
Por lo tanto, la relación entre la masa total inicial m0 del cohete cuando despega y la masa pura m1 del cohete después de la aceleración se puede escribir aproximadamente como:
m1 = 0,05 m0
¿Qué es este concepto? Déjame explicarte, el significado general es: si el peso del combustible del cohete se duplica, la carga útil del cohete solo se puede aumentar en 0,05 veces, para duplicar la carga útil, el cohete necesita aumentar el combustible en 20; veces.
¿Te sorprende esta conclusión? Ésta es la mayor vergüenza y dilema que enfrenta actualmente la tecnología aeroespacial basada en cohetes humanos. Tenemos que esforzarnos 20 veces para obtener 1 vez la recompensa. Ya sabes, el combustible no puede aumentar 20 veces. Más combustible significa que la cavidad llena de combustible debe hacerse más grande y más pesada. Los requisitos de materiales de la cavidad, tecnología de fabricación de ingeniería y tecnología de control aumentan proporcionalmente, lo que hará que el cohete se vuelva más pesado y requiera más combustible, un poco como un. círculo vicioso.
En la historia de la humanidad, el cohete con mayor capacidad de carga hasta el momento es el Saturno V, que envió al Apolo a la luna. Su peso muerto alcanza la asombrosa cifra de 3.000 toneladas, pero sólo puede enviar hasta 140 toneladas a la órbita terrestre baja. Esta es la razón fundamental por la que los lanzamientos espaciales son tan caros, porque la tasa de utilización efectiva del combustible para cohetes es demasiado baja.
Llegados a este punto, podemos sacar una conclusión: mientras nuestros lanzamientos espaciales sigan utilizando tecnología de cohetes, desafortunadamente en el futuro previsible, probablemente sea imposible para la gente común hacer realidad sus sueños de turismo espacial. El turismo espacial siempre será entretenimiento para los ricos. Del mismo modo, dado que los costos no se pueden reducir, la construcción a gran escala de estaciones espaciales es una ilusión y es demasiado costoso enviar cosas terrestres al espacio.
Para reducir verdaderamente los costos, debemos encontrar otra manera de deshacernos de las limitaciones de la ecuación del cohete Tsiolkovsky sobre la industria aeroespacial humana. Salir de la ecuación del cohete implica separar la energía y la carga útil: no es necesario que el combustible (o la sustancia que proporciona la energía) aumente con la carga útil.
En la actualidad, según las teorías científicas que el ser humano ha dominado, sólo existe un camino.
La diferencia esencial entre un ascensor y un cohete es que el proveedor de energía y la carga están completamente separados. El ascensor puede elevarse gracias a la electricidad, no tiene masa, no se rige en absoluto por la ecuación del cohete y consume. La misma energía que el ascensor de un rascacielos.
El primero en proponer la idea de un ascensor espacial sigue siendo Tsiolkovsky, el padre de los cohetes a quien hemos mencionado repetidamente. Ya en 1895 propuso formalmente los principios básicos de un ascensor espacial.
En términos más simples, el principio de un ascensor espacial es colgar una larga cuerda de un satélite geoestacionario hasta llegar al suelo. Debido a que los satélites geoestacionarios están sincronizados con la rotación de la Tierra, el punto donde la cuerda toca el suelo puede teóricamente fijarse en algún lugar del ecuador de la Tierra. Si el ascensor pudiera ser izado con esta cuerda, podría ascender lentamente hacia el espacio.
Por supuesto, esto es definitivamente una simplificación excesiva, y la situación real es más complicada que esto. La altura de la órbita geosincrónica está a unos 36.000 kilómetros sobre el ecuador de la Tierra, por lo que la masa de una cuerda de 36.000 kilómetros de largo será bastante grande, por lo que la * * * concentricidad de la cuerda y el satélite sincrónico está por debajo de la altura del órbita geosincrónica, que no puede garantizar que estén integradas y sincronizadas con la rotación de la Tierra.
Para resolver este problema, necesitamos alargar la cuerda hasta la parte superior del satélite y luego conectarla a un enorme objeto de contrapeso para que los centros concéntricos de todos los objetos conectados caigan exactamente en la órbita geosincrónica.
Si aún no lo comprende aquí, puede echar un vistazo al diagrama esquemático que adjunto, que puede ayudarlo a comprender rápidamente el principio y la estructura del ascensor espacial.
Los científicos imaginan que se puede capturar un asteroide cercano a la Tierra desde el espacio y utilizarlo como contrapeso en esta estructura, o que se pueden recoger varios satélites abandonados que los humanos dejaron en el espacio. En resumen, aquí no existen problemas técnicos fundamentales. Incluso si sigues lanzando cohetes, sigue siendo una inversión única, sin importar lo costosa que sea. Si utiliza la palabra clave "ascensor espacial" en el famoso sitio web de búsqueda de artículos Science Direct, puede encontrar más de 30 artículos con esta palabra clave en el título. Los ascensores espaciales no sólo son un tema popular en la ciencia ficción, sino también un tema serio que los científicos han estado discutiendo.
La verdadera dificultad para construir un ascensor espacial son los más de 40.000 kilómetros de cable. ¿Qué material debemos utilizar para hacer este cable?
Nuestros requisitos de material para este cable son que debe ser muy, muy ligero y su resistencia a la tracción debe ser muy, muy alta.
En la ciencia de los materiales, la unidad de resistencia del material es "Uri", que es la relación entre la fuerza máxima por unidad de área y la densidad del material. La resistencia de la aleación de titanio comúnmente utilizada para fabricar patas de gafas es de aproximadamente 300.000 urei, y la resistencia del Kevlar, un material súper resistente inventado por DuPont en Estados Unidos, es de aproximadamente 2,5 millones de urei. Para fabricar un cable para un ascensor espacial, según los cálculos, su resistencia debería estar entre 30 y 80 millones de Yuri.
¿Qué material puede conseguir una resistencia tan alta?
De hecho, esta sustancia ha sido descubierta por el ser humano. Como mencionamos en nuestro programa anterior sobre nuevos materiales, el grafeno se enrolla hasta darle forma de cilindro, que es un nanotubo de carbono. Microscópicamente, los átomos de carbono están dispuestos en forma de pajita, con un diámetro menor que un cabello. Pero la resistencia del material disminuye a medida que aumenta el espesor de los átomos de carbono. Para lograr la mayor resistencia, es necesario crear nanotubos de carbono formados a partir de una sola capa de átomos de carbono. Si se perfecciona el proceso, la resistencia de un nanotubo de carbono de pared simple puede alcanzar teóricamente un nivel de 50 a 60 millones de Yuri, suficiente para usarse como cable para un ascensor espacial.
También hay materiales llamados nanotubos de carbono en el mercado, pero en realidad no pueden llamarse nanotubos de carbono reales porque los átomos de carbono no son lo suficientemente delgados.
En 2013, el profesor Fei Wei de la Universidad de Tsinghua en China produjo con éxito el nanotubo de carbono más largo del mundo en ese momento, con una longitud de aproximadamente 0,55 metros. Este resultado se publicó en línea en la revista de ciencia de materiales de renombre internacional "American Chemical Nano" [3]. Seis años después, en 2019, el equipo del profesor Fei Wei mejoró el récord mundial en 10 centímetros y creó un nanotubo de carbono con una longitud de 0,65 metros. El artículo fue publicado en la famosa revista "Nature Communications" [4]2019 08. . Se necesitaron seis años para añadir 10 cm, lo que demuestra lo difícil que es fabricar este material.
Nuestro objetivo es crear una longitud de más de 40.000 kilómetros. Obviamente, todavía existe una enorme brecha técnica que debe salvarse, pero esto ya no constituye un obstáculo para los principios científicos. Todo lo que la humanidad necesita es tiempo y un poco de suerte. No sé cuándo los humanos superarán esta singularidad tecnológica.
Un día en el futuro, se construirá una enorme plataforma flotante en el mar al este de las islas Lingamiunai en Indonesia. Esta es la estación base terrestre del Space Elevator 1, construida conjuntamente por más de 100 países de todo el mundo. Esta plataforma está equipada con varios motores tipo portaaviones que pueden impulsar la plataforma a lo largo de la línea ecuatorial, no solo para evitar el mal tiempo, sino también para ajustar la posición de los cables para evitar posibles riesgos de colisión.
Desde la estación base terrestre hasta el espacio, hay dos vías paralelas y los ascensores siguen su propio camino. Cada 30 minutos, un ascensor con una carga de 10 toneladas comenzará a subir y regresar al suelo. Mirando desde lejos, parece como si el cielo y la tierra estuvieran conectados por dos collares brillantes.
El coste por tonelada de mercancías transportadas a la órbita geosincrónica se ha reducido a menos de 50.000 dólares, y continuamente se envían diversos materiales y turistas espaciales a la órbita geosincrónica. En el espacio se empezaron a construir varias fábricas. Montar equipos de gran escala en un espacio ingrávido es incluso más fácil que en la Tierra, y cada vez se construyen más instalaciones de turismo espacial con diferentes funciones y formas.
Al mismo tiempo, la nave espacial se ensamblará directamente en el espacio y también se iniciará la construcción del puerto espacial de la Tierra. Basado en el puerto espacial de la Tierra, los humanos expandiremos gradualmente nuestras actividades en el espacio.
También se han incluido en la agenda los proyectos para la construcción de puertos lunares y de Marte. Esta es la segunda gran era de la navegación en la historia de la humanidad y también será una era espacial llena de pasión y espíritu de lucha.
En ese momento, el famoso dicho de Tsiolkovsky resonó en mis oídos:
La tierra es la cuna de la humanidad, pero la humanidad no puede vivir en la cuna para siempre.
Hasta aquí la imaginación de los viajes espaciales. Finalmente, permítanme anunciar el huevo de conocimiento de hoy.
Pregunta:
¿Qué pasaría si se rompiera el cable del ascensor espacial?
Si te interesa esto, seguiré explicándotelo en el "Aula Pequeña del Futuro", y la esencia del texto se integrará en ella en forma de cómic. Busque en la cuenta oficial de WeChat "Pudong Development Bank" y responda con la palabra clave "Future Technology Experience Center" para ingresar al huevo de Pascua y escúcheme.
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