Weltraumaufzüge per Laser | Astronomie.de - Der Treffpunkt für Astronomie

Weltraumaufzüge per Laser

cyrill

Mitglied
Weltraumaufzüge sind zwar immer noch nicht möglich, werden aber heftig diskutiert. Was dabei immer das Problem ist – die Stabilität des "Seils".
Nun meine Frage, könnte das nicht auch ohne Seil funktionieren? z.B. mit einem starken Laserstrahl, der zum einen für die Energiezufuhr des Antriebs sorgt, zum anderen die Flugbahn stabil hält. Oder einfacher gesagt, man schickt einen Laserstrahl ins All und "befestigt" daran eine Art Nutzlast. "Befestigt" in dem Sinne, daß beispielsweise die Nutzlast ringförmig um den Laser angebracht ist und irgendwelche Sensoren dafür sorgen daß der Abstand zum Laser immer gleich bleibt. Also der Laser als eine Art Führungsschiene dient. Der Antrieb müsste ebenfalls über den Laser mit Energie versorgt werden. Natürlich sollte man auch den Treibstoff am Boden lassen und statt dessen (zumindestens bis in eine bestimmte Höhe) die Umgebungsluft als Treibstoff nutzen. Denkbar wäre evtl. auch eine sich drehende erste Stufe mit Rotorflügeln o.ä. die das ganze bis auf eine bestimmte Höhe bringt und dann – geführt vom Laser - wieder langsam zu Boden sinkt. Die zweite Stufe bringt dann die Nutzlast in die Umlaufbahn.

Würde so etwas funktionieren oder ist das kompletter Blödsinn?

Grüße

Cyrill
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Hallo Cyrill,

ein wesentlicher Punkt fehlt aber dabei: wie bekommt die aufsteigende Kabine den mit zunehmender Höhe immer größer werdenden Drehimpuls?

Wenn sie an einem am Boden verankerten Seil aufsteigt, überträgt sich ein kleiner Teil vom Drehimpuls der Erde über das Seil auf die Kabine. Der Ankerpunkt zieht ja am Seil und beschleunigt dieses quer zur Seilrichtung.

Wenn Du diese kostenlose Übertragung von Drehimpuls und Bewegungsenergie von der Erddrehung aufgibst, verlierst Du auch den essentiellen und einzigen potentiellen Vorteil des Fahrstuhlkonzepts gegenüber einem herkömmlichen Raketentransport.

Du müsstest diese ganz beträchtliche Bewegungsenergie irgendwo hernehmen, aber wie soll das mit Deinem Laserstrahl funktionieren, und dazu noch kostenlos?

Kannst ja mal versuchen, mit einem Laser einen Gegenstand zu verschieben.

May the force be with you ...

Mit freundlichen Grüßen,
Peter



 

MiMeDo

Mitglied
Hallo Fans der Weltraumaufzüge!


@Cyrill:
> Würde so etwas funktionieren oder ist das kompletter
> Blödsinn?
Es ist Blödsinn (sorry). :Trost:
Zum einen ist nach deiner Beschreibung im Eingangspost eine
Funktion des Laserstrahls das Einhalten der Flugbahn,
wofür der Strahl völlig überflüssig ist.
Die andere Funktion die du ihm gibst, die Energieübertragung,
ist interessant, aber ohne "Abstützmöglichkeit" (entweder Seil
oder "altmodisch" Raketenabgasstrahl) hilft das nicht weiter
(vergleiche aber weiter unten).
Dein Rotor funktioniert höchstens bis 10km Höhe = 0,03 Prozent
des Weges.


@Peter:
> Wenn Du diese kostenlose Übertragung von Drehimpuls und
> Bewegungsenergie von der Erddrehung aufgibst, verlierst Du
> auch den essentiellen und einzigen potentiellen Vorteil des
> Fahrstuhlkonzepts gegenüber einem herkömmlichen
> Raketentransport.

Naja, dass man keinen Treibstoff mitführen muss,
soll kein potentieller Vorteil sein? ?)

Und im übrigen könnte man das "Laserseil"(*) ja auch "schräg"
ausrichten, was Bahndrehimpuls bringen würde...
(*) wenn es denn existieren würde...

> Kannst ja mal versuchen, mit einem Laser einen Gegenstand
> zu verschieben.
> May the force be with you ...
:totlach2: :totlach: :totlach2:
Hahaha, da hab ich mich echt schäps gelacht!
Supergenialgut das Problem auf den Punkt gebracht! :super:


@Darth_Vader:
> Ob du es glaubst oder nicht : Dies ist Forschern neulich
> gelungen.
Ja, das hab ich auch irgendwo gelesen, aber wo??? ?)
Irgendwelche Alukegelhütchen, seilgeführt,
ein paar Meter hoch, in einer Laborhalle.
Die Effizienz von dem Konzept will ich aber lieber nicht wissen... :erschreck:

Im Prinzip wird da wohl der Strahlungsdruck des Laserstrahls
ausgenutzt, was dann eben doch (vgl. oben) eine
Impulsübertragung bewirken würde. Allerdings braucht
man dafür irrsinnig starke Laser, so dass das wohl eher
nie sinnvoll funktioniert. Das Seil braucht man, wenn
man eine fantastische Regeltechnik verwendet, auch nicht
mehr, d.h. das ganze Konzept fällt dann nicht mehr
unter "Weltraumlift" sondern unter "externe Antriebe"
oder so was.


Auf jeden Fall interessant sind die Aktivitäten bei den
NASA Centennial Challenges, wenn man sich etwas durchklickt
kommt man zu den "Space Elevator Games".
Habe die Seite nicht im Detail studiert, es ging drum,
einen Apparat ein 1-km-langes Seil hochklettern zu lassen.
Mit Laserstrahl, allerdings nicht als Impulsübertrager
sondern als Energiequelle für Solarzellen, die dann einen
Elektromotor speisen.

Auf jeden Fall ein spannendes Thema, und meiner Meinung
nach sollte man einen Space-Elevator zuerst auf dem Mond bauen,
dort ist es nämlich wesentlich einfacher.

Spaceige Grüsse vom MittelMeerDobservatorio ;)
Thorsten
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Kannst ja mal versuchen, mit einem Laser einen Gegenstand zu verschieben.

>>> Ob du es glaubst oder nicht : Dies ist Forschern neulich gelungen. <<<


Vermutlich meinst Du sowas hier?

Magneto-Optische Falle

Laser Cooling and Trapping

Das funktioniert aber nur mit isolierten Atomen unter sehr speziellen Laborbedingungen und nicht
mit makroskopischen Körpern, und schon gar in großer Entfernung von bis zu 36 000 km.

Oder was habt ihr dabei im Sinn?



 

P_E_T_E_R

Mitglied
Ich meinte eigentlich das es Forschern NUR mit Licht gelungen ist etwas zu bewegen.

Und weißt Du noch, was da bewegt wurde, wie weit es bewegt wurde, wie viel Masse es hatte, und nicht zuletzt um welchen physikalischen Effekt es sich dabei gehandelt hat?

Im mikroskopischen Bereich ist sowas natürlich möglich.

Zum Beispiel bei der sog. Compton Streuung trifft ein Photon oder Lichtteilchen auf ein Elektron und stößt dieses wie beim Zusammenprall von Billiardkugeln aus dem Weg:

Compton Streuung

Auch makroskopische Effekte sind bekannt, z.B. übt die Sonnenstrahlung einen kollektiven Strahlungsdruck auf die Staubteilchen in einem Kometenschweif aus, so dass dieser Staubschweif von der Sonne weg ausgerichtet ist.

All das sind wohlbekannte physikalische Effekte. Um damit größere Massen zu bewegen, sind jedoch kaum vorstellbare Energien erforderlich. Wenn Du einen Laserstrahl auf eine Billiardkugel richtest, brennst Du allenfalls ein Loch rein, aber die Kugel bewegt sich nicht.

Mal abgesehen davon, dass es solche Laser nicht gibt, mit denen man eine Fahrstuhlkabine in einen geostationären Orbit schießen könnte, widerspricht der dafür erforderliche astronomische Energieaufwand auch völlig dem raison d'être des Fahrstuhlkonzepts, welches ohne den Energieaufwand eines konventionellen Raketentransports auszukommen hofft.



 

P_E_T_E_R

Mitglied
Hallo nochmal allerseits,

Nur mal aus Jux woll'n wir mal schaun, was für eine Leistung so ein Laser tatsächlich haben müsste,
um eine Nutzlast per Strahlungsdruck von der Erdoberfläche in die Höhe zu bringen.

Ich nehme mal konkret einen von diesen grünen Lasern, die haben eine Wellenlänge lambda von 532 nm.

(1) Ein einzelnes Laser Photon hat dann folgende Eigenschaften:

E_photon = h v = h c / lambda = 2.33 eV = 3.73 x 10^-19 J

P_photon = h v / c = h / lambda = 2.33 eV/c = 1.25 x 10^-27 kg m/s


Dabei sind

E_photon = Energie des Photons
P_photon = Impuls des Photons
h = 6.626 x 10^-34 J s = Plancksches Wirkungsquantum
v = Schwingungsfrequenz
c = Lichtgeschwindigkeit
1 eV = 1 Elektron Volt = 1.602 x 10^-19 J
1 eV/c = 5.36 x 10^-28 kg m/s

(2) Ein kontinuierlicher grüner Laser mit einer Leistung von 1 Watt hat dann folgende Eigenschaften:

Leistung = E_photon x Intensität = 1 W

dabei ist E_photon die bereits eingeführte Energie eines einzelnen Photons, und die Intensität gibt die Anzahl der pro Sekunde emittierten Photonen an:

Intensität = Leistung / E_photon = 1 W / 3.73 x 10^-19 J = 2.68 x 10^18 Photonen/s

Ein einzelnes Photon besitzt Energie und auch Impuls (wie unter Punkt 1 berechnet). Wenn ein Laserstrahl auf einen Körper trifft,
können die Photonen entweder vollständig oder teilweise absorbiert werden, sie können aber auch teilweise oder vollständig reflektiert werden.
Wir betrachten dazu die folgenden Extremfälle:

(a) vollständige Absorption
Dabei überträgt sich sowohl die Energie als auch der Impuls der Photonen zu 100% auf den getroffenen Körper:

Energieübertragung pro Sekunde: 1 Watt = 1 Joule/s

Impulsübertragung pro Sekunde: P_photon x Intensität = 1.25 x 10^-27 kg m/s x 2.68 x 10^18 /s = 3.35 x 10^-9 kg m/s² = 3.35 x 10^-9 N

Der letzte Ausdruck hat die Dimension einer Kraft (1 kg m/s² = 1 N), der Laserstrahl von 1 Watt übt also eine sehr kleine Kraft von größenordnungsmäßig ein paar Milliardstel Newton auf den Körper aus.

(b) vollständige Reflektion
In diesem Fall werden die Photonen nicht vom getroffenen Körper absorbiert, sondern zu 100% reflektiert.
Dabei überträgt sich der doppelte Photonenimpuls auf den getroffenen Körper:

Energieübertragung pro Sekunde: null

Impulsübertragung pro Sekunde: 6.70 x 10^-9 N

(3) Mit diesen Zahlen können wir jetzt die Laserleistung berechnen, die erforderlich ist, um eine Nutzlast gegen die Schwerkraft der Erde anzuheben.

Nehmen wir mal eine fiktive Nutzlast von 1 t = 1000 kg an. Darauf wirkt beim Start am Boden eine Schwerkraft von

F_g = 1000 kg x 9.81 m/s² = 9810 N

Um diese Last anzuheben, muss der Laserstrahl also eine mindestens gleich große Kraft F_l auf die Nutzlast ausüben, also

F_l = 9810 N

Wir nehmen den günstigsten Fall vollständiger Reflektion an, also eine Kraft von 6.7 x 10^-9 Newton pro Watt Laserleistung.
(Falls eine nicht unwesentliche Absorption eintritt, haben wir ein erhebliches Problem: der Laser würde die Nutzlast sofort verdampfen!)

Daraus berechnet sich eine

Laser Mindestleistung = 9810 N / 6.7 x 10^-9 N pro Watt = 1.5 x 10^12 Watt

10^12 Watt sind eine Million Megawatt ...

Aber ich ahne jetzt schon, dass ein paar Schlaumeier jetzt auf die Idee kommen, den zurückgeworfenen Laserstrahl unten an der Basisstation
nochmal nach oben zu reflektieren, und dann wieder an der Nutzlast nach unten, usw, usw, merry go around ...

Mit freundlichen Grüßen,
Peter

 

halbetzen

Mitglied
Hallo!

Und was passiert mit der Luft zwischen dem Fluggerät und dem Laser? Die müßte man ja auch aus dem Weg schaffen, weil sie Laser-Ernergie aufnehmen würde.
Das ließe sich sicher umgehen, wenn man eine Röhre baut, die bis in Höhen reicht, in denen das Vakuum "leer" genug ist. Ich vermute diese Röhre müßte bis irgendwo weit jenseits des Sonnensystems reichen. Wenn sie aber bis auf die Erde reicht, würde dann nicht das Ende mit einer unvorstellbaren Geschwindigkeit durch das Weltall rasen? Wehe ein Staubkorn ist im Wege. Nee, so geht's nicht. Aber dennoch. Eine Röhre muß her. Mit Deckeln und Schleusen. Und einer leistungsstarken Vakuumpumpe. Wieviel Watt verschlingt die?
Und könnte man nicht einfach eine Wendeltreppe außen um die Röhre anbringen? Dann könnte man sogar Weltraumspaziergänge zu Fuß machen. Wär' doch sicher eine einmalige Erfahrung: Man steigt auf einen Turm und der Versuch herunterzuspringen schlägt fehl, weil man beginnt frei im Raum zu schweben.Toll!

Grüße

Dietrich
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Und was passiert mit der Luft zwischen dem Fluggerät und dem Laser? Die müßte man ja auch aus dem Weg schaffen, weil sie Laser-Ernergie aufnehmen würde.

Warum denn jetzt auf einmal so knausrig? Wenn man schon Millionen von Megawatt dafür investiert, sollte es ja wohl nicht an ein paar Verlustprozenten scheitern ...

Und könnte man nicht einfach eine Wendeltreppe außen um die Röhre anbringen?

Tolle Idee, die Treppe wäre dann für die weniger betuchte Touristenklasse.

Habt ihr noch weitere Geistesblitze? Nur her damit!

Mit freundlichen Grüßen,
Peter



 

NickQuick

Mitglied
Hallo,

was mich schon immer (wirklich ernstgemeint) brennend bei dem Thema interessiert ist, wie groß die Flugverbotszone um den Aufzug sein muss, damit kein Flugobjekt versehentlich mit dem Aufzug kollidiert.

Was passiert, wenn ein Taifun/Wirbelsturm da lang kommt?

Kann so was überhaupt abgewehrt werden?
 

halbetzen

Mitglied
Eine Flugverbotszone um so einen Aufzug kann es nicht geben. Es könnten sich ja sonst Terroristen unbeobachtet in diesem Gebiet aufhalten! Wenn es zu Zusammenstößen zwischen dem Aufzug und einem Flugkörper kommt, dann schon mal mit einem Sicherheits-Flugkörper der zuständigen Aufsichtsbehörde. Hitzeschutzkacheln gehen ja auch heute schon mal kaput. Und es gibt doch sicher ein Gebiet auf der Erde in dem es seit 200 Jahren keinen Taifun gegeben hat. Wenn es um die Durchsetzung einer Technologie geht, findet sich doch immer eine Sachverständigen-Gruppe, die die Sicherheit feststellt. Salzstöcke sind doch auch für hunderttausend Jahre sicher.Und Terroristen leben in Afghanistan. Das ist doch mal sicher.
Kann man ja auch was dagegen tun. Und wenn nicht, bleiben die Fässer eben wo sie sind.
Wieviel Rente bekommen die Hinterbliebenen der Space-Shuttle-Opfer (Ich wollte ja nicht abkürzen:Ss-Opfer - da waren wir ja auch schon mal "großzügig")? Abwegig eben.
 
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