-
Die Erfindung betrifft ein modulares System zum Aufbau einer Grundstruktur eines Weltraumaufzugs sowie einen Weltraumaufzug, der eine derartige Grundstruktur aufweist.
-
Ein Grundproblem der Raumfahrt ist es, Ressourcen von der Erdoberfläche in eine Umlaufbahn außerhalb der Erdatmosphäre zu bringen. Insbesondere ist viel Energie notwendig, um das Gravitationsfeld der Erde so weiter zu überwinden, dass eine derartige Umlaufbahn erreicht werden kann. Aufgrund des Luftwiderstands in der Erdatmosphäre ist es des Weiteren nicht möglich, Beschleunigungsverfahren zu nutzen, die im freien Raum ressourcensparend eingesetzt werden können, beispielsweise lonenantriebe.
-
Um die aerodynamischen Nachteile der Erdatmosphäre in Vorteile zu verwandeln wird unter anderem erforscht, Raumfahrzeuge mittels Flugzeugen in große Höhen zu transportieren und erst ab einer Höhe von beispielsweise 30 km Raketentriebwerke einzusetzen, nachdem das Raumfahrzeug von dem Flugzeug abgekoppelt wurde. Dadurch wird der durch Luftreibung verursachte Energieverlust deutlich vermieden. Darüber hinaus ist es Gravitationsfeld der Erde in dieser Höhe weniger stark.
-
Ein weiterer Ansatz ist der Weltraumaufzug. Ein Weltraumaufzug transportiert Lasten mittels eines gespannten Führungsseils aus der Erdatmosphäre heraus. Erste Ideen zur Ausführung eines Weltraumaufzugs umfassten insbesondere die Konstruktion von hohen Türmen. In der weiteren Entwicklung wurde als ideal angesehen, dass das Führungsseil bis jenseits des geostationären Orbits mit einem Gegengewicht gespannt wird. Dies scheitert derzeit noch an der mangelnden Verfügbarkeit von Materialien für das Führungsseil, welche die dabei auftretenden Kräfte aufnehmen könnten.
-
Auch für die Konstruktion eines entsprechend hohen Turmes sind derzeit keine Materialien bekannt, die das Gewicht des Turmes tragen könnten. Daher ist es derzeit nicht möglich, ein entsprechendes Grundgerüst oder eine Grundstruktur für einen derartigen Turm herzustellen.
-
Vor diesem Hintergrund hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein modulares System zum Aufbau einer Grundstruktur für einen Weltraumaufzug zu schaffen, welches die Belastungsgrenzen der heute verfügbaren Materialien berücksichtigt. Des Weiteren soll ein Weltraumaufzug geschaffen werden, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
-
Die Aufgabe wird durch ein modulares System zum Aufbau einer Grundstruktur eines Weltraumaufzugs gemäß Anspruch 1 und einen Weltraumaufzug gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein modulares System gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, wobei das modulare System wenigstens die folgenden Module aufweist: eine Röhrenmodul, das einen Rohrabschnitt aufweist, wobei das Röhrenmodul zur Bildung einer durchgehenden Röhre aus den Rohrabschnitten mit weiteren Röhrenmodulen verbindbar ist; ein Schwebemodul, das eine Luftfahrzeugeinrichtung zum Erzeugen einer gegen die Erdanziehung gerichteten Kraft aufweist.
-
Durch die Verwendung von einzelnen Modulen ist die Grundstruktur mittels des Systems Modul für Modul aufbaubar. Durch die Verwendung von Schwebemodulen kann die durch die Schwerkraft erzeugte Last auf die Grundstruktur verringert werden. Durch die modulare Bauweise ist es auch hier möglich, genau dann ein Schwebemodul vorzusehen, wenn es, beispielsweise aufgrund der wirkenden Kräfte, notwendig ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist das modulare System ein erstes Schwebemodul auf, das einen Quadrocopter aufweist.
-
Mittels eines Quadrocopters kann in der Atmosphäre besonders günstig und effizient eine gegen die Erdanziehung gerichtete Kraft erzeugt werden. Darüber hinaus kann der Quadrocopter steuerbar ausgeführt werden, so dass ein Ausgleich der Wirkung von Winden oder ein Ausgleich von Bewegungen der Grundstruktur durchgeführt werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist das modulare System ein zweites Schwebemodul auf, das ein Raketentriebwerk aufweist.
-
Ein Raketentriebwerk kann besonders vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo keine oder nur eine dünne Atmosphäre vorhanden ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform weisen das Röhrenmodul und/oder das Schwebemodul eine elektrische, chemische und/oder mechanische Energiespeichereinrichtung auf.
-
Dadurch ist auch bei einer temporären Unterbrechung einer Versorgung mit elektrischer, chemischer und/oder mechanische Energie gewährleistet, dass die Grundstruktur wenigstens für eine gewisse Zeit die Schwebemodule weiterhin mit Energie versorgen kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist das Röhrenmodul Versorgungsleitungen auf, die zum Anschluss an jeweils benachbarte Röhrenmodule ausgebildet sind.
-
Die Versorgungsleitungen stellen eine kontinuierliche Versorgung der Module mit elektrischer und/oder chemischer Energie sicher.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist das System zur Verbindung eines Röhrenmoduls mit einem benachbarten Modul ein Kopplungsmodul auf, das drehbar mit den Röhrenmodulen koppelbar ist und einen Rohrabschnitt zur Bildung einer durchgehenden Röhre aufweist.
-
Dadurch ist sichergestellt, dass beispielsweise durch Wind oder Belastung erzeugte Drehbewegungen von den Modulen relativ zueinander durchgeführt werden können.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens ein Modul an einer Außenfläche eine photovoltaische Einrichtung zur Energieversorgung auf.
-
Dies reduziert die zur Versorgung der Grundstruktur zu transportieren der Energie.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens ein Modul eine Windbrechereinrichtung auf.
-
Dadurch wird die Grundstruktur windschnittiger und ist geringeren Scherkräften aufgrund von Wind ausgesetzt.
-
Weitere Merkmale und Varianten der Erfindung sind aus den beigefügten Figuren ersichtlich, die eine Erfindungsform der Erfindung lediglich schematisch zeigen. Es zeigen im Einzelnen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Röhrenmodul eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2 einen beispielhaften Abschnitt einer Grundstruktur, aufgebaut aus Modulen eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Ein modulares System dient zur Bildung einer Grundstruktur eines Weltraumaufzugs. Es bildet damit eine fliegende modulare aerodynamische Röhre, getragen von bodenversorgten angetriebenen Quadrocopter und Raketentriebwerken. Die Röhren sollen auch bei widrigen Wetterbedingungen in der Luft bleiben und mit Wartungsintervallen im Dauerbetrieb einsetzbar sein.
-
Das modulare System weist beispielsweise ein in 1 gezeigtes Röhrenmodul 10 auf. Das Röhrenmodul 10 weist einen Röhrenabschnitt 12 auf, der zur Bildung einer durchgehenden Röhre aus den Rohrabschnitten mit weiteren Modulen verbindbar ist.
-
Um die Röhrenmodule 10 zu tragen und in der Luft zu halten, weist das modulare System Schwebemodule 14, 16, 18 auf, wie sie in 2 gezeigt sind. Die Schwebemodule 14, 16, 18 weisen jeweils eine Luftfahrzeugeinrichtung zum Erzeugen einer gegen die Erdanziehung gerichteten Kraft auf.
-
Die Luftfahrzeugeinrichtung kann insbesondere einen Quadrocopter oder ein Raketentriebwerk aufweisen.
-
Die Luftfahrzeugeinrichtung kann beispielsweise schwenkbar ausgelegt sein, so dass Bewegungen der Röhrenmodule 10 oder der gesamten Grundstruktur ausgeglichen und gesteuert werden können.
-
Die Module 10, 14, 16, 18 weisen Versorgungsleitungen auf, die beispielsweise Elektrizität und/oder Treibstoff transportieren. Die Versorgungsleitungen aneinander angrenzender Module 10, 14, 16, 18 sind miteinander verbindbar.
-
Zwischen zwei Modulen 10, 14, 16, 18 kann ein Kopplungsmodul 20 angeordnet sein, das eine Drehung zwischen sich und damit verbundenen Modulen zulässt.
-
Die Grundstruktur soll beispielsweise eine durchgängig verbundene Röhre aus Modulen bis zu einer Höhe von 100 Kilometern bilden, die beliebig verlängerbar ist. In diesem Beispiel nehmen wir aber 100 Kilometer als Beginn des Weltraums als Ziel.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zwei Arten von Röhren verwendet, Typ 1 und Typ 2. Typ 1 weist in den Schwebemodulen 14, 16, 18 einen Raketenantrieb auf, und wird ab einer Höhe von 25 Kilometer eingesetzt, da hier die Luft für Quadrocopter zu dünn wird. Als Treibstoff wird flüssiger Wasserstoff aus Umweltgründen bevorzugt. Typ 2 weist in den Schwebemodulen 14, 16, 18 einen elektrisch betriebenen Quadrocopter auf.
-
Die Röhrenmodule 10 und gegebenenfalls auch die weiteren Module, sind durch Windbrechereinrichtungen 22 beidseitig aerodynamisch, siehe 1. Optisch wirkt sie also von außen nicht wie eine Röhre, sondern eher wie ein zweiseitig konkaves langes Objekt. Im Inneren befindet sich der Röhrenabschnitt 12. Beide Typenarten sind von außen mit photovoltaischen Einrichtungen zur Energieerzeugung, insbesondere Solarzellen, Solarzellen zur Energiegewinnung verkleidet.
-
Als Berechnungsgrundlage für dieses Ausführungsbeispiel wurden einfache Vorlagen genommen, wie beispielsweise gängige Hubschraubertypen. Da die Röhren senkrecht selber keinen Auftrieb erzeugen, dienen Flugzeuge hier nicht als Beispiel. Da die Röhren aus Sicherheitsgründen über mehr Redundanz verfügen sollten, wurden die Triebwerksleistungen jedoch pro KG verdoppelt. Deutlich mehr als Notwendig.
-
Typ 1 Technische Daten (weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich 2):
- Die Angaben sind nur ein Vorschlag wie der Röhrenbetrieb gestaltet werden könnte. Länge 400 Meter, Breite 50 Meter, Gewicht 500 Tonnen. Ab Meter 100, erstes Schwebemodul 18, ausgestaltet als Quadromodul mit vier Raketenantrieben, ab Meter 300 zweites Quadromodul 16 mit erneut vier Raketenantrieben. Pro Antrieb Leistung von 40000 PS, also pro 4 Raketen 160.000 PS, Gesamtleistung 320.000 PS (236.000 kW). Die Triebwerke der Raketenantriebe lassen sich beliebig, ähnlich wie bei einer Drohne, in alle Richtungen schwenken. Freilich nicht in Richtungen, die das Flugobjekt selbst beschädigen würden. Bitte beachten, dass die Leistung nicht mit konventionellen Raketen verglichen werden darf. Eine Rakete benötigt, gerade zu Beginn des Startes, wesentlich mehr PS (im Millionenbereich), weil der gesamte Treibstoff mitgetragen werden muss. Dies ist hier nicht der Fall, da die Röhre kontinuierlich versorgt wird. Jedes Modul 10, 14, 16, 18 trägt nur wenige Tonnen Notreserve für eine Notlandung mit sich.
-
Diese Schwebemodule 14, 16, 18 (mit Raketen-Quadrokopter als Luftfahrzeugeinrichtung) sollen automatisch durch Software gesteuert werden. In Zusammenarbeit mit den verbunden weiteren Röhrenmodulen 10 und deren Triebwerken bzw. Schwebemodulen 14, 16, 18 soll die Stabilität der Gesamtröhre auch unter schwierigsten Wetterbedingungen erhalten werden. Die Module 10, 14, 16, 18 lassen sich einzeln nach Wetterlage schwenken, automatisch gesteuert. Die beiden Raketen-Quadrocopter wiegen jeweils 30 Tonnen und ergeben eine gesamte Tragmasse ohne Eigengewicht von 500 Tonnen. Die Röhre soll 400 Meter lang sein, pro Meter können beispielsweise eine Tonne an Röhrenmasse, Kabel und Installationen getragen werden. Dies erlaubt den Transport eines Objekts von 60 bis 80 Tonnen durch die von den Röhrenabschnitten 12 gebildete Röhre.
-
Die Module 10, 14, 16, 18 tragen beispielsweise je acht Versorgungsleitungen für Wasserstoff und Elektrizität als Redundanz, benötigt werden nur zwei Versorgungsleitungen.
-
Insgesamt zwei einzelne Triebwerke sollen reichen, um zu landen oder den Standort in einer Kette von Modulen 10, 14, 16, 18 zu halten, beispielsweise zum Zusammenbau der Grundstruktur.
-
Typ 2 ist optisch identisch mit Typ 1 wird aber von elektrischen Quadrocoptern betrieben, versorgt vom Boden, also wie bei Typ 1 über die vorhergehenden Module, beispielsweise mittels wenigstens einer Versorgungsleitung. Jeder Propeller verfügt über eine Leistung von 40.000 PS, pro Quadrocopter 160.000 PS. Die Gesamtleistung beider Quadrocopter ist somit 320.000 PS (236000 kW). Die Propeller lassen sich beliebig, ähnlich wie bei einer Drohne, in alle Richtungen schwenken. Diese Schwebemodule 14, 16, 18, die beispielsweise einen Drohnen-Quadrocopter als Luftfahrzeugeinrichtung aufweisen, sollen automatisch durch Software gesteuert werden. In Zusammenarbeit mit den verbundenen weiteren Röhren und deren Triebwerken wird somit die Stabilität der Gesamtröhre auch unter schwierigsten Wetterbedingungen gewährleistet. Die beiden Drohen-Quadrocopter wiegen jeweils 30 Tonnen und ergeben eine Tragmasse von insgesamt 500 Tonnen. Die Röhre soll 400 Meter lang sein. Pro Meter können beispielsweise eine Tonne an Röhrenmasse, Kabel und Installationen getragen werden. Dies erlaubt beispielsweise einen Transport eines Objekts von 60 - 80 Tonnen, das durch die Röhren transportiert werden kann.
-
Statt Treibstoff speichert Typ 2 (elektrischer Quadrocopter) Elektrizität in Batterien, die ebenfalls eine Notlandung zulassen.
-
Ablauf des Aufbaus einer Grundstruktur:
- Als erstes wird ein Modul 10, 14, 16, 18 vom Typ 1 gestartet, verbunden und mit Strom und Wasserstoff mittels Versorgungsleitungen vom Bodenterminal versorgt. Typ 1 steigt auf eine Höhe von 420 Meter, danach folgt das nächste Modul 10, 14, 16, 18, ebenfalls vom Boden versorgt. Das allererste Modul wird mit einem 420 Meter langen Versorgungsträger versorgt.
Das erste Modul koppelt sich mit dem zweiten Modul, die ersten Versorgungsstränge werden abgeworfen, das erste Modul erhält Energie und Wasserstoff nun von dem zweiten gestarteten Modul, welches direkt vom Boden versorgt, wieder über eine neu angeschlossene 420 Meter lange Versorgungsleitung. Der Vorgang wiederholt sich dann. Natürlich werden die Versorgungsleitungen jeweils für die nächsten Module 10, 14, 16. 18 erneut verwendet. Danach folgen 210 weitere Module des raketengetriebenen Moduls. Die Gesamthöhe wird dann 85 Kilometer betragen. Aus Sicherheitsgründen sollte die Startrampe, die zum Start und zum Aufbau der Grundstruktur verwendet wird, in Meeresnähe liegen. Die Ausgangshöhe ist also der Meeresspiegel.
-
Die Verbindungen zwischen den Röhrenmodulen 10 sind durch die Aufnahme von Kopplungsmodulen 20 oder durch ein drehbares Koppelsegment der Röhrenmodule 10 drehbar, so dass jede Röhre sich optimal dem Wind und Wetter aussetzen kann und somit wenig Widerstand bietet.
-
Beispielsweise schließen 64 Kombinationen aus Röhrenmodulen 10 und Schwebemodulen 14, 16, 18 mit Antrieb vom Typ 2 (elektrischer Quadrocopter) von unten an die Module 10, 14, 16, 18 vom Typ1 (Raketentriebwerk, bzw. vierfaches Raketentriebwerk, also Raketen-Quadrocopter) an. Damit wird eine Gesamthöhe von 100 Kilometern erreicht.
-
Beide Typen haben in einer weiteren Ausführungsform beispielsweise je acht Versorgungstränge für Strom und Treibstoff, dies als Redundanz. Beide Typen verfügen über beispielsweise acht Pumpen, die den Treibstoff weiter nach oben pumpen. Als Redundanz werden nur zwei Pumpen benötigt.
-
Fallen alle Pumpen eines Moduls 10, 14, 16, 18 aus, so sollen die Pumpen der anderen Module die Leistung ihrer Pumpen steigern können, um beispielsweise bis zu vier Ausfälle auszugleichen. Die Versorgung und Reservoirs sind, da flüssiger Wasserstoff, supergekühlt.
-
Vorteile:
-
1. Am Ende der 100 Kilometer kann stückweise eine Plattform errichtet werden von der Raketen gestartet werden. Die Plattform wird ebenfalls mit Treibstoff über die Röhren versorgt und hat eine Reserve, um im Notfall sicher zu landen.
-
Im Inneren der Röhre kann ein gewöhnlicher Schienenaufzug verwendet werden, der beispielsweise mit 100 km/h in einer Stunde die Plattform erreicht, von der das gewünschte Flugobjekt dann startet. Versorgt durch Treibstoff vom Boden durch die modulare Röhre wäre das Erreichen geostationärer Umlaufbahnen täglich mehrfach möglich. Selbst das Flugobjekt wird erst auf der Plattform betankt.
-
2. Die Menschheit hätte eine permanente Verbindung zum All auf 100 Kilometer Höhe zu Forschungs- und auch Tourismuszwecken.
-
3. Die Röhre könnte im Inneren auch eine Magnetschwebetechnik verwenden, unter Vakuum und um auf den 100 Kilometern eine Geschwindigkeit zu erreichen, die alleine schon einen stabilen Orbit zulässt (dies wäre jedoch technisch eine weitere Herausforderung.) Die 100 Kilometer würden eine konstante geringere Beschleunigung zulassen, deren G-Kräfte für Menschen niedriger als bei einem gewöhnlichen Raketenstart wären.
-
4. Die Röhre wäre ohnehin ein Weltraumbahnhof, aber auch ein Flughafen. Dafür konzipierte Fluggeräte könnten von dort starten und jedes Ziel in wenigen Stunden, gar Minuten erreichen. Als Standort wäre auch die deutsche Küste geeignet. Die Reisezeit von Deutschland nach Sydney wäre in zwei Stunden denkbar. Das Gewicht einer Boeing 737 entspricht etwa dem, was der Aufzug befördern könnte. Natürlich müsste dafür ein spezielles Fluggerät entwickelt werden: Mit klappbaren Flügeln, weniger Treibstoff, nur für die Ladung, und für Vakuum entwickelt. Damit könnten etwa 200 Personen pro Flug transportiert werden.
-
Machbarkeit:
-
Von der Boeing 747 wurden 1553 Stück gebaut. Teilweise vielleicht technisch sogar komplexer als diese automatisch gesteuerten Röhren. Hier werden weniger als 300 Stück benötigt. Der A380 kostet circa 400 Millionen Euro. Mit allen möglichen Anwendungen als Flughafen, Weltraumhafen, Tourismus und Forschung scheint ein Stückpreis von 400 Millionen Euro pro Röhre ein gutes Investment. Gesamtkosten mit Entwicklung geschätzte 300 Milliarden Euro.
-
Verglichen nur doppelt soviel wie die ISS (International Space Station) aber mit einem hohen Potenzial an Gewinnerzielung.
-
Umwelteinwirkungen:
-
Der gesamte Strom für die elektrisch betriebenen Röhren sollte mit erneuerbaren Energien erzeugt werden. Da küstennah Offshore-Windkraftwerke betrieben werden können und mit den Solarzellen an den Modulen 10, 14, 16, 18 an sich, sowie weiteren Solarzellen auf den Produktionswerken und Einzelanlagen wäre es wünschenswert, damit die gesamte Anlage zu betreiben. Auch der Wasserstoff könnte mit diesen erneuerbaren Energien erzeugt werden. Die gesamte Anlage könnte im Betrieb somit klimaneutral sein. Die Module 10, 14, 16, 18 würden über die Solarzellen, selbst wenn nur 60% genutzt (6.000 qkm) würden, bis zu 1 Millionen kW/h produzieren können. Dies reicht zwar nur für einen Bruchteil zum Betrieb der Anlage, es ist aber doch eine beachtliche Menge, die die Anlage selber generiert.
-
Wartungsarbeiten:
-
Die Module 10, 14, 16, 18 sollen mit Redundanzen immer im Betreib bleiben. Die Wartungsarbeiten am Modul werden vor Ort mit einem dafür konzipierten Wartungsmodul durchgeführt. Nur im Ernstfall verlässt ein Modul den Aufzug, um mit der Energie-Reserve zur Erde zurückzukehren. Die davor und danach liegenden Module 10, 14, 16, 18 koppeln dann wieder an, ein Modul 10, 14, 16, 18 wird von unten nachgeschoben.
