Google के स्पेस एलेवेटर प्रोजेक्ट के साथ क्या हो रहा है?

यहां एक अंतरिक्ष सिस्टम इंजीनियर की सबसे होनहार Google X परियोजनाओं में से एक के बारे में सच्चाई है, जिन्होंने उन पर शोध किया है: वे बहुत धीमी हैं। लेकिन एक संभावित समाधान है।

Google के स्पेस एलेवेटर प्रोजेक्ट के साथ क्या हो रहा है?

बहुत पसंद है फास्ट कंपनी पाठकों, मैं Google की स्कंकवर्क्स लैब में विकास के तहत एक स्पेस एलेवेटर अवधारणा के उल्लेख से चिंतित था, जिसे Google X के रूप में जाना जाता है।



आप जानते हैं कि स्पेस एलेवेटर क्या होता है, है ना? देवौल पूछता है। वह आवश्यक तथ्यों की जांच करता है - अंतरिक्ष में तय किए गए उपग्रह से जुड़ी एक केबल, जो पृथ्वी से हजारों मील ऊपर है। DeVaul के लिए, यह निस्संदेह विज्ञान-फाई से सीधे किसी चीज़ के X मानदंड को पूरा करेगा।

अंतरिक्ष लिफ्ट बिजली या संचालित उड़ान के स्तर पर गेम-चेंजर होगी। एक इंजीनियर के रूप में जिसने बोइंग के स्पेस सिस्टम डिवीजन के लिए स्पेस एलेवेटर अवधारणाओं को डिजाइन किया है, और कभी-कभी FastCoLabs योगदानकर्ता, मैंने सोचा कि मैं इस आशाजनक, मृगतृष्णा जैसी अवधारणा में कुछ विवरण जोड़ूंगा।



अंतरिक्ष पहले से ही 304 बिलियन डॉलर का व्यवसाय है, लेकिन अगर वहां पहुंचना इतना महंगा नहीं होता तो इसके बहुत बड़े होने की संभावना होती है। अंतरिक्ष पर्यटन (जिसमें शिपिंग करने वाले लोग शामिल हैं) या क्षुद्रग्रह खनन (जिसमें कच्चे माल की शिपिंग की आवश्यकता होती है) जैसे भविष्य का कोई भी व्यवसाय अंतरिक्ष में कुछ भी पहुंचाने के लिए वर्तमान लागत के मुकाबले चलता है।

77 . का अर्थ



स्पेसएक्स ऑफर कम से कम महंगी लॉन्च कीमतें ,550/किलोग्राम पर, या चांदी की कीमत का लगभग चार गुना। जब आपकी लागत किसी कीमती धातु के गुणकों में मापी जाती है, तो आपको लागत में कटौती करने की आवश्यकता होती है। इसलिए मेरे जैसे इंजीनियर अंतरिक्ष में चीजों को लाने के लिए सस्ते तरीके तलाशते हैं।

एक अंतरिक्ष लिफ्ट की डिजाइन चुनौतियां

अंतरिक्ष में कार्गो और लोगों को भेजने की लागत को कम करने का एक आकर्षक तरीका एक अंतरिक्ष लिफ्ट है।

और यह संभवतः अपनी वर्तमान लागत के एक अंश तक अंतरिक्ष यात्रा को कम करके परिवर्तनकारी होगा: परिवहन जहाज केबल पर क्लिप करेंगे और एक अंतरिक्ष स्टेशन तक क्रूज करेंगे। एक ऊपर जा सकता था जबकि दूसरा नीचे जा रहा था। यह एक बड़े पैमाने पर पूंजी निवेश होगा, देवौल कहते हैं, लेकिन उसके बाद यह आपको मूल रूप से शून्य ऊर्जा के जाल के साथ जमीन से कक्षा में ले जा सकता है। यह अंतरिक्ष-पहुंच लागत को परिचालन रूप से अविश्वसनीय रूप से कम कर देता है।



बिल्कुल सही - अंतरिक्ष लिफ्ट का यह विचार सरल, आकर्षक है, लेकिन सबसे अधिक संभावना गलत है। यह देखने के लिए कि यह गलत क्यों है - और हम अवधारणा के कुछ हिस्सों को कैसे उबार सकते हैं - हमें यह देखने के लिए उनके डिजाइन और अर्थशास्त्र में गहराई से देखने की जरूरत है कि कौन सा दृष्टिकोण सबसे अधिक समझ में आता है, और जब हम इस सदी में बाद में ऐसी चीज का निर्माण कर सकते हैं। जैसा कि टुकड़ा कहता है:

आश्चर्य नहीं कि टीम को एक ठोकर का सामना करना पड़ा। यदि स्केलिंग समस्याएं हैं जो होवरबोर्ड को पृथ्वी पर लाती हैं, तो भौतिक-विज्ञान के मुद्दों ने अंतरिक्ष लिफ्ट को दुर्घटनाग्रस्त कर दिया। टीम को पता था कि केबल को असाधारण रूप से मजबूत होना होगा- पिपोनी की गणना के अनुसार हमारे पास मौजूद सबसे मजबूत स्टील से कम से कम सौ गुना मजबूत। उन्हें एक ऐसी सामग्री मिली जो ऐसा कर सकती थी: कार्बन नैनोट्यूब।

कार्बन नैनोट्यूब केबल सैद्धांतिक रूप से सर्वश्रेष्ठ स्टील की तुलना में 12 गुना अधिक मजबूत होते हैं, लेकिन 5 गुना हल्के होते हैं, इस प्रकार ताकत से वजन में 60 गुना बेहतर होते हैं, जो कि अंतरिक्ष लिफ्ट के लिए मायने रखता है। पाउंड के लिए पाउंड जो 60 गुना मजबूत है।



किसी भी संरचना का डिज़ाइन, चाहे गगनचुंबी इमारत, पुल, या अंतरिक्ष लिफ्ट, प्रत्येक बिंदु पर मौजूद सभी भारों का समर्थन करने की आवश्यकता से नियंत्रित होता है। एक ऊंची इमारत में जिसमें न केवल सामग्री शामिल है, बल्कि उस बिंदु के ऊपर समर्थन स्तंभ भी हैं जिसे आप देख रहे हैं। इसलिए निचली मंजिलों को अपने ऊपर हर चीज का भार ढोने के लिए मजबूत होना चाहिए।

यदि भवन को धारण करने वाला स्टील या कंक्रीट पूरी ताकत से समान है, तो स्तंभों को मजबूत बनाने का एकमात्र तरीका उन्हें बड़ा करना है। बुर्ज खलीफा और एफिल टॉवर में नीचे से ऊपर की ओर पतलापन सबसे अधिक दिखाई देता है, लेकिन यह बॉक्स ऑफिस की इमारतों की त्वचा के नीचे भी चलता रहता है।

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इस प्रतिक्रिया को प्रेरित करने वाली फीचर कहानी पढ़ें: Google X के बारे में सच्चाई: गुप्त लैब के बंद दरवाजों के पीछे एक विशेष नज़र


एक अंतरिक्ष लिफ्ट के लिए संरचना को भी अपनी लंबाई के साथ भार को संभालना पड़ता है, लेकिन जमीन से समर्थित होने के बजाय, यह ज्यादातर से लटका हुआ है तुल्यकालिक कक्षा . उस ऊंचाई पर, कक्षा के गुरुत्वाकर्षण और केन्द्रापसारक त्वरण संतुलित होते हैं; यह हर स्थिर कक्षा के लिए सच है, यही वजह है कि चीजें कक्षा में रहती हैं और नीचे नहीं गिरती हैं।

यहाँ बड़ी समस्या है, समझाया गया

हालाँकि, जैसे-जैसे आप लिफ्ट से नीचे जाते हैं, गुरुत्वाकर्षण मजबूत होता जाता है और केन्द्रापसारक त्वरण कम होता जाता है; जैसे-जैसे आप पृथ्वी के करीब आते जाते हैं, आप धीमी गति से आगे बढ़ रहे होते हैं। लिफ्ट संरचना भी इस अंतर को वजन के रूप में देखती है जिसे इसे अधिक संरचना के साथ समर्थन करने की आवश्यकता होती है।

चलती कार में नेट बलों का प्रदर्शन किया जा सकता है: आप हमेशा पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण को महसूस करते हैं, लेकिन जब आप आगे बढ़ते हैं, तो आप भी उस बल को महसूस करते हैं। रियरव्यू मिरर से लटकने वाली कोई चीज़ संयुक्त बल से पिछड़े कोण पर लटकेगी। एक अंतरिक्ष लिफ्ट पर, गुरुत्वाकर्षण आपको नीचे खींचता है, और केन्द्रापसारक त्वरण आपको ऊपर खींचता है, और आपका स्पष्ट वजन अंतर है।

दूसरे शब्दों में, जैसे-जैसे आप जमीन के पास से समकालिक कक्षा में जाते हैं, उस लटकती लिफ्ट संरचना को नीचे की हर चीज से अधिक से अधिक वजन का समर्थन करना पड़ता है। इसमें संरचना ही शामिल है, और कार्गो कैप्सूल, रेल, बिजली केबल, या विमान चेतावनी रोशनी जैसी कोई भी सामग्री शामिल है।

यदि हम सबसे मजबूत उपलब्ध सामग्री, वर्तमान में कार्बन फाइबर का उपयोग करते हैं, तो लिफ्ट को ऊपर जाने पर मोटा होना चाहिए, ताकि उस ऊंचाई से नीचे के सभी भार का समर्थन किया जा सके। किसी भी सामग्री के दो गुणों से इसे कितना मोटा होना चाहिए: ताकत और घनत्व। ताकत आपको बताती है कि आपको किसी दिए गए भार का समर्थन करने की कितनी आवश्यकता है, और घनत्व आपको बताता है कि सामग्री द्वारा कितना अधिक भार जोड़ा जाता है। अनुपात को विशिष्ट शक्ति कहा जाता है। सर्वोत्तम कार्बन फाइबर के लिए, सुरक्षा और ओवरहेड के लिए उचित डिज़ाइन मार्जिन के साथ, यह 150 किमी है।

जब आप गणित करते हैं, तो यह काम करता है कि केबल के तनाव को आपकी डिज़ाइन सीमा से ऊपर जाने से रोकने के लिए, आपको प्रत्येक 150 किमी भार के लिए केबल के क्षेत्रफल और वजन को e (2.718…) के कारक से बढ़ाने की आवश्यकता है। दुर्भाग्य से, पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण अच्छी तरह से जमीन से समकालिक कक्षा तक 6,230 किमी के बराबर है। इसलिए केबल द्रव्यमान 41.5 गुना (e41.5 ) या 1.1 मिलियन ट्रिलियन गुना कार्गो द्रव्यमान का कारक होगा। इतनी बड़ी केबल को सही ठहराने के लिए आप कभी भी पर्याप्त माल नहीं भेज सकते।

हमें या तो एक मजबूत सामग्री की आवश्यकता है, या लिफ्ट को छोटा करने के लिए, इसलिए इसमें इतना अधिक द्रव्यमान नहीं है। जैसा कि मूल लेख कहता है, कार्बन फाइबर एकमात्र विकल्प नहीं है। कार्बन नैनोट्यूब भी हैं।

लेकिन किसी ने एक मीटर से अधिक लंबे कार्बन नैनोट्यूब स्ट्रैंड का निर्माण नहीं किया है। और इसलिए लिफ्ट को एक गहरे फ्रीज में रखा गया था, जैसा कि हेनरिक कहते हैं, और टीम ने कार्बन नैनोट्यूब क्षेत्र में किसी भी प्रगति पर नजर रखने का फैसला किया।

तो, क्या वे काम करेंगे?

कार्बन नैनोट्यूब में असाधारण सैद्धांतिक ताकत होती है, लेकिन वास्तव में यह दोषों के कारण उस स्तर की ताकत तक नहीं पहुंच पाता है। एक अध्ययन भविष्यवाणी करता है एक वास्तविक केबल ताकत, 623 किमी के डिज़ाइन मार्जिन की अनुमति देता है, या वर्तमान कार्बन फाइबर से लगभग 4 गुना बेहतर है। यह अब पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण कुएं का १/१०वां हिस्सा है, और केबल द्रव्यमान नाटकीय रूप से e10 = २२,००० गुना कार्गो द्रव्यमान तक गिर जाता है।

तो क्या इसका मतलब यह है कि भविष्य में यह विचार संभव है?

२२,००० गुना कार्गो का एक केबल द्रव्यमान एक मिलियन ट्रिलियन से अधिक का एक बड़ा सुधार है, लेकिन अभी भी एक व्यवहार्य लिफ्ट बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है। फिलहाल तो हम इस बात को नज़रअंदाज कर देंगे कि आज हम सूक्ष्म रेशों में ही कार्बन नैनोट्यूब बना सकते हैं। हम मानते हैं कि शोधकर्ता अंततः इसे लिफ्ट संरचना के लिए पर्याप्त मात्रा और केबल मोटाई में बनाने में सक्षम होंगे।

लेकिन एक और समस्या है: लिफ्ट के लिए वापसी का समय।

अंतरिक्ष लिफ्ट गति समस्या

केबल और कार्गो कैप्सूल का द्रव्यमान अनुपात किसी दिए गए सामग्री और डिज़ाइन के लिए तय किया गया है। यदि आपके पास पारगमन में कई कार्गो कैप्सूल हैं, तो आपको उनका समर्थन करने के लिए कई मात्रा में केबल की भी आवश्यकता होगी। सादगी के लिए, हम तब एक कैप्सूल और केबल की एक इकाई पर विचार कर सकते हैं।

कैप्सूल को जमीन से समकालिक ऊंचाई (35,000 किमी) तक बढ़ाने के लिए किसी तरह का तंत्र होना चाहिए। पारंपरिक लिफ्ट केबलों द्वारा उठाई जाती हैं, लेकिन इस पर विचार करना बहुत धीमा है। ताइपे 101 टावर में सबसे तेज़ मौजूदा एलिवेटर में 24 दिन लगेंगे। इसके बजाय, मान लें कि आप सबसे तेज़ मौजूदा मैग्लेव ट्रेन (581 किमी/घंटा) जितनी तेज़ी से चुंबकीय उत्तोलन का उपयोग करते हैं। जो आपको 60 घंटे में शीर्ष पर पहुंचा देगा।

22,000 कार्गो वितरित करने के लिए - या लिफ्ट केबल के रूप में उतना ही द्रव्यमान - तब 150 साल लगेंगे। ये सही है। अगर हम आज से शुरू करते हैं, तो इसे अपना वजन देने में 2164 तक का समय लगेगा।

टोस्ट कैसे दें

चूंकि आपको अंतरिक्ष लिफ्ट को अंतरिक्ष में ही लॉन्च करना है, आप चाहते हैं कि यह अपने द्रव्यमान से अधिक कार्गो वितरित करे। अन्यथा लिफ्ट को क्यों न छोड़ें और सीधे कार्गो को लॉन्च करें?

तो अगर ऐसा करने में 150 साल लगते हैं, तो आपकी वापसी की दर प्रति वर्ष 0.6% प्रतिशत है, जो कि अर्थशास्त्र के दृष्टिकोण से व्यवहार्य नहीं है। लेकिन उन्हें छोटा करने के बारे में क्या?

क्या हम कभी समझदार अंतरिक्ष लिफ्ट का निर्माण करेंगे?

अंतरिक्ष लिफ्ट के लिए मूल विचार, जमीन से तुल्यकालिक कक्षा तक एक विशाल संरचना के रूप में, सबसे पहले रॉकेट्री पायनियर द्वारा वर्णित किया गया था कॉन्स्टेंटिन त्सोल्कोवस्की १८९५ में। यह सैद्धांतिक होने का इरादा था, जैसे आइजैक न्यूटन ने एक पहाड़ पर एक तोप के चित्रण की कक्षा में फायरिंग की। यह एक व्यावहारिक डिजाइन होने का इरादा नहीं था।

अपने दिमाग को कैसे शांत करें

और वास्तव में, यह नहीं है: ६० घंटे, या २.५ दिन, लिफ्ट के द्रव्यमान के १/२२,००० को कार्गो के रूप में वितरित करने का मतलब है कि यह एक लंबा समय लेता है - १५० साल - लिफ्ट को इमारत के लायक बनाने के लिए पर्याप्त रूप से वितरित करने के लिए। एक सादृश्य के रूप में, एक ट्रैक्टर ट्रेलर (बड़े ट्रक) की कल्पना करें जो हर 2.5 दिनों में 3 पाउंड वितरित कर सकता है। बहुत उपयोगी नहीं है, है ना?

तो आइए [मूल] विचार में दो धारणाओं को छोड़ दें: कि इसे एक विशाल संरचना की आवश्यकता है, और यह कि कक्षा तक पहुँचने का पूरा काम करने की आवश्यकता है।

यहां बड़ा सबक यह है कि कोई भी Google X विचार जो भौतिक विज्ञान में किसी प्रकार के नए विकास पर टिका है, आगे नहीं बढ़ सकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स के मामले में ऐसा नहीं है-एक्स एक ऐसे उपकरण के साथ आगे बढ़ सकता है जो कंप्यूटिंग क्षमता में निकट-अवधि के सुधार पर निर्भर करता है क्योंकि मूर का कानून कंप्यूटिंग शक्ति में एक घातीय वृद्धि की भविष्यवाणी करता है। यही कारण है कि DeVaul की टीम को विश्वास है कि Google ग्लास हर गुजरते साल के साथ कम अजीब होता जाएगा। लेकिन एक नई सामग्री या निर्माण प्रक्रिया का आविष्कार कब किया जाएगा, इसका सटीक अनुमान लगाने का कोई तरीका नहीं है। यह अगले साल हो सकता है, या यह 100 साल हो सकता है।

यह एक ऐसा स्थान है जहां अंतरिक्ष लिफ्ट शोधकर्ताओं का समुदाय Google X के लोगों से अलग हो जाता है। हम सभी मजबूत सामग्री चाहते हैं, क्योंकि यह केबल को बहुत हल्का बनाता है-लेकिन पृथ्वी के लिए, आदर्श सामग्री के साथ भी, एक-टुकड़ा पूर्ण लिफ्ट करना बहुत कठिन है।

चंद्रमा और मंगल के पास छोटे गुरुत्वाकर्षण वाले कुएं हैं, इसलिए हम एक-टुकड़ा समाधान पर विचार कर सकते हैं, लेकिन पृथ्वी के लिए हमें इसे छोटे टुकड़ों में तोड़ना होगा और कुछ काम को रॉकेट पर उतारना होगा।

ऊपर की दो धारणाओं पर सवाल उठाकर, हम जितना सोचते हैं, उससे कहीं अधिक अंतरिक्ष लिफ्ट की व्यवहार्यता पर हमारा नियंत्रण है।

आप देखिए, पारंपरिक रॉकेटों में भी द्रव्यमान अनुपात की समस्या होती है। तुल्यकालिक कक्षा तक पहुंचने के लिए, वे अपने द्वारा वितरित किए गए पेलोड से लगभग 100 गुना भारी होते हैं। इसमें से अधिकांश ईंधन है, और बाकी, अब तक महंगा एयरोस्पेस हार्डवेयर रहा है जिसे एक बार उपयोग के बाद फेंक दिया गया था। तो रॉकेट और लिफ्ट के बीच काम को विभाजित करना समझ में आता है। यह दोनों के द्रव्यमान अनुपात को कम करता है, और संयुक्त द्रव्यमान अनुपात का योग कम होगा।

रॉकेट और अंतरिक्ष लिफ्ट का संयोजन

हम स्पेस एलेवेटर को भी दो भागों में विभाजित कर सकते हैं, एक लो ऑर्बिट में और एक सिंक्रोनस ऑर्बिट के पास। निचला एक मैग्लेव रेल के बजाय कक्षीय यांत्रिकी का उपयोग करते हुए कार्गो कैप्सूल को ऊपरी तक पहुंचाता है। भौतिकी के अलावा कुछ नहीं का उपयोग करके उनके बीच की खाई को पार करना मैग्लेव रेल की तुलना में सस्ता होगा - वे सस्ते नहीं हैं। छोटे लिफ्टों में एक ही काम करने वाले एक की तुलना में तेजी से कम द्रव्यमान अनुपात होगा।

इसमें कुछ संख्या डालने के लिए, रॉकेट 4,600 मीटर/सेकेंड (प्लस ड्रैग जैसे विभिन्न नुकसान) की आपूर्ति करता है, निचला लिफ्ट कार्गो को 4,800 मीटर/सेकेंड की आपूर्ति करता है, और ऊपरी एक और 1,500 मीटर/सेकेंड जोड़ता है। चूंकि रॉकेट बहुत कम काम कर रहा है, इसलिए इसका द्रव्यमान अनुपात अब 100 के बजाय 10-15 है। सटीक संख्या इस बात पर निर्भर करेगी कि इसे हवाई जहाज (20,000 उड़ानों) की तुलना में अधिक समय तक चलने के लिए कितनी बचत का उपयोग किया जाता है। एक डिस्पोजेबल रॉकेट।

मौजूदा ऑफ-द-शेल्फ कार्बन फाइबर का उपयोग करने वाले निचले एलेवेटर - कुछ भविष्य के नैनोट्यूब सामान नहीं - का द्रव्यमान अनुपात 14 होगा, और ऊपरी वाला 1.4 होगा। ये बहुत अधिक समझदार संख्याएँ हैं। ये संख्याएँ इष्टतम नहीं हो सकती हैं, वे कई डिज़ाइन ट्रेड-ऑफ़ पर निर्भर होंगी जो अभी तक किसी ने नहीं की हैं, लेकिन वे एक बड़े एलेवेटर दृष्टिकोण की तुलना में बहुत अधिक उत्साहजनक हैं।

संक्षेप में, एक अंतरिक्ष लिफ्ट असंभव हो सकती है - लेकिन अंतरिक्ष लिफ्ट द्वारा सहायता प्राप्त छोटे रॉकेट वास्तव में हमारे जीवनकाल में हो सकते हैं।