Как полнее использовать энергию Солнца?

[Метвед]

Ну сложите 2 плюс 2 наконец...ещё сиракузский тиран Дионисий наглядно и крайне доходчиво показал своему завистнику Дамоклу зачем нужен запас прочности  Притча "Дамоклов меч"... Не всё то виндоуз что висит 

[Alexeyy]

Два плюс два тут не получится: тут нужен точный расчёт.
  Если пренебречь весом поднимаемого груза и дополнительным натяжением, воникающим за счёт преодоления грузом трения о воздух и пренебречь необходимостью запаса прочности, то точный расчёт для минимальной прочности на разрыв даёт значение 19 200 МПа 19 ГПа (см. https://otvetus.com/kakoy-predel-prochnosti-trebuetsya-dlya-kabelya-kosmicheskogo-lifta-122118).
   Тогда как, как мы знаем, максимально возможная прочность, которую могут дать нанотрубки - это 300 ГПа. Т.е. она больше в 300/19 = 15,9 раз. По-моему, это - очень приличный запас.
  Конечно, если не делать упомянутых упрощений, то цифра получится меньше. Но если их учесть - то получится уже совсем не два плюс два.  Английская Википедия пишет, что в лифте Эдвардса  100 гигапаскалей - уже может быть достаточно (ссылается при этом на http://www.niac.usra.edu/studies/521Edwards.html).
  А откуда информация о теоретической невозможности пострйки космического лифта с Земли у Вас?
  Или оттуда же откуда и информация о невозможности испольования в космосе 100-кратной фокусировки на солнечную батарею из-за её перегрева?

[Метвед]

Два плюс два тут не получится: тут нужен точный расчёт.
  Если пренебречь весом поднимаемого груза и дополнительным натяжением, воникающим за счёт преодоления грузом трения о воздух и пренебречь необходимостью запаса прочности, то точный расчёт для минимальной прочности на разрыв даёт значение 19 200 МПа 19 ГПа (см. https://otvetus.com/kakoy-predel-prochnosti-trebuetsya-dlya-kabelya-kosmicheskogo-lifta-122118).
   Тогда как, как мы знаем, максимально возможная прочность, которую могут дать нанотрубки - это 300 ГПа. Т.е. она больше в 300/19 = 15,9 раз. По-моему, это - очень приличный запас.
  Конечно, если не делать упомянутых упрощений, то цифра получится меньше. Но если их учесть - то получится уже совсем не два плюс два.  Английская Википедия пишет, что в лифте Эдвардса  100 гигапаскалей - уже может быть достаточно (ссылается при этом на http://www.niac.usra.edu/studies/521Edwards.html).
  А откуда информация о теоретической невозможности пострйки космического лифта с Земли у Вас?
  Или оттуда же откуда и информация о невозможности испольования в космосе 100-кратной фокусировки на солнечную батарею из-за её перегрева?

Что-то Ваша ссылка не фурычит чтобы  расчёт проверить  нюхом чую, там целый табун сферических коней в вакууме.
..............
Без фокусировки, температура АЧТ на расстоянии 1 а.е. от Солнца, больше 100 градусов Цельсия.  Панели солнечных батарей близки к АЧТ (поглощают почти весь падающий поток солнечного излучения).  В космосе, нет охлаждающей воды из водопровода коей охлаждают  фотопреобразователи наклеенные на медный теплоотвод в лаборатории на Земле.  Натурально, прокачивают воду через медный теплоотвод.  Причём именно что в лаборатории...в реальных наземных СЭС никогда не используются такие технические решения, потому что дешевле просто увеличить площадь обычных СБ чем городить весь этот огород с фокусировкой и охлаждением.

[Alexeyy]

Чуть ниже - привожу оттуда текст (этот текст - автоматический перевод с английского). Критическое напряжение, при котором происходит разрыв космического троса, зависит от плотности.  Выше приведённая цифра 19 ГПа взята для плотности титана (4500 м3 /кг). Что, по порядку, совпадает с оценками (см. Википедию) плотности троса для космического лифта как плотности графита (2 250 м3 /кг). Если же взять эту последнюю плотность, то оценка для максимального напряжения (без учёта дополнительной нагрузкой, создаваемой перемещаемым грузом и без учёта запаса прочности) будет и того меньше в 4500/2250 = 2 раза. Т.е. 9 ГПа.

"Хорошо, так давайте посмотрим, что говорит нам математика, и тогда мы решим, если это возможно. Все мои расчеты будут исходить из того, что вам нужен одноступенчатый лифт, который выходит на орбиту, и не дальше. Я также предполагаю, что гравитационное ускорение постоянно на всем пути до орбиты. Это потому, что это сделает расчет намного проще и даст нам решение, которое является очень хорошим приближением

Таким образом, напряжение в верхней части кабеля будет представлять собой нагрузку на кабель, разделенную на площадь кабеля. Согласно определению стресса

σ = (усилие) / (площадь поперечного сечения кабеля) = F / A

Сила в кабеле - это сила гравитации, необходимая для поддержки нагрузки, плюс сила, необходимая для ускорения нагрузки. Если нагрузка движется очень быстро, это также включает сопротивление воздуха

F = M * g + M * a = M (g + a)

Где М - масса, g - гравитационное ускорение. Масса груза будет определяться общей массой кабеля плюс масса всего, что вы поднимаете. Поскольку масса того, что мы поднимаем, будет параметром, нам нужно только рассчитать массу кабеля. Если мы приблизим массу кабеля в виде сплошного цилиндра, мы получим

Масса кабеля = Mc = (Объем кабеля) * (Плотность кабеля) = V * ρ

Объем цилиндра - это площадь его поперечного сечения, умноженная на его длину.

Mc = A * L * ρ

Где L - длина кабеля. Если мы называем массу того, что вы поднимаете Меня, то, используя подстановку в наших уравнениях, мы находим

σ = (A * L * ρ + Me) (g + a) / A

Используя это уравнение, мы можем определить, насколько прочным должен быть кабель. Но так как это уравнение содержит много вещей для оптимизации, давайте рассмотрим самый простой случай. Для этого случая давайте представим, что нагрузка довольно мала по сравнению с массой кабеля, и мы очень медленно ускоряем наш лифт, достигая максимальной скорости, когда сопротивление воздуха незначительно. Это не идеальные условия для космического лифта, но они дают нам хорошее представление о силе, которую наш материал должен иметь как минимум. Исходя из этих предположений, мы можем уменьшить наше уравнение до

σ = (A * L * ρ + 0) (g + 0) / A

Теперь мы можем отменить область. (Это интересно, потому что говорит нам, что толщина кабеля не имеет значения). Если мы напишем это с точки зрения отношения прочности к весу, мы получим

σ = L * ρ * g

Итак, теперь давайте решим, насколько это возможно. Мы можем использовать высоту Международной космической станции в качестве длины кабеля. На орбите достигает 435 км. Сначала давайте рассмотрим титан, поскольку он имеет самое высокое отношение прочности на разрыв к массе из всех металлов. Титан имеет предел текучести 225 МПа и плотность 4500 м 3 / кг. Эти числа дают нам отношение TS к плотности

σ = L * g * ρ = (435 000) * (9,81) * 4500 = 1,90 x 10 ^ 10 Па = 19 200 МПа

это намного выше, чем предел текучести титана, поэтому давайте посмотрим, может ли кевлар работать лучше. В тканой форме кевлар может иметь предел текучести до 3620 МПа и до 1350 кг / м ^ 3. Повторяя расчет, прежде чем мы получим

σ = 5755 МПа" (https://otvetus.com/kakoy-predel-prochnosti-trebuetsya-dlya-kabelya-kosmicheskogo-lifta-122118)


Оценки же предельного напряжения троса космического лифта, приводимого в Википедии - это уже с учётом разных моделей работы лифта (с учётом веса груза, трения, с учётом запаса по прочности, для разных вариантов рентабельности): " 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." (https://ru.wikipedia.org/wiki/Космический_лифт).
  Именно поэтому китайцы, как приводил ссылку выше, и заявили, что уже достигнут предел необходимой прочности нанотрубок для космического лифта с Земли.

В сообщении 38 я уже приводил резюме по проделанной мной оценке по допустимой степени фокусировки в космосе с учётом охлаждения благодаря тепловому излучению (и с использованием тепловых трубок, а так же с использованием стойких к температуре панелей). 100-кратная фокусировка - вполне допустима. И это делает на уровне реального, то, что космическая солнечная электростанция будет выгодной даже при нынешних технологиях вывода грузов на орбиту.
  Солнечная батарея поглощает, практически, 100% солнечного света, но переводится в нагрев - меньше: за вычетом кпд (остальное - уносится проводами с током).
   В земных солнечных электростанциях на солнечных батареях не используют солнечный концентратор потому, что используются солнечные батареи относительно дешёвые (в космосе же будут использоваться более дорогие термостойкие и более дорогие потому, что вывод в космос - более дорог). А так же потому, что на Земле система фокусировки - дороже, чем в космосе. Т.к. это - громоздкая, тяжёлая и очень прочная система (которая должна быть устойчивой к мощным ветровым нагрузкам). К тому же система, снабжённая удораживающим механизмом постоянного поворота в направлении солнца.
  В космосе же солнечный концентратор может иметь толщину всего в доли миллиметра и не нужна система поворота (т.к. он просто будет вращаться вокруг своей оси с частотой один оборот в сутки и, поэтому, будет постоянно повёрнут в сторону Солнца без затрат, как на Земле).

[Метвед]

В космосе,  никакие тепловые трубки работать сами по себе не будут, там возможен только радиационный теплоотвод. Допустим, Вы отвели тепло от фотопреобразователя (посредством тепловой трубки или более традиционно, посредством воды прокачиваемой через медный теплоотвод).  На Земле всё просто, вокруг огромная масса вещества готового это тепло принять (атмосфера, гидросфера и т.д.) а в космосе это тепло надо излучать в безответные глубины Метагалактики, и это - проблема! Практически, Вы не можете сделать площадь этого излучателя существенно меньше чем площадь традиционных панелей СБ без всяких концентраторов, тепловых трубок и прочей херни.  При этом, Вам нужно обеспечить бесперебойную работу Вашего радиатора (заполненного циркулирующим под давлением теплоносителем в газовой или в жидкой фазе) в условиях вероятного пробоя его огромной поверхности микрометеоритами...в общем, благоглупости всё это,  дорого и бессмысленно.

[Метвед]

По поводу "расчёта троса космического лифта" - как я и предполагал, он неверен в корне 
"Итак, теперь давайте решим, насколько это возможно. Мы можем использовать высоту Международной космической станции в качестве длины кабеля."
Космический лифт для Земли должен быть значительно выше ГСО...   порядка сотни тысяч километров. Верёвочка то должна быть закреплена каким-то образом на Земле и растянута. То есть, нужен массивный противовес на огромном удалении от Земли. И даже в этом случае "школьный" расчёт - мудовые рыдания...

[Alexeyy]

Да: на это я что-то не обратил внимание в тех расчётах, что там для орбиты космического корабля расчёт был проведён и, поэтому, там результат получился заниженным.
  Высота противовеса (длина троса) должна быть равна высоте геостационарной  орбите (h=35786 м. - см. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator) - орбите на которой частота вращения противовеса будет такой же, как и частота вращения Земли (и, поэтому, трос будет всё время находиться в одной точке над поверхностью Земли).
  Ну давайте рассчитаем натяжение троса в самой верхней точке (для простоты, положим, что он имеет одинаковую толщину)  На единицу длины dl троса, на единицу площади троса действует сила в соответствии со всемирным законом тяготения Ньютона: G*M*ro*dl/r^2, где G =6,67430(15)•10−11 м³/(кг•с²) - гравитационная постоянная, M=5,972e24  кг.- масса Земли, r - расстояние от центра Земли до точки троса, ro =2 250 м3/кг- плотность троса (взята плотность графита, как это полагается в Википедии в статье по космическому лифту).
  Суммарная сила, действующая на верхнюю точку троса, на единицу его площади, получается интегрированием этой величины от r=R до r=R+h, где R=6371000 м - радиус Земли. Определённый интеграл от этой величины даёт для натяжения троса G*M*ro/2*{1/R+1/(R+h)}.  Подстановка значений даёт 140,4 ГПа. Прилично. Но это не учитывает то, что чем ниже тем трос можно сделать меньшей толщины.  Если бы сила тяжести падала с высотой линейно, то линейно с высотой должна бы была расти и толщина троса от ноля снизу до максимума сверху. Это означает, что тогда бы вычисленную силу натяжения нужно поделить на 2 и тогда получается 70,2 ГПа. Но сила тяжести падает с высотой быстрее, чем линейно. Поэтому учёт этого ещё больше уменьшит последнюю величину. Наверняка, не на один десяток процентов (но это - сложный расчёт). Наверняка будет не больше 60 ГПа (что меньше предельно возможного натяжения нанотрубок 300 ГПа в 5 раз - очень прилично).
  100 ГПа, приводимые в Википедии - все эти нюансы уже учитывает и учитывает сопротивление воздуху поднимающегося груза и запас на прочность (весом груза можно пренебречь, если он много меньше веса каната - 8500 тонн по https://habr.com/ru/post/412157/).

[Метвед]

Нет, длина троса должна быть значительно больше чем расстояние от поверхности Земли до ГСО. Трос должен быть растянут подобно праще, то есть, та его часть какая дальше ГСО должна двигаться с большой сверхорбитальной скоростью.  Всё там давно посчитано, и не на уровне школьных формул из педивикии...надо просто найти.  Однако,  в любом, абсолютно любом варианте расчёта конструкция получается нереализуемой в принципе, даже при наличии на складе 100 000 км троса с прочностью  300 ГПа.
Причины - динамическая неустойчивость (на эту верёвочку будут действовать переменные силы огромной величины приложенные к ней сложным образом), ну и дислокации само собой (идеальный, строго упорядоченный, бездефектный материал под действием космических лучей и микрометеоритов очень быстро перестанет быть таковым, со всеми вытекающими).

[Метвед]

Освоение космоса со временем (если люди не вымрут как мамонты и не эволюционируют обратно в настоящие звери) состоится, но совершенно точно не теми архаичными технологиями какие доступны нам.  Тащить в космос земное мясо кишки и слизь бессмысленно,  материальный носитель разума и сознания нужен куда более стойкий к неблагоприятным факторам космоса.   А это дело по любому не близкого будущего.

[Alexeyy]

Нет, длина троса должна быть значительно больше чем расстояние от поверхности Земли до ГСО. Трос должен быть растянут подобно праще, то есть, та его часть какая дальше ГСО должна двигаться с большой сверхорбитальной скоростью.  Всё там давно посчитано, и не на уровне школьных формул из педивикии...надо просто найти. 

Вы сами себе противоречите: с теоретическими рассчётами - не знакомы, но утверждаете, что космический лифт невозможен даже теоретически; и при этом ещё утверждаете, что это понять - всё равно, что "два плюс два", но при этом утверждаете, по сути, прямо противоположное (с чем согласен) - что школьные расчёты - не годятся (т.е. не "два плюс два").

[Метвед]

.............
Вы сами себе противоречите: с теоретическими рассчётами - не знакомы, но утверждаете, что космический лифт невозможен даже теоретически; и при этом ещё утверждаете, что это понять - всё равно, что "два плюс два", но при этом утверждаете, по сути, прямо противоположное (с чем согласен) - что школьные расчёты - не годятся (т.е. не "два плюс два").

Да почему не знаком.   Это же не квантЫ.  Классическая физика,  ничего более.  Но школьные расчёты действительно не годятся.  Физфак универа, 2 курс. И не раздолбай-троешник само собой.  Добротный материал для курсовой.
...........
Самая эпичная часть расчёта, это  обрыв (в произвольном месте).  Вы представляете хотя бы примерно какова плотность упругой энергии в этой верёвочке?  Как она будет переходить в другие формы энергии  когда верёвочка оборвётся?   

[Alexeyy]

Прилично, конечно. Для теоретического расчёта оптимальных параметров не нужно вычислять как она будет переходить в другие формы при обрыве: для того он и нужен, чтобы не переходила.

.............
Вы сами себе противоречите: с теоретическими рассчётами - не знакомы...

Да почему не знаком.  ..

Потому, что Вы почти прямо сами об этом сказали (сообщение 52: "...надо просто найти") и потому, что не можете привести (найти) ни одной ссылки на источник (или хотя бы на его комментарий; в котором бы была доказана теоретическая невозможность космического лифта). Кроме того, это видно из диалога: в нём видно, что не оперируете расчётными данными из источника и даже не понимали, что приводимые в Википедии цифры по предельному напряжению - это с запасом на прочность.
  Кстати, выше привёл формулу для критического, стационарного натяжения с опечаткой: забил минус между членами (и где-то ещё ляпнул при вычислении).  По ней получается, что при высоте даже в h=100 000 000 м. это критическое напряжение (G*M*ro/2*(1/R-1/(R+h)) - без учёта веса, скорости груза и запаса на прочность) должно быть равно не больше 66,1 ГПа. А для геостационарной орбиты (h=35 786 000 м.) оно чуть меньше - 59,7 ГПа. Напомню, что это расчитано без учёта того, что требуемая толщина троса с высотой расёт медленнее, чем линейно. А она расёт медленнее (т.к. гравитация падает с высотой - не линейно) и, поэтому более точный расчёт даст более низкое значение. Наверняка, не больше 50 ГПа.

[АrefievPV]

Интересно, а эти проекты учитывают работы по выведению на геостационарную орбиту всего необходимого объёма и массы троса для космического лифта?

Он (трос) сколько будет весить и какой объём занимать?

По частям будут трос выводить на орбиту, а потом на орбите сращивать?

Где будут временно храниться куски троса?

Кто и как будет проводить работы по сращивания, а затем и по опусканию одного конца троса на поверхность нашей планеты?

Сколько всего потребуется человеко-часов, энергии и пр. для проведения таких работ?

Как защищать будут трос от микроповреждений космическими лучами и от механических повреждений при монтажных работах?

Вес этой защиты учитывается?

Вес вспомогательного монтажного оборудования, жилых модулей и т.д. учитывается в проекте?

Кто-нибудь реально пытался рассчитать стоимость всего этого в деньгах?

Кто будет платить?

Кто будет оплачивать чудовищное количество ракетных пусков и где брать ресурсы на эти пуски?

Кто будет кормить чёртову прорву учёных, инженеров и рабочих, обеспечивающих реализацию такого проекта?

Окупится ли когда-нибудь этот проект экономически?

И это только маленькая толика вопросов, которые мне пришли в голову буквально за пару минут. А если хорошо подумать (часика два, хотя бы), то этих вопросов будет вагон и маленькая тележка...

[Alexeyy]

По https://habr.com/ru/post/412157/) вес каната - 8500 тонн. У "Сатун 5" максимальнвая полезная нагрузка была = 141 тонн (https://ru.wikipedia.org/wiki/Falcon_Heavy). Тогда число полётов - 8500/141 = 60,3 штук. Отправка по космическому лифту стоит дешевле, примерно, во столько же раз (чем нынешними ракетами). Но, думаю, будут отправлять не ракетами, а типа электромагнитными пушками - гораздо быстрее и дешевле (в раза 3 в варианте кольцевого ускорителя: https://topwar.ru/189013-proekt-spinlaunch-na-centrobezhnoj-sile-v-kosmos.html).
  "Стоимость проекта оценивают в $10 млрд [1], при этом доставка грузов подешевеет с $3500 до $25 за 0,45 кг" (https://trends.rbc.ru/trends/innovation/5e01fe9c9a7947eb22a0e083).

[Метвед]

Прилично, конечно. Для теоретического расчёта оптимальных параметров  для того он и нужен, чтобы не переходила.
.............

Таки надо.  Расчёт космического лифта подразумевает его оптимизацию по ряду параметров, в том числе и в случаях когда "что-то пошло не так". Вам приходилось видеть эпичные последствия обрыва обыкновенного, "земного" буксирного троса? 
https://www.youtube.com/watch?v=maKpIAjTgG8
.........
Я почему говорю что надо сначала найти а не считать с нуля...потому что вопрос изучался давно, людями не понаслышке знакомыми с матфизикой в объёме университетского курса физфака.  И чтобы не изобретать велосипеды и не наступать на грабли крайне желательно хотя бы ознакомиться...