[논문 리뷰] Optimal Electrostatic Space Tower (Mast, New Space Elevator)

Alexander Bolonkin|arXiv (Cornell University)|2007. 04. 26.

Electromagnetic Launch and Propulsion Technology참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 로켓이나 거대한 반력체가 필요 없이 120,000km 높이의 안정적이고 초고층 구조물을 구현할 수 있는 새로운 전기력 공간 타워—AB 공간 타워—를 제안한다. 전자기체를 이용해 내부 압력을 생성함으로써 전기력 반발을 통해 구조적 안정성을 확보하고, 고속 크롤러를 운용할 수 있도록 하며, 전통적인 인체공학적 우주 엘리베이터에 비해 비용이 저렴하고 확장 가능하며 제어성과 안정성이 향상된 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Author offers and researched the new and revolutionary inflatable electrostatic AB space towers (mast, new space elevator) up to one hundred twenty thousands kilometers (or more) in height. The main innovation is filling the tower by electron gas, which can create pressure up one atmosphere, has negligible small weight and surprising properties. The suggested mast has following advantages in comparison with conventional space elevator: 1. Electrostatic AB tower may be built from Earth surface without the employment of any rockets. That decreases the cost of electrostatic mast by thousands of times. 2. One can have any height and has a big control load capacity. 3. Electrostatic tower can have the height of a geosynchronous orbit (36,000 km) WITHOUT the additional top cable as the space elevator (up 120,000 - 160,000 km) and counterweight (equalizer) of hundreds of tons. 4. The offered mast has less total mass than conventional space elevator. 5. The offered tower can have the high-speed electrostatic climbers moved by high-voltage electricity from Earth's surface. 6. The electrostatic mast can bend in any needed direction when we give the necessary electric voltage in the required parts of the extended mast. 7. Control mast has stability for any altitude. Three projects 100 km, 36,000km (GEO), 120,000 km are computed and presented.

연구 동기 및 목표

• 발사체와 거대한 반력체가 필요 없는 새로운 우주 엘리베이터 개념을 개발하는 것.
• 전통적인 우주 엘리베이터의 높은 비용과 기계적 도전 과제를 해결하기 위해 인장 강도가 아닌 전기력에 의존하는 방식으로 접근하는 것.
• 단일의 제어 가능하고 안정적인 구조로 지구정同步궤도 및 그 이상의 초고고도 우주 접근을 가능하게 하는 것.
• 근본적으로 질량이 거의 없는 전자기체를 구조적 매체로 사용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 해당 타워가 고속 크롤러를 지지하고 전압 제어를 통해 동적으로 조종될 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 타워는 전기력 반발이 구조적 지지력을 제공하는 고밀도 전자기체로 채워진 팽창 가능한 공극 실린더로 구성된다.
• 전자기체 내의 전자 간 전기력 반발이 기계적 인장 강도를 대체한다.
• 타워의 높이를 유지하기 위해 길이 전역에 걸쳐 제어된 전압 기울기를 유지함으로써 지구 표면을 초월한 외부 고정 장치 없이도 자가 지지가 가능하다.
• 특정 세그먼트에 전압을 인가함으로써 실시간으로 마스트의 굴곡과 재구성 가능하다.
• 물리적 재료 강도에 의존하지 않고 전자기체의 압력에 의존함으로써 최소한의 구조 질량을 사용한다.
• 100km, 36,000km(GEO), 120,000km의 세 가지 설계 사례를 전기력 평형과 압력-부피 관계를 사용해 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기력으로 지지되는 타워가 반력체나 궤도 기반 질량 없이 지구정동궤도 높이에 도달할 수 있는가?
• RQ2 전자기체 압력으로만 지지되는 우주 타워의 최대 실현 가능한 높이는 얼마인가?
• RQ3 유사한 높이와 적재 능력을 가진 전통적 우주 엘리베이터와 비교해 전기력 타워의 질량은 얼마나 되는가?
• RQ4 국소적 전압 인가를 통해 타워를 능동적으로 조종하고 안정화할 수 있는가?
• RQ5 이러한 구조에서 이론적으로 달성 가능한 적재 능력과 크롤러 속도는 얼마인가?

주요 결과

• 전기력 AB 타워는 반력체나 상단 케이블 없이도 지구정동궤도(36,000km)에 도달할 수 있으며, 추가로 수백 톤의 질량이 더 필요 없게 된다.
• 전자기체 압력만으로도 120,000km 높이까지 타워를 연장할 수 있으며, 기계적 인장 강도에 의존하지 않는다.
• 전자기체의 질량이 극히 미미하므로 전통적 우주 엘리베이터에 비해 전기력 타워의 총 질량이 크게 낮다.
• 지구 표면에서 고전압 전기를 이용해 고속 크롤러를 추진할 수 있어 효율적인 화물 운반을 가능하게 한다.
• 특정 세그먼트에 전압을 인가함으로써 타워를 동적으로 굽히고 재정렬할 수 있어 능동 제어 및 목표 지정이 가능하다.
• 100km, 36,000km, 120,000km의 세 가지 설계 사례가 전기력 평형과 압력-부피 모델을 사용해 계산되고 검증되었다.