Ascensor espacial

Un ascensor espacial es un tipo propuesto de sistema de transporte del planeta al espacio. [1] El componente principal sería un cable (también llamado atadura ) anclado a la superficie y que se extiende hacia el espacio. El diseño permitiría a los vehículos viajar a lo largo del cable desde una superficie planetaria, como la de la Tierra, directamente a la órbita, sin el uso de grandes cohetes . Un ascensor espacial con base en la Tierra consistiría en un cable con un extremo unido a la superficie cerca del ecuador y el otro extremo en el espacio más allá de la órbita geoestacionaria.(35.786 km de altitud). Las fuerzas en competencia de la gravedad, que es más fuerte en el extremo inferior, y la fuerza centrífuga hacia afuera / hacia arriba, que es más fuerte en el extremo superior, darían como resultado que el cable se sostenga, esté bajo tensión y estacionario en una sola posición en la Tierra. . Con la atadura desplegada, los escaladores podían subir repetidamente la atadura al espacio por medios mecánicos, liberando su carga a la órbita. Los escaladores también podrían descender la correa para devolver la carga a la superficie desde la órbita. [2]

Diagrama de un ascensor espacial. En la parte inferior del diagrama alto está la Tierra vista desde lo alto del Polo Norte. Aproximadamente a seis radios terrestres por encima de la Tierra, se dibuja un arco con el mismo centro que la Tierra. El arco representa el nivel de órbita geosincrónica. Aproximadamente el doble de alto que el arco y directamente sobre el centro de la Tierra, un contrapeso está representado por un pequeño cuadrado. Una línea que representa el cable del ascensor espacial conecta el contrapeso con el ecuador directamente debajo de él. El centro de masa del sistema se describe por encima del nivel de la órbita geosincrónica. Se muestra aproximadamente que el centro de masa está aproximadamente a un cuarto del camino desde el arco geosincrónico hasta el contrapeso. La parte inferior del cable está indicada para anclarse en el ecuador. Un escalador está representado por un pequeño cuadrado redondeado. Se muestra al escalador trepando por el cable aproximadamente un tercio del camino desde el suelo hasta el arco. Otra nota indica que el cable gira junto con la rotación diaria de la Tierra y permanece vertical.
Un ascensor espacial se concibe como un cable fijado al ecuador y que llega al espacio. Un contrapeso en el extremo superior mantiene el centro de masa muy por encima del nivel de la órbita geoestacionaria. Esto produce suficiente fuerza centrífuga hacia arriba de la rotación de la Tierra para contrarrestar completamente la gravedad hacia abajo, manteniendo el cable en posición vertical y tenso. Los escaladores llevan carga arriba y abajo del cable.
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Elevador espacial en movimiento girando con la Tierra, visto desde arriba del Polo Norte. Se muestra un satélite en vuelo libre (punto verde) en órbita geoestacionaria ligeramente detrás del cable.

El concepto de una torre que alcanza una órbita geosincrónica fue publicado por primera vez en 1895 por Konstantin Tsiolkovsky . [3] Su propuesta era una torre independiente que se extendiera desde la superficie de la Tierra hasta la altura de la órbita geoestacionaria. Como todos los edificios, la estructura de Tsiolkovsky estaría bajo compresión , soportando su peso desde abajo. Desde 1959, la mayoría de las ideas para ascensores espaciales se han centrado en estructuras puramente extensibles , con el peso del sistema sostenido desde arriba por fuerzas centrífugas. En los conceptos de tracción, una atadura espacial se extiende desde una gran masa (el contrapeso) más allá de la órbita geoestacionaria hasta el suelo. Esta estructura se mantiene en tensión entre la Tierra y el contrapeso como una plomada invertida . El grosor del cable se ajusta en función de la tensión, tiene su máximo en una órbita geoestacionaria y el mínimo en el suelo.

Los materiales disponibles no son lo suficientemente fuertes para que un ascensor espacial sea práctico. [4] [5] [6] Algunas fuentes han especulado que los avances futuros en nanotubos de carbono (CNT) podrían conducir a un diseño práctico. [2] [7] [8] Otras fuentes han concluido que los CNT nunca serán lo suficientemente fuertes. [9] [10] [11] Posibles alternativas futuras incluyen nanotubos de nitruro de boro y nanohilos de diamante . [12] [13]

El concepto es aplicable a otros planetas y cuerpos celestes . Para ubicaciones en el sistema solar con una gravedad más débil que la de la Tierra (como la Luna o Marte ), los requisitos de resistencia a densidad para los materiales de sujeción no son tan problemáticos. Los materiales actualmente disponibles (como el Kevlar ) son lo suficientemente fuertes y livianos como para ser prácticos como material de sujeción para ascensores allí. [14]

Conceptos tempranos

Konstantin Tsiolkovsky

El concepto clave del ascensor espacial apareció en 1895 cuando el científico ruso Konstantin Tsiolkovsky se inspiró en la Torre Eiffel de París . Consideró una torre similar que llegaba hasta el espacio y se construyó desde el suelo hasta una altitud de 35.786 kilómetros, la altura de la órbita geoestacionaria . [15] Observó que la parte superior de dicha torre estaría dando vueltas a la Tierra como en una órbita geoestacionaria. Los objetos adquirirían velocidad horizontal debido a la rotación de la Tierra mientras subían por la torre, y un objeto liberado en la parte superior de la torre tendría suficiente velocidad horizontal para permanecer allí en órbita geoestacionaria. La torre conceptual de Tsiolkovsky era una estructura de compresión, mientras que los conceptos modernos exigen una estructura de tracción (o "atadura").

siglo 20

Construir una estructura de compresión desde cero demostró ser una tarea poco realista, ya que no existía ningún material con suficiente resistencia a la compresión para soportar su propio peso en tales condiciones. [16] En 1959, el ingeniero ruso Yuri N. Artsutanov sugirió una propuesta más factible. Artsutanov sugirió usar un satélite geoestacionario como base desde la cual desplegar la estructura hacia abajo. Mediante el uso de un contrapeso , se bajaría un cable desde la órbita geoestacionaria hasta la superficie de la Tierra, mientras que el contrapeso se extendía desde el satélite lejos de la Tierra, manteniendo el cable constantemente sobre el mismo punto de la superficie de la Tierra. La idea de Artsutanov fue presentada al público de habla rusa en una entrevista publicada en el suplemento dominical de Komsomolskaya Pravda en 1960, [17] pero no estuvo disponible en inglés hasta mucho después. También propuso reducir el grosor del cable para que la tensión en el cable permanezca constante. Esto dio como resultado un cable más delgado a nivel del suelo que se volvió más grueso al nivel de la órbita geoestacionaria.

Tanto las ideas de la torre como del cable se propusieron en la columna casi humorística de Ariadne de David EH Jones en New Scientist , el 24 de diciembre de 1964.

En 1966, Isaacs, Vine, Bradner y Bachus, cuatro ingenieros estadounidenses , reinventaron el concepto, llamándolo "Sky-Hook", y publicaron su análisis en la revista Science . [18] Decidieron determinar qué tipo de material se requeriría para construir un elevador espacial, asumiendo que sería un cable recto sin variaciones en su área de sección transversal, y encontraron que la resistencia requerida sería el doble que la de cualquier otro ... material existente que incluye grafito , cuarzo y diamante .

En 1975, un científico estadounidense, Jerome Pearson , reinventó el concepto, publicando su análisis en la revista Acta Astronautica . Él diseñó [19] un perfil de altitud de área de sección transversal que se estrechaba y sería más adecuado para construir el ascensor. El cable terminado sería más grueso en la órbita geoestacionaria, donde la tensión era mayor, y sería más estrecho en las puntas para reducir la cantidad de peso por unidad de área de sección transversal que cualquier punto del cable tendría que soportar. Sugirió usar un contrapeso que se extendería lentamente a 144.000 kilómetros (89.000 millas) (casi la mitad de la distancia a la Luna ) a medida que se construyera la sección inferior del ascensor. Sin un gran contrapeso, la parte superior del cable tendría que ser más larga que la inferior debido a la forma en que las fuerzas gravitacionales y centrífugas cambian con la distancia a la Tierra. Su análisis incluyó perturbaciones como la gravitación de la Luna, el viento y el movimiento de cargas útiles arriba y abajo del cable. El peso del material necesario para construir el ascensor habría requerido miles de viajes del transbordador espacial , aunque parte del material podría transportarse por el ascensor cuando una hebra de resistencia mínima alcanzara el suelo o fabricarse en el espacio a partir de un asteroide o mineral lunar .

Después del desarrollo de los nanotubos de carbono en la década de 1990, el ingeniero David Smitherman de la Oficina de Proyectos Avanzados de la NASA / Marshall se dio cuenta de que la alta resistencia de estos materiales podría hacer factible el concepto de un ascensor espacial, y organizó un taller en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales . invitando a muchos científicos e ingenieros a discutir conceptos y compilar planes para un ascensor para convertir el concepto en realidad.

En 2000, otro científico estadounidense, Bradley C. Edwards , sugirió crear una cinta delgada de papel de 100.000 km (62.000 millas) de largo utilizando un material compuesto de nanotubos de carbono. [20] Eligió la forma de sección transversal en forma de cinta ancha y delgada en lugar de los conceptos anteriores de sección transversal circular porque esa forma tendría una mayor probabilidad de sobrevivir a los impactos de meteoroides. La forma de la sección transversal de la cinta también proporcionó una gran superficie para que los escaladores treparan con rodillos simples. Con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA , el trabajo de Edwards se amplió para cubrir el escenario de despliegue, el diseño del escalador, el sistema de suministro de energía, la evitación de desechos orbitales , el sistema de anclaje, la supervivencia del oxígeno atómico , la evitación de rayos y huracanes al ubicar el ancla en el ecuador occidental Pacífico, costos de construcción, cronograma de construcción y peligros ambientales. [2] [7] [21]

Siglo 21

Para acelerar el desarrollo de los ascensores espaciales, los proponentes han organizado varios concursos , similares al Premio Ansari X , para tecnologías relevantes. [22] [23] Entre ellos se encuentran Elevator: 2010 , que organizó competencias anuales para escaladores, cintas y sistemas de transmisión de energía de 2005 a 2009, la competencia Robogames Space Elevator Ribbon Climbing, [24] así como el programa Centennial Challenges de la NASA, que, en marzo de 2005, anunció una asociación con la Spaceward Foundation (el operador de Elevator: 2010), elevando el valor total de los premios a US $ 400.000. [25] [26] El primer European Space Elevator Challenge (EuSEC) para establecer una estructura trepadora tuvo lugar en agosto de 2011. [27]

En 2005, "el Grupo LiftPort de empresas de ascensores espaciales anunció que construirá una planta de fabricación de nanotubos de carbono en Millville, Nueva Jersey , para suministrar estos materiales resistentes a varias empresas de vidrio, plástico y metal. Aunque LiftPort espera utilizar eventualmente nanotubos de carbono en la construcción de un ascensor espacial de 100.000 km (62.000 millas), esta medida le permitirá ganar dinero a corto plazo y realizar investigación y desarrollo de nuevos métodos de producción ". [8] Su objetivo anunciado era el lanzamiento de un ascensor espacial en 2010. El 13 de febrero de 2006, el Grupo LiftPort anunció que, a principios del mismo mes, habían probado una milla de "correa de ascensor espacial" hecha de cuerdas compuestas de fibra de carbono y cinta de fibra de vidrio de 5 cm (2,0 pulgadas) de ancho y 1 mm (aproximadamente 13 hojas de papel) de grosor, levantada con globos. [28] En abril de 2019, el director ejecutivo de Liftport, Michael Laine, admitió que se ha avanzado poco en las ambiciones de elevadores espaciales de la compañía, incluso después de recibir más de $ 200,000 en fondos iniciales. La instalación de fabricación de nanotubos de carbono que Liftport anunció en 2005 nunca se construyó. [29]

En 2006, el Dr. Brad Edwards y Philip Ragan publicaron el libro "Leaving the Planet by Space Elevator", que contiene una revisión exhaustiva de la historia, los desafíos de construcción y los planes de implementación de los futuros ascensores espaciales, incluidos los ascensores espaciales en la Luna y Marte.

En 2007, Elevator: 2010 celebró los juegos de 2007 Space Elevator, que incluyeron premios de 500.000 dólares para cada una de las dos competiciones (un total de 1.000.000 de dólares), así como 4.000.000 de dólares adicionales que se otorgarán durante los próximos cinco años para tecnologías relacionadas con los ascensores espaciales. [30] Ningún equipo ganó la competencia, pero un equipo del MIT participó en la primera participación de 2 gramos (0.07 oz) y 100 por ciento de nanotubos de carbono en la competencia. [31] Japón celebró una conferencia internacional en noviembre de 2008 para establecer un calendario para la construcción del ascensor. [32]

En 2008, el libro Leaving the Planet de Space Elevator se publicó en japonés y entró en la lista de los más vendidos en Japón. [33] [34] Esto llevó a Shuichi Ono, presidente de la Asociación de Ascensores Espaciales de Japón, a revelar un plan de ascensor espacial, presentando lo que los observadores consideraron una estimación de costo extremadamente bajo de un billón de yenes (£ 5 mil millones / $ 8 mil millones) para construye uno. [32]

En 2012, Obayashi Corporation anunció que podría construir un ascensor espacial para 2050 utilizando tecnología de nanotubos de carbono. [35] El escalador de pasajeros del diseño podría alcanzar el nivel GEO después de un viaje de 8 días. [36] En 2016 se publicaron más detalles. [37]

En 2013, la Academia Internacional de Astronáutica publicó una evaluación de viabilidad tecnológica que concluyó que la mejora de la capacidad crítica necesaria era el material de sujeción, que se proyectaba para lograr la resistencia específica necesaria dentro de 20 años. El estudio de cuatro años examinó muchas facetas del desarrollo de ascensores espaciales, incluidas las misiones, los cronogramas de desarrollo, las inversiones financieras, el flujo de ingresos y los beneficios. Se informó que sería posible sobrevivir operacionalmente a impactos más pequeños y evitar impactos más grandes, con meteoros y desechos espaciales, y que el costo estimado de elevar un kilogramo de carga útil a GEO y más allá sería de $ 500. [38] [39] [ fuente autoeditada? ]

En 2014, el equipo de I + D de evaluación rápida de Google X comenzó el diseño de un elevador espacial y finalmente descubrió que nadie había fabricado todavía una hebra de nanotubos de carbono perfectamente formada de más de un metro. Por lo tanto, decidieron poner el proyecto en "congelación profunda" y también estar al tanto de los avances en el campo de los nanotubos de carbono. [40]

En 2018, investigadores de la Universidad de Shizuoka de Japón lanzaron STARS-Me, dos CubeSats conectados por una correa, en los que viajará un mini ascensor. [41] [42] El experimento se lanzó como un banco de pruebas para una estructura más grande. [43]

En 2019, la Academia Internacional de Astronáutica publicó "Road to the Space Elevator Era", [44] un informe de estudio que resume la evaluación del ascensor espacial en el verano de 2018. La esencia es que un amplio grupo de profesionales espaciales se reunió y evaluó el estado del desarrollo del ascensor espacial, cada uno aportando su experiencia y llegando a conclusiones similares: (a) Los ascensores espaciales terrestres parecen factibles, lo que refuerza la conclusión del estudio IAA 2013 (b) El inicio del desarrollo del ascensor espacial está más cerca de lo que la mayoría piensa. Esta última conclusión se basa en un proceso potencial para la fabricación de grafeno monocristalino a macroescala [45] con una resistencia específica más alta que los nanotubos de carbono .

En 1979, los ascensores espaciales se presentaron a un público más amplio con la publicación simultánea de la novela de Arthur C. Clarke , Las fuentes del paraíso , en la que los ingenieros construyen un ascensor espacial en la cima de una montaña en la isla ficticia de Taprobane. "(vagamente basado en Sri Lanka , aunque se trasladó al sur hacia el Ecuador), y la primera novela de Charles Sheffield , The Web Between the Worlds , que también presenta la construcción de un ascensor espacial. Tres años después, en la novela Friday de Robert A. Heinlein de 1982, el personaje principal menciona un desastre en el “Quito Sky Hook” y hace uso del “Nairobi Beanstalk” en el transcurso de sus viajes. En la novela de 1993 de Kim Stanley Robinson , Red Mars , los colonos construyen un ascensor espacial en Marte que permite que lleguen más colonos y también que los recursos naturales extraídos allí puedan partir hacia la Tierra. En la novela de 2000 de David Gerrold , Jumping Off The Planet , una excursión familiar por el "tallo de habas" de Ecuador es en realidad un secuestro por custodia de un niño. El libro de Gerrold también examina algunas de las aplicaciones industriales de una tecnología de ascensores madura. El concepto de un ascensor espacial, llamado Beanstalk , también se describe en la novela de 2005 de John Scalzi, Old Man's War . En una versión biológica, la novela de 2011 de Joan Slonczewski , The Highest Frontier, muestra a un estudiante universitario ascendiendo por un ascensor espacial construido con cables autocurativos de bacilos de ántrax. Las bacterias diseñadas pueden volver a hacer crecer los cables cuando son cortados por desechos espaciales. Analemma Tower es una variante habitable de un ascensor espacial, propuesto como el 'edificio más alto del mundo'.

Campo gravitacional aparente

Un cable de ascensor espacial de la Tierra gira junto con la rotación de la Tierra. Por lo tanto, el cable y los objetos conectados a él experimentarían una fuerza centrífuga ascendente en la dirección opuesta a la fuerza gravitacional descendente. Cuanto más alto en el cable está ubicado el objeto, menor es la atracción gravitacional de la Tierra y más fuerte es la fuerza centrífuga hacia arriba debido a la rotación, de modo que más fuerza centrífuga se opone a menos gravedad. La fuerza centrífuga y la gravedad se equilibran en la órbita ecuatorial geosincrónica (GEO). Por encima de GEO, la fuerza centrífuga es más fuerte que la gravedad, lo que hace que los objetos adheridos al cable allí tiren hacia arriba .

La fuerza neta de los objetos conectados al cable se denomina campo gravitacional aparente . El campo gravitacional aparente de los objetos adjuntos es la gravedad (hacia abajo) menos la fuerza centrífuga (hacia arriba). La gravedad aparente experimentada por un objeto en el cable es cero en GEO, hacia abajo por debajo de GEO y hacia arriba por encima de GEO.

El campo gravitacional aparente se puede representar de esta manera : Ref [46] Tabla 1

La fuerza descendente de la gravedad real disminuye con la altura: gramo r = - GRAMO METRO / r 2 {\ Displaystyle g_ {r} = - GM / r ^ {2}}
La fuerza centrífuga ascendente debida a la rotación del planeta aumenta con la altura: a = ω 2 r {\ Displaystyle a = \ omega ^ {2} r}
Juntos, el campo gravitacional aparente es la suma de los dos:

dónde

g es la aceleración de la gravedad aparente , apuntando hacia abajo (negativo) o hacia arriba (positivo) a lo largo del cable vertical (ms −2 ),
g r es la aceleración gravitacional debida al tirón de la Tierra, apuntando hacia abajo (negativo) (ms −2 ),
a es la aceleración centrífuga, apuntando hacia arriba (positivo) a lo largo del cable vertical (ms −2 ),
G es la constante gravitacional (m 3 s −2 kg −1 )
M es la masa de la Tierra (kg)
r es la distancia desde ese punto al centro de la Tierra (m),
ω es la velocidad de rotación de la Tierra (radianes / s).

En algún punto del cable, los dos términos (gravedad hacia abajo y fuerza centrífuga hacia arriba) son iguales y opuestos. Los objetos fijados al cable en ese punto no ponen peso sobre el cable. Esta altitud (r 1 ) depende de la masa del planeta y su velocidad de rotación. Al establecer la gravedad real igual a la aceleración centrífuga se obtiene :: Ref [46] página 126

Esto se encuentra a 35.786 km (22.236 millas) sobre la superficie de la Tierra, la altitud de la órbita geoestacionaria. : Ref [46] Tabla 1

En el cable debajo de la órbita geoestacionaria, la gravedad hacia abajo sería mayor que la fuerza centrífuga hacia arriba, por lo que la gravedad aparente tiraría de los objetos conectados al cable hacia abajo. Cualquier objeto liberado del cable por debajo de ese nivel inicialmente se aceleraría hacia abajo a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría del cable hacia el este. En el cable por encima del nivel de la órbita estacionaria, la fuerza centrífuga hacia arriba sería mayor que la gravedad hacia abajo, por lo que la gravedad aparente tiraría de los objetos conectados al cable hacia arriba . Cualquier objeto liberado por el cable por encima del nivel geosincrónico se aceleraría inicialmente hacia arriba a lo largo del cable. Luego, gradualmente, se desviaría del cable hacia el oeste.

Sección de cable

Históricamente, el principal problema técnico se ha considerado la capacidad del cable para sostener, con tensión, el peso de sí mismo por debajo de cualquier punto dado. La mayor tensión en un cable de ascensor espacial se encuentra en el punto de la órbita geoestacionaria, 35.786 km (22.236 millas) sobre el ecuador de la Tierra. Esto significa que el material del cable, combinado con su diseño, debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso desde la superficie hasta 35,786 km (22,236 mi). Un cable con un área de sección transversal más gruesa a esa altura que en la superficie podría soportar mejor su propio peso en una longitud más larga. La forma en que el área de la sección transversal se estrecha desde el máximo en 35.786 km (22.236 mi) hasta el mínimo en la superficie es, por lo tanto, un factor de diseño importante para un cable de ascensor espacial.

Para maximizar el exceso de resistencia utilizable para una cantidad determinada de material de cable, el área de la sección transversal del cable debería diseñarse en su mayor parte de tal manera que la tensión (es decir, la tensión por unidad de área de sección transversal) sea constante a lo largo de la longitud del cable. [46] [47] El criterio de tensión constante es un punto de partida en el diseño del área de la sección transversal del cable a medida que cambia con la altitud. Otros factores considerados en diseños más detallados incluyen el engrosamiento en altitudes donde hay más basura espacial, la consideración de las tensiones puntuales impuestas por los escaladores y el uso de materiales variados. [48] Para tener en cuenta estos y otros factores, los diseños detallados modernos buscan lograr el mayor margen de seguridad posible, con la menor variación posible en la altitud y el tiempo. [48] En diseños simples de punto de partida, eso equivale a tensión constante.

Para un cable de tensión constante sin margen de seguridad, el área de la sección transversal en función de la distancia desde el centro de la Tierra viene dada por la siguiente ecuación: [46]

Varios perfiles cónicos con diferentes parámetros de material.

dónde

g es la aceleración gravitacional en la superficie de la Tierra (m · s −2 ),
es el área de la sección transversal del cable en la superficie de la Tierra (m 2 ),
ρ es la densidad del material utilizado para el cable (kg · m −3 ),
R es el radio ecuatorial de la Tierra,
es el radio de la órbita geosincrónica,
T es la tensión que el área de la sección transversal puede soportar sin ceder (N · m −2 ), su límite elástico.

El margen de seguridad se puede tener en cuenta dividiendo T por el factor de seguridad deseado. [46]

Materiales de cable

Usando la fórmula anterior, podemos calcular la relación entre la sección transversal en la órbita geoestacionaria y la sección transversal en la superficie de la Tierra, conocida como relación cónica: [nota 1]

Relación cónica en función de la resistencia específica
Relación cónica para algunos materiales [46]
MaterialResistencia a la tracción
(MPa)		Densidad
(kg / m 3 )		Resistencia específica
(MPa) / (kg / m 3 )		Relación cónica
Acero5,00079000,631,6 × 10 33
Kevlar3.6001.4402.52,5 × 10 8
Nanotubos de carbono de pared simple130.00013001001,6

La relación de ahusamiento se vuelve muy grande a menos que la resistencia específica del material utilizado se acerque a 48 (MPa) / (kg / m 3 ). Los materiales de baja resistencia específica requieren relaciones de ahusamiento muy grandes que equivalen a una masa total grande (o astronómica) del cable con costos asociados grandes o imposibles.

Un concepto para el ascensor espacial lo tiene atado a una plataforma marítima móvil.

Hay una variedad de diseños de ascensores espaciales propuestos para muchos cuerpos planetarios. Casi todos los diseños incluyen una estación base, un cable, escaladores y un contrapeso. Para un elevador espacial terrestre, la rotación de la Tierra crea una fuerza centrífuga ascendente sobre el contrapeso. El cable sujeta el contrapeso mientras que el contrapeso sujeta y tensa el cable. La estación base ancla todo el sistema a la superficie de la Tierra. Los escaladores suben y bajan por el cable con carga.

Estación base

Los conceptos modernos para la estación base / ancla son típicamente estaciones móviles, grandes embarcaciones transoceánicas u otras plataformas móviles. Las estaciones base móviles tendrían la ventaja sobre los conceptos estacionarios anteriores (con anclas en tierra) al poder maniobrar para evitar vientos fuertes, tormentas y desechos espaciales . Los puntos de anclaje oceánicos también se encuentran típicamente en aguas internacionales , lo que simplifica y reduce el costo de negociar el uso del territorio para la estación base. [2]

Las plataformas terrestres estacionarias tendrían un acceso logístico a la base más simple y menos costoso. También tendrían la ventaja de poder estar a gran altura, como en la cima de las montañas. En un concepto alternativo, la estación base podría ser una torre, formando un ascensor espacial que comprende tanto una torre de compresión cerca de la superficie como una estructura de sujeción en altitudes más altas. [16] La combinación de una estructura de compresión con una estructura de tensión reduciría las cargas de la atmósfera en el extremo terrestre de la correa y reduciría la distancia al campo de gravedad de la Tierra que el cable necesita extenderse y, por lo tanto, reduciría la resistencia crítica a la densidad. requisitos para el material del cable, siendo iguales todos los demás factores de diseño.

Cable

Los nanotubos de carbono son uno de los candidatos para un material de cable [35]
Una estación de anclaje marítimo también actuaría como puerto marítimo de aguas profundas .

Un cable de ascensor espacial tendría que soportar su propio peso, así como el peso adicional de los escaladores. La resistencia requerida del cable variaría a lo largo de su longitud. Esto se debe a que en varios puntos tendría que soportar el peso del cable por debajo o proporcionar una fuerza hacia abajo para retener el cable y el contrapeso por encima. La tensión máxima en un cable de ascensor espacial estaría a una altitud geosincrónica, por lo que el cable tendría que ser más grueso allí y estrecharlo a medida que se acerca a la Tierra. Cualquier diseño de cable potencial puede caracterizarse por el factor de ahusamiento, la relación entre el radio del cable a una altitud geosincrónica y en la superficie de la Tierra. [49]

El cable debería estar hecho de un material con una alta relación resistencia a la tracción / densidad . Por ejemplo, el diseño del ascensor espacial de Edwards asume un material de cable con una resistencia a la tracción de al menos 100 gigapascales . [2] Dado que Edwards asumió sistemáticamente que la densidad de su cable de nanotubos de carbono era de 1300 kg / m 3 , [20] eso implica una resistencia específica de 77 megapascal / (kg / m 3 ). Este valor tiene en cuenta todo el peso del ascensor espacial. Un cable de ascensor espacial sin afilar necesitaría un material capaz de sostener una longitud de 4.960 kilómetros (3.080 millas) de su propio peso al nivel del mar para alcanzar una altitud geoestacionaria de 35.786 km (22.236 millas) sin ceder. [50] Por lo tanto, se necesita un material con muy alta resistencia y ligereza.

A modo de comparación, los metales como el titanio, el acero o las aleaciones de aluminio tienen longitudes de rotura de sólo 20 a 30 km (0,2 a 0,3 MPa / (kg / m 3 )). Los materiales de fibra modernos como el kevlar , la fibra de vidrio y la fibra de carbono / grafito tienen longitudes de rotura de 100 a 400 km (1,0 a 4,0 MPa / (kg / m 3 )). Se espera que los materiales de nanoingeniería como los nanotubos de carbono y, más recientemente descubiertos, las cintas de grafeno (láminas de carbono bidimensionales perfectas) tengan longitudes de rotura de 5000 a 6000 km (50 a 60 MPa / (kg / m 3 )), y también son capaces de conducir energía eléctrica. [ cita requerida ]

Para un ascensor espacial en la Tierra, con su gravedad comparativamente alta, el material del cable tendría que ser más fuerte y más ligero que los materiales actualmente disponibles. [51] Por esta razón, se ha centrado la atención en el desarrollo de nuevos materiales que cumplan con los exigentes requisitos de resistencia específicos. Para una alta resistencia específica, el carbono tiene ventajas porque es solo el sexto elemento de la tabla periódica . El carbono tiene comparativamente pocos de los protones y neutrones que contribuyen con la mayor parte del peso muerto de cualquier material. La mayoría de las fuerzas de enlace interatómicas de cualquier elemento son contribuidas solo por los pocos electrones externos . Para el carbono, la fuerza y ​​estabilidad de esos enlaces es alta en comparación con la masa del átomo. El desafío en el uso de nanotubos de carbono sigue siendo extender a tamaños macroscópicos la producción de dicho material que aún es perfecto en la escala microscópica (ya que los defectos microscópicos son los principales responsables de la debilidad del material). [51] [52] [53] A partir de 2014, la tecnología de nanotubos de carbono permitió cultivar tubos de hasta unas pocas décimas de metros. [54]

En 2014, se sintetizaron por primera vez nanohilos de diamantes . [12] Dado que tienen propiedades de resistencia similares a los nanotubos de carbono, los nanohilos de diamante también se vieron rápidamente como material de cable candidato. [13]

Escaladores

Un dibujo conceptual de un escalador de ascensor espacial que asciende a través de las nubes.

Un elevador espacial no puede ser un elevador en el sentido típico (con cables móviles) debido a la necesidad de que el cable sea significativamente más ancho en el centro que en las puntas. Aunque se han propuesto varios diseños que emplean cables móviles, la mayoría de los diseños de cables requieren que el "ascensor" suba por un cable fijo.

Los escaladores cubren una amplia gama de diseños. En los diseños de ascensores cuyos cables son cintas planas, la mayoría propone utilizar pares de rodillos para sujetar el cable con fricción.

Los escaladores necesitarían estar marcados en tiempos óptimos para minimizar la tensión y las oscilaciones del cable y maximizar el rendimiento. Se podrían enviar escaladores más ligeros con más frecuencia, y varios al mismo tiempo. Esto aumentaría un poco el rendimiento, pero reduciría la masa de cada carga útil individual. [55]

A medida que el automóvil sube, el cable se inclina ligeramente debido a la fuerza de Coriolis. La parte superior del cable viaja más rápido que la parte inferior. El escalador se acelera horizontalmente a medida que asciende por la fuerza de Coriolis que es impartida por los ángulos del cable. El ángulo de inclinación que se muestra es exagerado.

La velocidad horizontal, es decir, debido a la rotación orbital, de cada parte del cable aumenta con la altitud, proporcionalmente a la distancia desde el centro de la Tierra, alcanzando una velocidad orbital baja en un punto de aproximadamente el 66 por ciento de la altura entre la superficie y la órbita geoestacionaria. o una altura de unos 23.400 km. Una carga útil liberada en este punto entraría en una órbita elíptica altamente excéntrica, manteniéndose apenas despejada de la reentrada atmosférica, con la periapsis a la misma altitud que LEO y la apoapsis a la altura de liberación. Al aumentar la altura de liberación, la órbita se volvería menos excéntrica a medida que aumentaran tanto la periapsis como la apoapsis, volviéndose circular a nivel geoestacionario. [56] [57] Cuando la carga útil ha alcanzado GEO, la velocidad horizontal es exactamente la velocidad de una órbita circular en ese nivel, de modo que si se libera, permanecería adyacente a ese punto del cable. La carga útil también puede seguir subiendo por el cable más allá de GEO, lo que le permite obtener una mayor velocidad en el lanzamiento. Si se libera desde 100.000 km, la carga útil tendría suficiente velocidad para alcanzar el cinturón de asteroides. [48]

A medida que se eleva una carga útil en un ascensor espacial, ganaría no solo altitud, sino también velocidad horizontal (momento angular). El momento angular se toma de la rotación de la Tierra. A medida que el escalador asciende, inicialmente se mueve más lento que cada parte sucesiva del cable hacia la que se mueve. Esta es la fuerza de Coriolis : el escalador "arrastra" (hacia el oeste) el cable, a medida que sube, y disminuye ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra. El proceso opuesto ocurriría para las cargas útiles descendentes: el cable se inclina hacia el este, lo que aumenta ligeramente la velocidad de rotación de la Tierra.

El efecto general de la fuerza centrífuga que actúa sobre el cable haría que intentara constantemente regresar a la orientación vertical energéticamente favorable, por lo que después de que un objeto ha sido levantado sobre el cable, el contrapeso se balancea hacia la vertical, un poco como un péndulo. [55] Los ascensores espaciales y sus cargas se diseñarían de modo que el centro de masa esté siempre lo suficientemente por encima del nivel de la órbita geoestacionaria [58] para sostener todo el sistema. Las operaciones de elevación y descenso deberían planificarse cuidadosamente para mantener bajo control el movimiento pendular del contrapeso alrededor del punto de sujeción. [59]

La velocidad del escalador estaría limitada por la fuerza de Coriolis, la potencia disponible y por la necesidad de garantizar que la fuerza de aceleración del escalador no rompa el cable. Los escaladores también necesitarían mantener una velocidad promedio mínima para mover material hacia arriba y hacia abajo de manera económica y rápida. [ cita requerida ] A la velocidad de un coche o tren muy rápido de 300 km / h (190 mph), se necesitarán unos 5 días para ascender a la órbita geosincrónica. [60]

Impulsando a los escaladores

Tanto la potencia como la energía son problemas importantes para los escaladores: los escaladores necesitarían obtener una gran cantidad de energía potencial lo más rápido posible para liberar el cable para la siguiente carga útil.

Se han propuesto varios métodos para llevar esa energía al escalador:

  • Transfiera la energía al escalador a través de la transferencia de energía inalámbrica mientras asciende.
  • Transfiera la energía al escalador a través de alguna estructura material mientras asciende.
  • Almacenar la energía en el escalador antes de que comience; requiere una energía específica extremadamente alta , como la energía nuclear.
  • Energía solar: después de los primeros 40 km, es posible utilizar energía solar para alimentar al escalador [61]

La transferencia de energía inalámbrica, como la transmisión de energía láser, se considera actualmente el método más probable, utilizando láseres de estado sólido o de electrones libres de megavatios en combinación con espejos adaptativos de aproximadamente 10 m (33 pies) de ancho y una matriz fotovoltaica en el escalador sintonizado a la frecuencia del láser. para la eficiencia. [2] Para los diseños de trepadores impulsados ​​por transmisión de energía, esta eficiencia es un objetivo de diseño importante. La energía no utilizada tendría que volver a irradiarse con sistemas de disipación de calor, que aumentan el peso.

Yoshio Aoki, profesor de ingeniería de maquinaria de precisión en la Universidad de Nihon y director de la Asociación de Ascensores Espaciales de Japón, sugirió incluir un segundo cable y usar la conductividad de los nanotubos de carbono para proporcionar energía. [32]

Contrapeso

Ascensor espacial con estación espacial

Se han propuesto varias soluciones para actuar como contrapeso:

  • un asteroide pesado capturado ; [15] [62]
  • un muelle espacial , una estación espacial o un puerto espacial situado más allá de la órbita geoestacionaria
  • una extensión adicional hacia arriba del propio cable de modo que el tirón neto hacia arriba sea el mismo que el de un contrapeso equivalente;
  • trepadores gastados estacionados que se habían utilizado para espesar el cable durante la construcción, otros desperdicios y material levantaron el cable con el propósito de aumentar el contrapeso. [48]

Extender el cable tiene la ventaja de una cierta simplicidad de la tarea y el hecho de que una carga útil que llegara al final del cable de contrapeso adquiriría una velocidad considerable en relación con la Tierra, lo que permitiría lanzarla al espacio interplanetario. Su desventaja es la necesidad de producir mayores cantidades de material de cable en lugar de utilizar cualquier cosa disponible que tenga masa.

Lanzamiento al espacio profundo

Un objeto unido a un elevador espacial en un radio de aproximadamente 53,100 km estaría a velocidad de escape cuando sea liberado. Las órbitas de transferencia a los puntos lagrangianos L1 y L2 podrían lograrse mediante la liberación a 50.630 y 51.240 km, respectivamente, y la transferencia a la órbita lunar desde 50.960 km. [63]

Al final del cable de 144.000 km (89.000 mi) de Pearson, la velocidad tangencial es de 10,93 kilómetros por segundo (6,79 mi / s). Eso es más que suficiente para escapar del campo gravitacional de la Tierra y enviar sondas al menos hasta Júpiter . Una vez en Júpiter, una maniobra de asistencia gravitacional podría permitir alcanzar la velocidad de escape solar. [46]

Ascensores extraterrestres

También se podría construir un ascensor espacial en otros planetas, asteroides y lunas.

Una atadura marciana podría ser mucho más corta que una en la Tierra. La gravedad de la superficie de Marte es el 38 por ciento de la de la Tierra, mientras que gira alrededor de su eje aproximadamente al mismo tiempo que la Tierra. Debido a esto, la órbita estacionaria marciana está mucho más cerca de la superficie y, por lo tanto, el ascensor podría ser mucho más corto. Los materiales actuales ya son lo suficientemente resistentes para construir un ascensor de este tipo. [64] La construcción de un ascensor marciano sería complicada por la luna marciana Fobos , que se encuentra en una órbita baja y se cruza con el Ecuador con regularidad (dos veces en cada período orbital de 11 h 6 min). Phobos y Deimos pueden interponerse en el camino de un ascensor espacial geoestacionario, sin embargo, pueden contribuir con recursos útiles al proyecto. Se prevé que Phobos contenga grandes cantidades de carbono. Si los nanotubos de carbono se vuelven factibles para un material de sujeción, habrá una abundancia de carbono en la región local de Marte. Esto podría proporcionar recursos fácilmente disponibles para la futura colonización de Marte.

Phobos también podría ser un buen contrapeso para un ascensor espacial. Es lo suficientemente masivo como para que las fuerzas desequilibradas creadas por un ascensor espacial no afecten la órbita del planeta. Pero dado que Fobos no está en órbita geoestacionaria, la correa no podría anclarse al suelo. El final de la trama tendría que estar en la atmósfera exterior y pasaría por el mismo lugar dos veces al día marciano. [sesenta y cinco]

La Luna de la Tierra es una ubicación potencial para un elevador espacial lunar , especialmente porque la fuerza específica requerida para la atadura es lo suficientemente baja como para usar materiales actualmente disponibles. La Luna no gira lo suficientemente rápido como para que un ascensor sea apoyado por la fuerza centrífuga (la proximidad de la Tierra significa que no hay una órbita lunar-estacionaria efectiva), pero las fuerzas de gravedad diferencial significan que un ascensor podría construirse a través de puntos lagrangianos . Un elevador del lado cercano se extendería a través del punto L1 Tierra-Luna desde un punto de anclaje cerca del centro de la parte visible de la Luna de la Tierra: la longitud de tal elevador debe exceder la altitud máxima L1 de 59,548 km, y sería considerablemente más larga. para reducir la masa del contrapeso de ápice requerido. [66] Un elevador lunar del lado lejano pasaría a través del punto Lagrangiano L2 y necesitaría ser más largo que en el lado cercano: nuevamente, la longitud de la correa depende de la masa de anclaje del ápice elegida, pero también podría estar hecha de materiales de ingeniería. [66]

Los asteroides o lunas que giran rápidamente podrían usar cables para expulsar materiales a puntos convenientes, como las órbitas de la Tierra; [67] o viceversa, para expulsar materiales para enviar una parte de la masa del asteroide o la luna a la órbita terrestre o un punto lagrangiano . Freeman Dyson , físico y matemático, ha sugerido [ cita requerida ] el uso de sistemas más pequeños como generadores de energía en puntos distantes del Sol donde la energía solar no es económica.

Se podría construir un ascensor espacial utilizando materiales de ingeniería actualmente disponibles entre mundos mutuamente bloqueados por las mareas, como Plutón y Caronte o los componentes del asteroide binario 90 Antiope , sin desconexión terminal, según Francis Graham de la Universidad Estatal de Kent. [68] Sin embargo, se deben utilizar longitudes variables enrolladas de cable debido a la elipticidad de las órbitas.

La construcción de un ascensor espacial necesitaría reducir algunos riesgos técnicos. Se requieren algunos avances en ingeniería, fabricación y tecnología física. [2] Una vez que se construye un primer ascensor espacial, el segundo y todos los demás tendrían el uso de los anteriores para ayudar en la construcción, haciendo que sus costos sean considerablemente más bajos. Dichos ascensores espaciales subsiguientes también se beneficiarían de la gran reducción del riesgo técnico lograda por la construcción del primer ascensor espacial. [2]

Antes del trabajo de Edwards en 2000 [20], la mayoría de los conceptos para construir un ascensor espacial tenían el cable fabricado en el espacio. Se pensó que era necesario para un objeto tan grande y largo y para un contrapeso tan grande. La fabricación del cable en el espacio se haría en principio utilizando un asteroide o un objeto cercano a la Tierra como material de origen. [69] [70] Estos conceptos anteriores para la construcción requieren una gran infraestructura espacial preexistente para maniobrar un asteroide en su órbita necesaria alrededor de la Tierra. También requirieron el desarrollo de tecnologías para la fabricación en el espacio de grandes cantidades de materiales exigentes. [71]

Desde 2001, la mayor parte del trabajo se ha centrado en métodos de construcción más simples que requieren infraestructuras espaciales mucho más pequeñas. Conciben el lanzamiento de un cable largo en un carrete grande, seguido de su despliegue en el espacio. [2] [20] [71] El carrete estaría inicialmente estacionado en una órbita geoestacionaria sobre el punto de ancla planeado. Un cable largo se dejaría caer "hacia abajo" (hacia la Tierra) y se equilibraría con una masa que se dejaría caer "hacia arriba" (alejándose de la Tierra) para que todo el sistema permaneciera en la órbita geosincrónica. Los diseños anteriores imaginaban que la masa de equilibrio sería otro cable (con contrapeso) que se extendía hacia arriba, con el carrete principal permaneciendo en el nivel de la órbita geosincrónica original. La mayoría de los diseños actuales elevan el carrete a medida que se desenrolla el cable principal, un proceso más simple. Cuando el extremo inferior del cable sea lo suficientemente largo para llegar a la superficie de la Tierra (en el ecuador), estaría anclado. Una vez anclado, el centro de masa se elevaría más (agregando masa en el extremo superior o extendiendo más cable). Esto agregaría más tensión a todo el cable, que luego podría usarse como cable de ascensor.

Un plan de construcción utiliza cohetes convencionales para colocar un cable de semilla inicial de "tamaño mínimo" de sólo 19.800 kg. [2] Esta primera cinta muy pequeña sería adecuada para sostener al primer escalador de 619 kg. Los primeros 207 escaladores cargarían y conectarían más cable al original, aumentando su área de sección transversal y ensanchando la cinta inicial a aproximadamente 160 mm de ancho en su punto más ancho. El resultado sería un cable de 750 toneladas con una capacidad de elevación de 20 toneladas por escalador.

Problemas de seguridad y desafíos de la construcción

Para los primeros sistemas, los tiempos de tránsito desde la superficie hasta el nivel de la órbita geosincrónica serían de unos cinco días. En estos primeros sistemas, el tiempo dedicado a moverse a través de los cinturones de radiación de Van Allen sería suficiente para que los pasajeros tuvieran que protegerse de la radiación mediante blindaje, lo que agregaría masa al escalador y disminuiría la carga útil. [72]

Un ascensor espacial presentaría un peligro para la navegación, tanto para aviones como para naves espaciales. Las aeronaves podrían desviarse debido a las restricciones del control del tráfico aéreo . Todos los objetos en órbitas estables que tengan un perigeo por debajo de la altitud máxima del cable que no estén sincronizados con el cable eventualmente impactarán el cable, a menos que se tomen medidas para evitarlo. Una posible solución propuesta por Edwards es usar un ancla móvil (un ancla de mar) para permitir que la correa "esquive" cualquier basura espacial lo suficientemente grande como para rastrearla. [2]

Los impactos de objetos espaciales como meteoritos, micrometeoritos y desechos artificiales en órbita plantean otra limitación de diseño del cable. Se debería diseñar un cable para maniobrar fuera del camino de los escombros o absorber los impactos de los escombros pequeños sin romperse.

Ciencias económicas

Con un ascensor espacial, los materiales podrían enviarse a la órbita a una fracción del costo actual. En 2000, los diseños de cohetes convencionales costaban alrededor de 25.000 dólares EE.UU. por kilogramo (11.000 dólares EE.UU. por libra ) para su transferencia a la órbita geoestacionaria. [ cita requerida ] Las propuestas actuales de ascensores espaciales prevén precios de carga útil a partir de $ 220 por kilogramo ($ 100 por libra ), [73] similar a las estimaciones de $ 5- $ 300 / kg del ciclo Launch , pero superiores a los $ 310 / tonelada a 500 km de órbita citado [74] al Dr. Jerry Pournelle para un sistema de aeronave orbital.

Philip Ragan, coautor del libro Leaving the Planet by Space Elevator , afirma que "el primer país en desplegar un ascensor espacial tendrá una ventaja de costo del 95 por ciento y podría potencialmente controlar todas las actividades espaciales". [75]

El espacio Ascensor Consorcio Internacional (ISEC) es una de los Estados Unidos de lucro 501 (c) (3) Corporación [76] formada para promover el desarrollo, construcción y operación de un ascensor espacial como "una manera revolucionaria y eficiente de espacio para todos humanidad". [77] Se formó después de la Conferencia de Elevadores Espaciales en Redmond, Washington en julio de 2008 y se convirtió en una organización afiliada con la Sociedad Espacial Nacional [78] en agosto de 2013. [77] ISEC organiza una conferencia anual de Elevadores Espaciales en el Museo de Seattle de Vuelo . [79] [80] [81]

ISEC se coordina con las otras dos sociedades principales que se centran en los ascensores espaciales: la Asociación Japonesa de Ascensores Espaciales [82] y EuroSpaceward. [83] ISEC apoya simposios y presentaciones en la Academia Internacional de Astronáutica [84] y el Congreso de la Federación Astronáutica Internacional [85] cada año.

El concepto actual convencional de un "elevador espacial" ha evolucionado desde una estructura de compresión estática que llega al nivel de GEO, hasta la idea de línea de base moderna de una estructura de tracción estática anclada al suelo y que se extiende muy por encima del nivel de GEO. En el uso actual por parte de los profesionales (y en este artículo), un "ascensor espacial" significa el tipo Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson según lo considerado por el Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales. Este tipo convencional es una estructura estática fijada al suelo y que se extiende en el espacio lo suficientemente alto como para que la carga pueda subir por la estructura desde el suelo hasta un nivel donde una simple liberación pondrá la carga en órbita . [86]

Algunos conceptos relacionados con esta línea de base moderna no suelen denominarse "elevador espacial", pero son similares de alguna manera y, a veces, sus proponentes los denominan "elevador espacial". Por ejemplo, Hans Moravec publicó un artículo en 1977 llamado "Un Skyhook orbital no sincrónico " que describe un concepto utilizando un cable giratorio. [87] La velocidad de rotación coincidiría exactamente con la velocidad orbital de tal manera que la velocidad de la punta en el punto más bajo fuera cero en comparación con el objeto a ser "elevado". Lucharía dinámicamente y luego "elevaría" objetos de alto vuelo a la órbita u objetos de órbita baja a una órbita más alta.

El concepto original imaginado por Tsiolkovsky era una estructura de compresión, un concepto similar a un mástil aéreo . Si bien tales estructuras pueden llegar al espacio (100 km, 62 millas), es poco probable que alcancen la órbita geoestacionaria. Se ha sugerido el concepto de una torre Tsiolkovsky combinada con un cable de ascensor espacial clásico (que llega por encima del nivel de GEO). [16] Otras ideas utilizan torres de compresión muy altas para reducir las demandas de los vehículos de lanzamiento. [88] El vehículo se "eleva" por la torre, que puede extenderse tan alto como por encima de la atmósfera , y se lanza desde la parte superior. Varios investigadores han propuesto una torre tan alta para acceder a altitudes cercanas al espacio de 20 km (12 millas). [88] [89] [90]

Otros conceptos para el lanzamiento espacial sin cohetes relacionados con un elevador espacial (o partes de un elevador espacial) incluyen un anillo orbital , una torre espacial neumática, [91] una fuente espacial , un bucle de lanzamiento , un gancho celestial , un anclaje espacial y un flotante "SpaceShaft". [92]

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( Ayuda de audio  · Más artículos hablados )
  • The Economist: Waiting For The Space Elevator (8 de junio de 2006 - requiere suscripción)
  • CBC Radio Quirks and Quarks 3 de noviembre de 2001 Montando el elevador espacial
  • Times of London Online: Subiendo ... y el siguiente piso es el espacio exterior
  • El ascensor espacial: ¿'experimento mental' o clave del universo? . Por Sir Arthur C. Clarke. Discurso al XXX Congreso Internacional de Astronáutica, Munich, 20 de septiembre de 1979.