Поездка на космическом лифте, наверное, будет напоминать полёт на монгольфьере - без рёва дюз, без шлейфа яростного пламени. Плавно уходит вниз Земля. Меньше становятся дома, дороги превращаются в едва заметные нити, истончаются серебристые ленты рек. Наконец, нижний суетный мир скрывается в облаках и открывается мир верхний, заоблачный. Пройдена атмосфера, за стеклом - космическая чернота. А кабина скользит выше и выше по тросу, невидимому на синезелёном фоне планеты и уходящему в бездонную пустоту.
Ещё Циолковский описывал конструкцию, которая могла бы связать орбиту с поверхностью Земли. В начале 1960-х годов идею развил Юрий Арцутанов, а Артур Кларк использовал её в романе «Фонтаны рая». «Мир фантастики» возвращается к теме космического лифта и пробует представить, как он должен работать и что для этого нужно.
Геостационарная орбита
Возможно ли, чтобы спутник неподвижно замер над головой наблюдателя? Будь Земля неподвижной, как в птолемеевской системе мира, ответ был бы «нет» - ведь без центробежной силы спутник не удержится на орбите. Но, как мы знаем, и сам наблюдатель не неподвижен, а вращается вместе с планетой. Если период обращения спутника будет равняться сидерическим суткам (23 часа 56 минут 4 секунды), а его орбита окажется в плоскости экватора, аппарат зависнет над так называемой «точкой стояния».
Орбита, на которой спутник неподвижен относительно точки стояния, называется геостационарной. И для освоения космоса она чрезвычайно важна. Именно на ней находится большинство спутников связи, а связь - основное направление коммерческого использования космоса. Передачи через висящий над экватором ретранслятор можно принимать на неподвижные «тарелки».
Существует и идея разместить на геостационарной орбите обитаемую станцию. Зачем? Во-первых, для обслуживания и ремонта спутников связи. Чтобы спутники прослужили ещё несколько лет, часто требуется лишь дозаправить топливом микродвигатели, обеспечивающие ориентацию солнечных батарей и антенны. Пилотируемая станция сможет маневрировать вдоль геостационарной орбиты, опускаться (при этом её угловая скорость станет выше, чем у «стоящих» спутников), догонять требующий обслуживания аппарат и снова подниматься. Горючего на это уйдёт не больше, чем расходует низкоорбитальная станция, когда преодолевает трение о разреженную атмосферу.
Казалось бы, выгода огромная. Но снабжение столь удалённого форпоста обойдётся слишком дорого. Для смены экипажа и отправки транспортных кораблей потребуются впятеро более тяжёлые ракеты-носители, чем те, что применяются сейчас. Куда привлекательнее идея использовать высотную станцию для строительства космического лифта.
Тросы
Что будет, если с геостационарного спутника выбросить трос вниз, в направлении Земли? Сначала кориолисова сила увлечёт его вперёд. Ведь он получит ту же скорость, что и спутник, но окажется на более низкой орбите, а значит, его угловая скорость будет выше. Но через некоторое время трос приобретёт вес и повиснет вертикально. Радиус вращения сократится, и центробежная сила больше не сможет уравновешивать силу притяжения. Если продолжать вытравливать канат, рано или поздно он достигнет поверхности планеты.
Чтобы центр тяжести системы не сместился, необходим противовес. В качестве балласта некоторые предлагают использовать отработавшие спутники или даже небольшой астероид. Но есть и более интересный вариант - вытравливать трос и в противоположную сторону, от Земли. Он тоже распрямится и натянется. Но уже не под собственным весом, а из-за центробежной силы.
Второй трос будет полезнее простого балласта. Дешёвая, безракетная доставка грузов на геостационарную орбиту - это полезно, но само по себе не окупит затраты на лифт. Станция на высоте 36 000 километров станет лишь перевалочным пунктом. Далее, уже без затрат энергии, ускоряясь центробежной силой, грузы двинутся по второму тросу. На расстоянии 144 000 километров от Земли их скорость превысит вторую космическую. Лифт превратится в катапульту, отправляющую снаряды к Луне, Венере и Марсу за счёт энергии вращения планеты.
Проблема в тросе, который должен не оборваться под собственным весом, несмотря на фантастическую длину. Со стальным канатом это произойдёт уже при длине 60 километров (а возможно, намного раньше, так как при плетении неизбежны дефекты). Избежать разрыва можно, если толщина каната будет экспоненциально возрастать с высотой - ведь каждый последующий участок должен выдерживать свой вес плюс вес всех предыдущих. Но мысленный эксперимент придётся прервать: ближе к верхнему концу трос достигнет такой толщины, что запасов железа в земной коре на него просто не хватит.
Не подходит даже прочнейший полиэтилен «дайнима» (Dyneema), из которого делают бронежилеты и стропы парашютов. Он имеет низкую плотность, при поперечном сечении в один квадратный миллиметр выдерживает нагрузку в две тонны и рвётся под собственным весом лишь при длине 2500 километров. Но и трос из «дайнимы» должен иметь массу около 300 000 тонн и толщину 10 метров на верхнем конце. Доставить такой груз на орбиту почти нереально, - а лифт можно строить только сверху.
Надежду вселяют открытые в 1991 году углеродные нанотрубки, теоретически способные превосходить кевлар по прочности в 30 раз (на практике полиэтиленовый трос пока прочнее). Если подтвердятся оптимистичные оценки их потенциала, можно будет изготовить постоянную по сечению ленту длиной 36 000 км, весом 270 тонн и грузоподъёмностью 10 тонн. А если подтвердятся хотя бы пессимистичные оценки, лифт с тросом толщиной 1 миллиметр у Земли и 25 сантиметров на орбите (масса 900 тонн без учёта противовеса) уже не будет фантастикой.
Подъёмник
Создать подъёмник для космического лифта - задача нетривиальная. Для изготовления троса нужно лишь отработать новую технологию. Механизм же, способный взбираться по этому тросу и доставлять грузы на орбиту, ещё предстоит изобрести. «Земной» способ, когда кабина крепится к наматывающемуся на барабан канату, не выдерживает критики: масса груза окажется пренебрежимо малой по сравнению с массой каната. Подъёмнику предстоит взбираться самостоятельно.
Казалось бы, и это несложно реализовать. Трос зажимается между роликами, и машина ползёт вверх, удерживаясь за счёт силы трения. Но это только в фантастике космический лифт - башня или могучая колонна, внутри которой движется кабина. В реальности поверхности Земли достигнет едва видимая нить, в лучшем случае: узкая лента. Площадь соприкосновения роликов с опорой будет ничтожной, а значит, и трение не может быть велико.
Есть и ещё одно ограничение - механизм не должен повреждать трос. Увы, хотя наноткань невероятно прочна на разрыв, это не значит, что её трудно перерезать или перетереть. Заменить же порванный трос будет очень трудно. А если он лопнет на большой высоте, центробежная сила унесёт станцию далеко в космос, погубив весь проект. Чтобы в аварийной ситуации удержать центр тяжести системы на орбите, по всей длине троса придётся разместить небольшие мины. При обрыве одной из ветвей они немедленно отстрелят равную по массе часть противоположной.
Нужно решить и массу других интересных задач. Например, расхождение подъёмников, движущихся навстречу друг другу, и спасение пассажиров из «застрявших» кабин.
Самая сложная проблема - питание подъёмника. Энергия для двигателя потребуется немаленькая. Ёмкости аккумуляторов, как существующих, так и разрабатываемых, недостаточно. Запас же химического горючего и окислителя превратит подъёмник в многоступенчатую систему из баков и двигателей. Этой замечательной конструкции, кстати, не нужен и дорогостоящий трос - она существует прямо сейчас и называется «ракета-носитель».
Проще всего встроить в трос контактные провода. Но веса металлической проводки трос не выдержит, а значит, придётся «научить» нанотрубки проводить электрический ток. Автономное питание в виде солнечных батарей или радиоизотопного источника слабовато: по самой оптимистичной оценке, подъём с ними займёт десятки лет. Ядерный реактор, у которого лучше с отношением массы к мощности, доставит кабину на орбиту за годы. Но сам он слишком тяжёл и к тому же потребует двух-трёх дозаправок по дороге.
Пожалуй, лучший вариант - это передача энергии с помощью лазера или микроволновой пушки, облучающих приёмное устройство подъёмника. Но и он не лишён недостатков. На современном уровне технологий лишь меньшая часть получаемой энергии может быть преобразована в электрическую. Остальное перейдёт в тепло, отвести которое в условиях безвоздушного пространства окажется весьма проблематично.
Если кабель повредится, доставить ремонтников к повреждённому участку будет непросто. А если оборвётся - то и поздно (кадр из игры Halo 3: ODST)
Радиационная защита
Неприятная новость для желающих прокатиться налегке: лифт будет проходить через радиационные пояса Земли. Магнитное поле планеты захватывает частицы солнечного ветра - протоны и электроны - и не даёт опасным излучениям достичь поверхности. В результате Землю в экваториальной плоскости окружают два колоссальных тора, внутри которых сконцентрированы заряженные частицы. Даже космические аппараты стараются избегать этих областей.
Первый пояс, ловушка для протонов, начинается на высоте 500–1300 километров и заканчивается на высоте 7000 километров. За ним примерно до высоты 13 000 километров располагается сравнительно безопасная область. Но ещё дальше, между 13 и 20 тысячами километров, протирается внешний радиационный пояс из обладающих большой энергией электронов.
Орбитальные станции вращаются ниже радиационных поясов. Пилотируемые космические корабли пересекали их лишь во время лунных экспедиций, потратив на это всего несколько часов. Но подъёмнику потребуется около суток на преодоление каждого из поясов. Значит, кабину придётся снабжать серьёзной противорадиационной защитой.
Причальная башня
Основание космического лифта обычно представляют как комплекс наземных сооружений, расположенный где-нибудь в Эквадоре, джунглях Габона или на атолле в Океании. Но самое очевидное решение не всегда лучшее. Спущенный с орбиты трос можно закрепить на палубе корабля или на вершине колоссальной башни. Морское судно будет уклоняться от ураганов, способных если и не оборвать обладающий немалой парусностью лифт, то сбросить с него подъёмники.
А башня высотой 12-15 километров позволит защитить трос от буйства атмосферы, к тому же несколько сократит его длину. На первый взгляд выгода кажется ничтожной, но если масса троса будет зависеть от его длины экспоненциально, то даже крошечный выигрыш позволит достичь заметной экономии. Кроме того, причальная башня позволяет примерно вдвое повысить грузоподъёмность системы за счёт отказа от самого тонкого и уязвимого участка нити.
Впрочем, возвести здание такой высоты возможно только на страницах фантастических романов. Теоретически такую башню можно соорудить из материала, обладающего твёрдостью алмаза. Практически же никакой фундамент не выдержит её вес.
Тем не менее построить причальную вышку на многокилометровой высоте возможно. Только строительным материалом должен служить не бетон, а газ: наполненные гелием шары. Такая башня будет представлять собой «поплавок», нижняя часть которого погружена в атмосферу и за счёт архимедовой силы поддерживает верхнюю, находящуюся уже в почти безвоздушном пространстве. Строиться это сооружение может снизу, из отдельных, имеющих небольшие размеры и вполне заменимых блоков. Нет принципиальных препятствий тому, чтобы «надувная башня» достигала высоты в 100 или даже 160 километров.
Даже без космического лифта «парящая башня» имеет смысл. Как электростанция - если внешнюю оболочку покрыть солнечными батареями. Как ретранслятор, обслуживающий территорию радиусом в полторы тысячи километров. Наконец, как обсерватория и база для исследования верхних слоёв атмосферы.
А если не замахиваться на высоту в сотни километров, можно использовать в качестве причальной станции кольцевидный аэростат, «заякоренный» на высоте 40 километров. Гигантский дирижабль (или несколько дирижаблей, расположенных один над другим) разгрузят трос лифта, приняв на себя его вес на последних десятках километров.
Но самые значительные преимущества дала бы движущаяся платформа в виде высотного дирижабля, летящего над экватором со скоростью 360 км/ч (что вполне достижимо при питании двигателя от солнечных батарей и ядерного реактора). В таком случае и спутнику не нужно висеть над одной точкой. Его орбита будет располагаться на 7 000 километров ниже геостационарной, что позволит уменьшить длину троса на 20%, а массу в 2,5 раза (учитывая и выигрыш от применения «причальной башни»). Останется решить проблему доставки грузов на сам дирижабль.
Гравитационная катапульта
Космический лифт - самый амбициозный, но не единственный проект использования тросов для запуска космических аппаратов. Некоторые другие замыслы можно воплотить уже на нынешнем уровне технологий.
Что, например, будет, если привязанный тросом груз вытолкнуть из зависшего на орбите шаттла «вверх», прочь от Земли? По закону сохранения импульса сам корабль сместится на более низкую орбиту. И начнёт падать. Груз же, увлекая за собой разматывающийся трос, сначала отклонится кориолисовой силой назад, но затем устремится «вверх». Ведь с увеличением радиуса вращения гравитация ослабеет, а центробежная сила увеличится. Система сработает как требушет - древняя метательная машина. Роль клети с камнями возьмёт на себя челнок, трос превратится в пращу, осью же станет общий центр масс системы, пребывающий в состоянии невесомости на первоначальной орбите корабля. Качнувшись относительно оси, трос распрямится в вертикальном направлении, натянется и выбросит груз.
Разница между гравитационной катапультой и космическим лифтом в том, что роль «клети» в лифте выполняет сама планета, «падающая» на неразличимо малую высоту относительно центра масс системы «Земля-снаряд». В данном же случае будет затрачена кинетическая энергия челнока. Корабль передаст часть своего импульса грузу - скажем, автоматической межпланетной станции, - потеряет скорость и высоту и войдёт в плотные слои атмосферы. Что тоже хорошо, так как обычно для схождения с орбиты челноку приходится тормозить двигателями, сжигая горючее.
С помощью тросовой катапульты шаттл сможет отправить к Марсу или Венере в 2-3 раза больший груз, чем традиционным путём. Что, впрочем, всё равно не позволит челночной системе состязаться с обычной ракетой-носителем в экономичности. Ведь на орбиту для «катапультного» запуска потребуется вывести не только полезную нагрузку, но и исполинский трос с «противовесом». Другое дело, что противовес для катапульты можно найти прямо на орбите - подойдёт, например, выполнивший свою миссию транспортный корабль. Кроме того, вокруг нашей планеты вращается масса «космического мусора», который придётся собирать уже в обозримом будущем.
* * *
Проблемы, связанные с сооружением космического лифта, далеки от разрешения. Экономически эффективная альтернатива ракетам и челнокам появится ещё нескоро. Но на данный момент «лестница в пустоту» - самый фантастичный и масштабный проект, над которым работает наука. Даже если сооружение, длина которого в дюжину раз превосходит диаметр планеты, окажется неэффективным, оно ознаменует начало нового этапа в истории человечества. Тот самый «выход из колыбели», о котором более века назад говорил Константин Эдуардович Циолковский.
Просматривал сейчас научные задачи, за которые предлагают большое вознаграждение и наткнулся на такую, странную - протянуть трос в космос.
Впервые гипотетическая идея постройки такой конструкции, которая будет основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, была высказана ещё в 1895 году Константином Циолковским. С тех пор, не смотря на все достижения науки и техники, проект остаётся только на стадии идеи.
Сколько же призовой фонд этого проекта?
С 2005 года в США проходят ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
То есть для того, чтобы получить премию, вам совсем не нужно строить полностью рабочий космический лифт. Достаточно разработать идею подходящего троса или подходящего подъёмника и соорудить их прототипы. В 2009 году общий призовой фонд Space Elevator Games составлял $4 000 000.
А в чем такой интерес именно к этому методу подъема в космос? Можно подумать о дешевизне? Но обслуживать настолько сложную инфраструктуру, поднимать трос, ликвидировать обрыв - может статься дороже чем запустить ракету. А какую массу можно будет поднять по такому тросу? Не думаю что много, да и затраты энергии тоже надо учесть.
Вот какие идеи сейчас бродят в умах исследователей и конструкторов по поводу ЛИФТА В КОСМОС.
Лифты, которые могут перевозить людей и груз с поверхности планеты в космос, могут означать конец загрязняющим пространство ракетам. Но сделать такой лифт крайне сложно. Концепция космических лифтов была известна давным-давно и введена еще Константином Эдуардовичем Циолковским, но с тех пор мы даже ни на йоту не приблизились к практическому воплощению такого механизма. Элон Маск в твиттере недавно написал: «И, пожалуйста, не задавайте мне вопросы по поводу космических лифтов, пока мы не вырастим материал из углеродных нанотрубок длиной хотя бы в метр».
Элон Маск, по мнению многих, визионер нашего времени — пионер частного освоения космоса и человек, стоящий за идеей транспортной системы Hyperloop, способной перевозить людей из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско по металлической трубе всего за 35 минут. Но есть некоторые идеи, которые даже он считает слишком надуманными. В том числе и космический лифт.
«Это невероятно сложно. Я не думаю, что построить космический лифт — реалистичная идея», — заявил Маск в ходе конференции в MIT в прошлом октябре, добавив, что проще было бы построить мост из Лос-Анджелеса в Токио, чем лифт, который сможет вывозить материалы в космос.
Отправка людей и полезных грузов в космос в капсулах, которые тянутся вдоль гигантского кабеля, удерживаемого на месте вращением Земли, была показана в работах научных фантастов вроде Артура Кларка, но едва ли представлялась целесообразной в реальном мире. Получается, мы обманываем сами себя, и наших способностей недостаточно, чтобы решить эту сложнейшую техническую задачу?
Сторонники космических лифтов считают, что достаточно. Они считают химические ракеты устаревшими, рискованными, наносящими вред окружающей среде и пожирающими финансы. Их альтернатива — это, по существу, железнодорожная линия в космос: работающий на электричестве космический аппарат, движущийся от якоря на Земле по сверхпрочному тросу, связанному с противовесом на геостационарной орбите вокруг планеты. После ввода в эксплуатацию космические лифты могли бы доставлять полезный груз в космос всего за 500 долларов за килограмм, что несравнимо с 20 000 долларов за килограмм по нынешним расценкам.
«Эта феноменально эффективная технология могла бы открыть Солнечную систему для человечества, — говорит Питер Свон, президент Международного консорциума космического лифта. — Я думаю, первые лифты будут роботизированными, а уже через 10-15 лет мы сделаем от шести до восьми лифтов, которые будут достаточно безопасными и для того, чтобы возить людей».
К сожалению, такая структура должна быть не только в 100 000 километров длиной — больше чем окружность Земли в два раза, — ей также нужно поддерживать свой собственный вес. Пока на Земле нет никакого материала с такими свойствами.
Но некоторые ученые считают, что его можно сделать — и оно станет реальностью уже в течение этого века. Крупная японская строительная компания пообещала создать его к 2050 году. Американские исследователи, недавно разработавшие алмазоподобный материал из нановолокон, тоже полагают, что трос для космического лифта появится уже до конца века.
Конструкция такого невероятного сооружения будет основана на специальном тросе, сделанном из тонких и сверхпрочных углеродных нанотрубок. Этот трос будет иметь длину 96 тысяч километров.
По законам физики, центробежная сила вращения не даст упасть такому тросу, растягивая его по всей длине. В случае успеха, подъемник сможет перемещаться со скоростью 200 км/час, поднимая до 30 человек в кабине. На высоте 36 тысяч километров, которой лифт будет достигать за неделю, планируется остановка. На такую высоту лифт будет поднимать туристов, а исследователи и специалисты смогут подняться до самого верха.
Современные идеи космического лифта уходят корнями в 1895 год, когда Константин Циолковский вдохновился недавно построенной Эйфелевой башней в Париже и рассчитал физику постройки здания, уходящего в космос, чтобы космические аппараты можно было запускать с орбиты без ракет. В романе Артура Кларка 1979 года «Фонтаны рая» главный герой строит космический лифт с аналогичной конструкцией, представляемой сегодня.
Но как воплотить ее в реальность? «Мне нравится эпатажность этой идеи, — говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. — Я понимаю, почему людям нравится эта идея, ведь если бы вы могли добраться до низкой околоземной орбиты дешево и безопасно, очень скоро внутренняя Солнечная система стала бы в вашем распоряжении».
Вопросы безопасности
Камень преткновения лежит в том, как построить такую систему. «Для начала она должна быть создана из пока не существующего, но прочного и гибкого материала с нужной массой и характеристиками плотности, чтобы поддерживать транспорт и выдержать невероятное воздействие внешних сил, — говорит Фонг. — Думаю, все это потребует серии самых амбициозных орбитальных миссий и космических прогулок на низкой и высокой околоземной орбитах в истории нашего вида».
Есть также проблемы безопасности, добавляет он. «Даже если бы мы могли решить существенные технические трудности, связанные со строительством такой штуки, вырисовывается страшная картина гигантского сыра с дырками, пробитыми всем этим космическим мусором и обломками наверху».
За последние 12 лет было представлено три детализированных рабочих проекта. Первый, опубликованный Брэдом Эдвардсом и Эриком Вестлингом в книге 2003 года «Космические лифты», предвидел перевозку 20 тонн полезного груза с питанием на основе земных лазеров по цене 150 долларов за килограмм и с ценой общего строительства в 6 миллиардов долларов.
Взяв эту концепцию за основу, дизайн Международной ассоциации астронавтов 2013 года уже обеспечил кабину защитой от погодных условий на первые 40 километров, а затем оснастил ее солнечными батареями. Транспортировка по этому плану стоит 500 долларов за килограмм, а строительство всей конструкции — 13 миллиардов долларов за первый проект (дальше всегда дешевле).
Эти предложения включают противовес в виде захваченного астероида на орбите Земли. Доклад МАА обозначает, что однажды этот пункт может стать возможным, но не в ближайшем будущем.
Плавающий якорь
Вместо этого, часть весом в 1900 тонн, которая должна поддерживать трос весом в 6300 тонн, может быть собрана из космических аппаратов и транспорта, которые доставляли трос в космос. Также она будет дополняться захваченными спутниками, которые перестали функционировать и остались болтаться на орбите в качестве космического мусора.
Они также предложили представить якорь на Земле плавучей платформой размером с большой танкер или авианосец рядом с экватором, поскольку это увеличило бы его пропускную способность. Предпочтительным местом является точка в 1000 километрах к западу от Галапагосских островов: ураганы, тайфуны и торнадо там считаются редкостью.
Корпорация «Обаяши», одна из пяти крупных строительных компаний Японии, в прошлом году представила планы на обустройство еще более надежного космического лифта, перевозящего роботизированные кары, оснащенные маглевными двигателями вроде тех, что используются на высокоскоростных железнодорожных путях. Они могли бы перевозить людей с необходимой прочностью троса. Такой дизайн обойдется в 100 миллиардов долларов по предварительным расчетам, но транспортировка будет стоить 50-100 долларов за килограмм.
Хотя препятствий, безусловно, много, единственный компонент, без которого строительство космического лифта будет невозможным сегодня, является сам трос, говорит Свон.
«Найти материал, из которого можно сделать трос, это основная технологическая проблема, — говорит он. — Все остальное ерунда. Мы уже можем все это сделать».
Алмазные тросы
Ведущим претендентом является трос, сделанный из углеродных нанотрубок, которые были созданы в лаборатории с пределом прочности на растяжение в 63 гигапаскаль — в 13 раз прочнее самой лучшей стали.
Максимальная длина углеродных нанотрубок неуклонно растет с момента их открытия в 1991 году. В 2013 году китайские ученые достигли уже полуметровой длины. Авторы доклада МАА предвещают длину троса из углеродных нанотрубок в километр к 2022 году, а к 2030 — необходимую для производства космического лифта.
Между тем в сентябре был представлен новый претендент на космический трос. Команда под руководством Джона Баддинга, профессора химии из Университета штата Пенсильвания, опубликовала работу в Nature, в которой рассказала, что создала сверхтонкие алмазные нановолокна, которые могут быть прочнее и жестче углеродных нанотрубок.
Команда начала со сжатия бензола атмосферным давлением в 200 000 атмосфер. Когда после этого давление медленно отпускали, атомы пересобирались в новую, чрезвычайно упорядоченную структуру, подобную тетраэдру.
Эти формы связались вместе, чтобы образовать сверхтонкие нановолокна, чрезвычайно похожие по структуре на алмаз. Хотя пока невозможно замерить их прочность напрямую из-за их размера, теоретические расчеты показали, что волокна могут быть прочнее и жестче, чем самые прочные синтетические материалы современности.
Снижение рисков
«Если бы мы могли научиться делать материалы на основе алмазных нановолокон или углеродных нанотрубок достаточно длинными и качественными, наука подсказывает, что мы могли бы начать строительство космического лифта сразу же», — говорит Баддинг.
Но даже если бы один из таких материалов оказался достаточно прочным, сборка и монтаж отдельных элементов космического лифта остается весьма проблемным мероприятием. Другие головные боли будут включать безопасность, сборку средств, удовлетворение интересов конкурирующих сторон и т. п. Свона, по крайней мере, это не пугает.
«Конечно, будут серьезные проблемы, как и у тех, кто строил первую трансконтинентальную железную дорогу, Панамский и Суэцкий каналы, — говорит он. — Потребуется много времени и денег, но, как и в случае со всеми великими предприятиями, справиться с препятствиями придется лишь однажды».
Даже Маск не может заставить себя дискредитировать эту идею. «Это явно не то, о чем можно говорить сейчас, — сказал он. — Но если бы кто-то переубедил меня, было бы здорово».
А некоторые ученые высказывают такие пять причин, из за которых такой лифт никогда не будет построен:
1. Нет достаточно прочного материала для троса
Нагрузка на трос может превышать 100 000 кг/м., так что материал для его изготовления должен обладать чрезвычайно высокой прочностью для устойчивости к растяжениям, и при этом очень низкой плотностью. Пока такого материала нет — не подходят даже углеродные нанотрубки, считающиеся сейчас самыми прочными и упругими материалами на планете.
К сожалению, технология их получения только начинает разрабатываться. Пока что удаётся получить крошечные кусочки материала: самая длинная нанотрубка, которую удалось создать — пара сантиметров в длину и несколько нанометров в ширину. Удастся ли когда-нибудь сделать из этого достаточно длинный трос, пока неизвестно.
2. Восприимчивость к опасным вибрациям
Трос будет восприимчив к непредсказуемым порывам солнечного ветра — под его воздействием он будет изгибаться, и это отрицательно скажется на стабильности лифта. В качестве стабилизаторов к тросу можно прикрепить микродвигатели, но эта мера создаст дополнительные трудности в плане технического обслуживания сооружения. Кроме того, это затруднит продвижение по тросу специальных кабинок, так называемых «альпинистов». Трос, скорее всего, вступит с ними в резонанс.
3. Сила Кориолиса
Трос и «альпинисты» неподвижны относительно поверхности Земли. А вот по отношению к центру Земли объект будет двигаться со скоростью 1 700 км/ч на поверхности и 10 000 км/ч на орбите. Соответственно, «альпинистам» при запуске надо придать эту скорость. «Альпинист» разгоняется в перпендикулярном тросу направлении, и из-за этого трос будет раскачиваться подобно маятнику. Одновременно с этим возникает сила, пытающаяся оторвать наш трос от Земли. Сила обратно пропорциональна величине прогиба троса и прямо пропорциональна скорости подъема груза и его массе. Таким образом, сила Кориолиса мешает быстро поднимать грузы на геостационарную орбиту.
С силой Кориолиса можно бороться, просто запуская одновременно двух «альпинистов» — с Земли и с орбиты, но тогда сила между двумя грузами будет растягивать трос ещё сильнее. Как вариант — мучительно медленный подъём на гусеничном ходу.
4. Спутники и космический мусор
За последние 50 лет человечество запустило в космос множество объектов — полезных и не очень. Или строителям лифта придётся всё это найти и убрать (что невозможно, учитывая количество полезных спутников или орбитальные телескопы), или предусмотреть систему, защищающую объект от столкновений. Трос — теоретически неподвижен, поэтому любое вращающееся вокруг Земли тело рано или поздно с ним столкнётся. Кроме того, скорость при столкновении будет практически равна скорости вращения этого тела, так что тросу будет причинён большой ущерб. Маневрировать трос не может, а протяжённостью обладает большой, поэтому столкновения будут частыми.
Как с этим бороться, пока не ясно. Учёные говорят о постройке орбитального космического лазера для сжигания мусора, но это уж совсем из области научной фантастики.
5. Социальные и экологические риски
Космический лифт вполне может стать объектом террористической атаки. Успешная подрывная операция нанесёт огромный ущерб и может вообще похоронить весь проект, так что одновременно с лифтом придётся выстраивать вокруг него и круглосуточную оборону.
Экологи же считают, что кабель, как ни парадоксально, может сместить земную ось. Трос будет жёстко закреплён на орбите, и любое его смещение наверху отразится на Земле. Кстати, представляете, что случится, если он вдруг оборвётся?
Таким образом, реализовать такой проект на Земле очень сложно. А теперь хорошая новость: это будет работать на Луне. Сила притяжения на спутнике куда меньше, а атмосфера фактически отсутствует. Якорь можно создать в поле силы тяжести Земли, и трос с Луны будет проходить через точку Лагранжа — таким образом, мы получаем канал связь между планетой и её естественным спутником. Такой трос при благоприятных условиях сможет переправлять на орбиту земли около 1000 тонн груза в сутки. Материал, конечно, потребуется сверхпрочный, но ничего принципиально нового изобретать не придётся. Правда, длина «лунного» лифта должна будет составить около 190 000 км из-за эффекта, названного Гомановской траекторией.
источники
С легкой руки физиков и фантастов идея космического лифта прочно засела в головах любителей космонавтики. Мало какое воображаемое будущее обходится без гигантской инфраструктуры, уносящей людей и грузы прямо на орбиту. Но будет ли создан космический лифт в реальном будущем? Как ни печально, но в этом есть большие сомнения.
Современная мода на разработку микро-, нано- и даже фемтоспутников массой менее 100 г связана не только с миниатюризацией электроники, но и с чисто экономическими причинами. Несмотря на то, что за десятилетия развития космической техники цена вывода грузов на околоземную орбиту упала на порядок, заметную долю стоимости космических миссий до сих пор составляет их доставка на место. Этот фактор серьезно тормозит всю космонавтику, превращая ее в удел лишь финансово обеспеченных организаций и закрывая путь массе разработчиков и исследователей.
Каждая ракета и каждый разгонный блок - изделие штучное, требующее месяцы, а то и годы производства - и притом одноразовое: проработав максимум десяток минут, они гибнут. Недаром и американская корпорация SрасеХ, и российские инженеры вовсю прорабатывают варианты создания хотя бы многоразовых первых ступеней - самых мощных и дорогих компонентов систем выведения. Таким проектом была разработанная в ГКНПЦ им. Хруничева «Байкал-Ангара» или проект SpaceX Grasshopper - приземляющаяся на «ножки» первая ступень для ракет семейства Falcon.
Но все это лишь полумеры: снизить стоимость полетов в космос требуется на порядок, а для этого уместнее не дорабатывать старые, а прорабатывать . И первым в их ряду будет, конечно, космический лифт, идея настолько же перспективная, насколько и простая.
Беспроблемная концепция космического лифта
Возьмите обычную веревку и быстро раскрутите вокруг себя - вот вкратце вся концепция космического лифта. Привязанный к Земле достаточно длинный и прочный трос, уходящий на околоземную орбиту, будет висеть вертикально как бы сам собой, за счет центробежной силы. Остается смонтировать на нем подъемную платформу - и можно отправляться в космос. К сожалению, на деле с реализацией простой идеи все обстоит далеко не так просто.
Пожалуй, самый знаменитый и активно развивающийся проект космического лифта пытается реализовать американский стартап LiftPort . Уже из названия его видно, что главной своей целью разработчики ставят даже не просто «космический», но «лунный» лифт, позволяющий наладить бесперебойное сообщение по линии Земля - Луна.
По расчетам специалистов компании, основная инфраструктура космического лифта должна быть привязана к плавучей морской платформе, которая обеспечит системе необходимую динамичность. Поднимающийся с нее трос будет достигать высоты порядка 100 тыс. км. Можно обойтись тросом и покороче, высотой «всего» около 35,5 тыс. км - главное, чтобы он достигал геостационарной орбиты, что позволит ему оставаться в вертикальном положении.
Таких нагрузок не выдержит даже самая прочная сталь, и чтобы трос космического лифта не разорвался под собственным весом, сделать его предлагается из углеродных нанотрубок, отличающихся и малым весом, и поразительной прочностью. Однако до сих пор производство нанотрубок длиной хотя бы несколько сантиметров остается неразрешенной технологической проблемой. Что уж говорить о километрах.
И даже если задача будет решена, графен и может не помочь.
Предполагаемая конструкция космического лифта
Основание. Подвижное позволит уклоняться от грозящих опоре троса природных катаклизмов. Стационарное удобнее в плане обеспечения лифта дешевой энергией.
Трос. Должен выдерживать как минимум свой собственный вес, вес сопутствующей инфраструктуры и центробежную силу. По расчетам, толщина его должна быстро нарастать с высотой, выходя на стационар.
Противовес. Это может быть масштабная «конечная станция» или привязанный к тросу астероид. Но если трос будет уходить за геостационарную орбиту, он будет удерживаться под собственной массой, а с конца его можно будет отпускать в полет дальние космические зонды.
Проблема первая - материал для космического лифта
Действительно, углеродные нанотрубки являются на сегодня едва ли не самым механически прочным материалом из всех известных человечеству. Сила бесчисленных sp2-связей между атомами углерода в одномерной, свернутой цилиндром кристаллической решетке невероятно высока. Но и этого недостаточно: по словам известного эксперта и футуролога Говарда Кита Хенсона (Howard Keith Henson), даже в самых оптимистичных расчетах прочность такого троса составит лишь около двух третей необходимой величины.
Хенсон считает, что сложность с нанотрубками состоит не столько в технологии, сколько в самой их структуре. Необходимо научиться производить не только длинные нанотрубки, но и идеальные, с «чистотой» не хуже чем у драгоценных камней. Иначе те самые sp2-связи, которые в графене связывают шесть атомов углерода, будут терять устойчивую конфигурацию и в местах дефектов станут охватывать 5 или 7 атомов, резко снижая прочность.
Инженер сравнивает это с зацепками на женских чулках: одно-единственное нарушение способно привести к «расползанию» всей структуры. И если до сих пор даже производство крупных, порядка сантиметровых размеров, бездефектных кристаллов остается нерешенной задачей, то будет ли она решена применительно к многокилометровым нанотрубкам? Если и будет - то не в обозримом времени, полагает Кит Хенсон. Трос космического лифта должен выдерживать до 100 МН/(кг/м), и, если даже углеродные нанотрубки достигнут такого уровня, они не должны содержать ни единого дефекта, иначе трос расползется еще до того, как мы попытаемся отправиться на нем в космос.
По некоторым оценкам, трос космического лифта должен иметь прочность более 130 ГПа. Для сравнения, кевлар достигает уровня 4 ГПа, прочнейшие виды стали - всего 5 ГПа. Теоретически, углеродные нанотрубки могут иметь прочность нужной величины (вплоть до 300 ГПа), однако на практике достигнуто лишь около 50 ГПа (и 99 ГПа в одном из экспериментов). При этом технологии изготовления длинных нанотрубок - а тем более плетения из них тросов - остаются в самом зачаточном состоянии.
Даже один из самых больших энтузиастов космических лифтов, физик Дэвид Аппель (David Appell), ведущий несколько связанных с этой темой проектов, как-то признался: «Можно ли быть уверенным, что когда-нибудь удастся создать из нанотрубок структуру размерами 100 тыс. км? К сожалению, ответить на этот вопрос пока не может никто».
Проблема вторая: колебания
Допустим, мы совершили прорыв и создали углеродные нанотрубки нужной длины, добились бездефектной структуры, сплели из них лифтовый трос и даже подняли его на нужную высоту. Что дальше? А дальше - рутинная жизнь с ее миллионом опасных деталей. Ведь такая конструкция неминуемо будет испытывать самые разнообразные воздействия, многие из которых грозят развалить все многотрудное сооружение.
Такие расчеты произвел чешский астрофизик Любое Перек (Lubos Perek), показав, что сочетание нескольких факторов - игры гравитационных сил со стороны Земли и Луны, давления частиц солнечного ветра и т.п. - может оказывать непредсказуемое воздействие на трос космического лифта. Перек выяснил, что игра этих сил способна заставить раскачиваться, вибрировать и закручиваться всю его громадную конструкцию.
Решением может стать размещение на критических участках троса специальных двигателей, которые, управляясь интеллектуальной компьютерной системой, будут компенсировать непредсказуемые воздействия среды. Но «чистота концепции» будет уже нарушена, а с ней под вопрос встанут и многие преимущества космического лифта. Двигатели нуждаются в топливе, регулярном уходе, ремонте и даже замене. Они не только затруднят движение по тросу, но и, видимо, заметно повысят стоимость эксплуатации лифта.
Но и это еще цветочки, ведь, как и всякая натянутая струна, трос космического лифта будет иметь собственную резонансную частоту внутренних колебаний. Помните историю, которую традиционно рассказывают на уроке о резонансе все школьные учителя физики, - как отряд солдат, маршируя по мосту, случайно «попал» в его резонансную частоту - и разрушил весь мост? Примерно то же угрожает и космическому лифту.
Чтобы предусмотреть и эту угрозу, на ряде участков троса потребуется установить узлы, демпфирующие опасные колебания.
А это снова дополнительное усложнение конструкции, новые инженерные проблемы и финансовые затраты... И если бы этим все ограничилось: на самом деле проблем у троса будет куда больше.
Чтобы сократить размеры троса, избавиться от его чрезмерного утолщения и опасностей нижних слоев атмосферы, основание лифта можно разместить на высотной - до 100 км - башне. В августе 2015 года канадская компания Thoth Technology Inc. даже запатентовала подобный проект
Башня ThothX Tower, которую планируют соорудить канадцы, должна достичь высоты пока умеренной - «всего-навсего» 20 км - и сможет питаться за счет энергии ветра, возникающего из-за разницы давлений у ее основания и на вершине. По расчетам инженеров, ее можно использовать и в качестве стартовой площадки для ракет позволяя существенно удешевить традиционные космические запуски. Проблема с башней лишь одна: проект неосуществим технологически.
Проблема третья: пассажиры космического лифта
Особенные трудности может создать... само перемещение груженого космического лифта по тросу. Как и все, что движется на вращающейся Земле под углом к оси ее вращения, груз будет испытывать влияние силы Кориолиса. Поднимаясь вверх, лифт будет отклоняться в противоположном вращению Земли направлении. Это воздействие также уже просчитано физиками.
По словам проведшего такую работу канадского ученого Аруна Мисры (Arun Misra), это влияние заставит лифт раскачиваться, как перевернутый неустойчивый маятник. В результате «пункт назначения» на орбите, в который будут прибывать люди и грузы, может оказаться не совсем там, куда они направлялись. Для вывода аппаратов на орбиту это совершенно неприемлемо.
Более того, вибрации, распространяющиеся вдоль троса, приведут к неравномерному движению «кабины», которая на одних участках будет замедляться, а на других-ускоряться, «подгоняемая» волнами. Разумеется, можно предложить ряд механизмов для компенсации и этого эффекта. Например, помочь может крайне медленный и осторожный, контролируемый подъем, который, по расчетам Аруна Мисры, займет несколько недель.
Другой вариант заключается в крайне точной координации движения одновременно многих кабин, которые будут взаимно компенсировать воздействия друг друга на трос. Но это снова усложнение и удорожание всей инфраструктуры. Кажется, идея космического лифта уже не выглядит такой привлекательной? Но подождите: мы еще не закончили.
Проблема четвертая: космический мусор
Не так давно орбита Международной космической станции была в какой уже раз скорректирована, чтобы уклониться от столкновения с очередным обломком космического мусора. С циклопической конструкцией лифта такое не пройдет: переместить ее будет практически невозможно. А между тем, проходя сквозь низкую околоземную орбиту и достигая геостационарной, он будет «подставляться под удар» и десятков работающих спутников, и тысяч обломков уже вышедших из строя аппаратов, ступеней ракет и разгонных блоков. Не забудем и про опасность встречи с метеоритами!
Избежать этого вообще вряд ли получится, и любой космический лифт должен быть изначально рассчитан на регулярные и опасные столкновения. Как этого добиться, также пока неясно: обломки космического мусора могут быть не так уж и велики, однако движутся они на огромных скоростях, при которых, говоря словами поэта, «песчинка обретает силу пули». Уже знакомый нам Говард Кит Хенсон подсчитал, что энергия таких ударов легко достигает уровня, который грозит попросту испарить несколько метров троса.
Не так уж и сложно оснащать все космические аппараты, орбиты которых грозят пересечься с тросом лифта, системами активного уклонения. Но как быть с уже работающими спутниками? А с космическим мусором? По имеющимся оценкам, его количество на орбите исчисляется несколькими тысячами тонн. И прежде чем мы начнем развертывание мегатроса для нашего суперлифта, в космосе придется прибрать.
В качестве одного из вариантов защиты предлагается установка на критических участках лифта мощных лазерных систем, работающих на манер «противовоздушной защиты» и уничтожающих мусор, грозящий столкновением. Но это - правильно! - означает новое усложнение и удорожание нашего замечательного проекта.
Проблемы пятая и шестая: износ космического лифта и радиация
Если вам показалось мало четырех ключевых проблем космического лифта, упомянем еще пару. Они не столь значительны, но также требуют внимания - и к решению обязательны.
Износ и коррозия. Под действием жестких факторов в атмосфере и агрессивной космической среде и трос лифта, и его детали будут неизбежно портиться. Необходимо предусмотреть варианты восстановления материалов, регулярного ремонта всей конструкции и ухода за ней.
Радиация. Путь космического лифта будет проходить не только в атмосфере, но и далеко за ее пределами. Не минет он и радиационных поясов Земли (в западной литературе их называют поясами Ван Аллена) - областей, где в огромном числе удерживаются захваченные магнитосферой планеты заряженные и высокоэнергетические частицы, в основном протоны и электроны. Внутренний радиационный пояс расположен на высоте порядка 4 тыс. км, внешний - 17 тыс. км, и любое путешествие людей через эти области чревато очень серьезной опасностью. Поэтому для пассажиров космического лифта обязательно должны быть предусмотрены меры радиационной защиты.
Но и это не все. Даже если мы установим в кабине лифта мощные экраны, блокирующие поток высокоэнергетических частиц, нас ждет другой спектр проблем, отнюдь не технологических.
Проблема седьмая: общество
Допустим, международная кооперация и лучшие умы человечества решат все озвученные сложности и космический лифт гордо вознесется над Землей, попирая суровую гравитацию. Колоссальное сооружение, разумеется, станет одним из ключевых символов прогресса, успеха и процветания западной, научноориентированной цивилизации. А значит, превратится в привлекательный объект для всех ее противников.
Разрушение космического лифта в результате террористических атак могло бы стать событием, которое и по масштабам, и по эффекту воздействия затмит все произошедшее 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке и после этого. Гибель этой громадины будет серьезным ударом и в финансовом, и в самом прямом смысле: представьте себе неконтролируемое падение троса длиной в десятки тысяч километров и многотонной массы со всеми смонтированными на нем элементами... Неудивительно, что лифт должен быть стопроцентно защищен от всех возможных атак с суши и воздуха.
Кстати, именно эти соображения стали одной из важных причин, по которым наземную инфраструктуру космического лифта предлагается возвести на морской платформе, оборонять которую от самодеятельных террористов намного легче. Но и тут нас ожидают малопредсказуемые последствия - уже со стороны экологических активистов.
Их тревогу можно понять: как отмечают многие защитники планеты, большой масштаб грузовых перевозок вдоль лифтового троса чреват появлением у Земли намертво привязанной к ней дополнительной массы. Элементарные расчеты показывают, что при колоссальной длине троса это способно повлиять даже на скорость вращения планеты вокруг своей оси, замедляя его. Последствия такого влияния могут быть действительно непредсказуемы. И даже если мы замедлим Землю на несколько наносекунд, можно ждать самых яростных протестов «зеленых» - например, под лозунгами вроде «Сохраним угловой момент планеты!».
Без проблем: на Луне
Кажется, проблемы космического лифта неисчислимы и практически нерешаемы. Но что если перевернуть концепцию проекта в буквальном смысле с ног наголову?.. С таким предложением некоторое время назад выступил американский инженер и разработчик космической техники Джером Пирсон (Jerome Pearson). «Похоже, на Земле такой проект имеет мало смысла, - пишет он, - но Луна -это совершенно другое дело».
Конечно, под действием земного притяжения Луна не вращается вокруг своей оси, оставаясь повернутой к нам лишь одной своей стороной. Но в этом Джером Пирсон видит даже плюс, предлагая «закрепить» трос космического лифта, начинающегося на поверхности спутника, не за счет центробежной силы, а за счет гравитации Земли. Достаточно лишь утяжелить его дальний конец соответствующей массой: по расчетам Пирсона, при весе порядка 100 тыс. тонн такая конструкция позволит ежегодно доставлять на Луну в три-четыре раза больше грузов.
Кажется, идея не лишена смысла. Теоретически, «лунный лифт» не требует даже сверхпрочных материалов, не говоря уж о замечательной - почти идеальной - защищенности от террористических атак. Идею поддерживает и Кит Хенсон, который подсчитал, что для подъема 1000 тонн грузов системе потребуется работа средних размеров электростанции - всего на 15 МВт - и при этом она сможет доставлять их на расстояние до 190 тыс. км, на переходную орбиту к Земле.
Если человечество всерьез начнет разработку лунных ресурсов, возможно, проект весьма пригодится. Ну а пока на Земле космический лифт вряд ли возможен по технологическим причинам, с Луны же нам просто нечего возить в таких количествах. Похоже, лифт задерживается.
Please enable JavaScript to view theХотя постройка космического лифта находится уже в пределах наших инженерных возможностей, страсти вокруг этого сооружения в последнее время, к сожалению, поутихли. Причина в том, что учёные пока никак не могут получить технологию для производства углеродных нанотрубок нужной прочности в промышленных масштабах.
Идею безракетного вывода грузов на орбиту предложил тот же самый человек, который основал и теоретическую космонавтику – Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновившись увиденной в Париже Эйфелевой башней, он описал своё видение космического лифта в виде башни огромной высоты. Её верхушка как раз находилась бы на геоцентрической орбите.
Лифт-башня основывается на прочных материалах, препятствующих сжатию – но современные идеи космических лифтов всё же рассматривают версию с тросами, которые должны быть прочными на растяжение. Такую идею впервые предложил в 1959 году ещё один русский учёный, Юрий Николаевич Арцутанов . Впервые научная работа с подробными расчётами по космическому лифту в виде троса была опубликована в 1975 году, а в 1979 Артур Кларк популяризовал её в своём произведении «Фонтаны рая».
Хотя нанотрубки в данный момент признаются самым прочным материалом, и единственным, подходящим для постройки лифта в виде троса, тянущегося с геостационарного спутника, прочности получаемых в лаборатории нанотрубок пока не хватает до расчётной.
Теоретически прочность нанотрубок должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Для космического лифта необходимы материалы с прочностью 65-120 ГПа.
В конце прошлого года на крупнейшем американском фестивале документальных фильмов DocNYC был показан фильм Sky Line , в котором описаны попытки инженеров из США построить космический лифт – включая участников конкурса X-Prize от НАСА.
Главными героями фильма выступают Брэдли Эдвардс и Майкл Лэйн . Эдвардс – астрофизик, работавший над идеей космического лифта с 1998 года. Лэйн – предприниматель и основатель компании LiftPort, пропагандирующей коммерческое использование углеродных нанотрубок.
В конце 90-х и начале 2000-х Эдвардс, получив гранты от НАСА, плотно разрабатывал идею космического лифта, рассчитывая и оценивая все аспекты проекта. Все его расчёты показывают, что эта идея осуществима – если только появится достаточно прочное для троса волокно.
Эдвардс какое-то время заключал партнёрское соглашение с LiftPort для поисков финансирования проекта лифта, но из-за внутренних разногласий проект так и не состоялся. LiftPort закрылась в 2007 году – хотя годом ранее, в рамках доказательства работоспособности некоторых своих технологий, успешно продемонстрировала робота , карабкающегося по вертикальному тросу в милю длиной, подвешенному на воздушных шарах.
Что частный космос, сконцентрировавшийся на повторно используемых ракетах, может полностью вытеснить разработку космического лифта в обозримом будущем. По его словам, космический лифт привлекателен только тем, что предлагает более дешёвые способы доставки грузов на орбиту, а многоразовые ракеты разрабатываются именно для удешевления этой доставки.
Эдвардс же винит в стагнации идеи отсутствие реальной поддержки проекта. «Именно так выглядят проекты, которые сотни людей, разбросанные по всему миру, разрабатывают в качестве хобби. Никакого серьёзного прогресса достигнуто не будет, пока не появится реальной поддержки и централизованного управления».
Иная ситуация с разработкой идеи космического лифта в Японии. Страна славится наработками в области робототехники, а японский физик Сумио Иидзима считается пионером в области нанотрубок. Идея космического лифта здесь является чуть ли не национальной.
Японская компания Обаяши клянётся к 2050 году представить работающий космический лифт. Руководитель компании, Йожи Ишикава рассказывает, что они работают с частными подрядчиками и местными университетами в целях улучшения существующей технологии получения нанотрубок.
Ишикава говорит, что хотя компания понимает всю сложность проекта, они не видят принципиальных препятствий для его осуществления. Также он считает, что популярность идеи космического лифта в Японии вызвана необходимостью наличия какой-то национальной идеи, сплачивающей людей на фоне тяжёлого экономического положения последней пары десятков лет.
Ишикава уверен, что хотя идея такого масштаба, скорее всего, может быть реализована только путём международного сотрудничества, Япония вполне может стать её локомотивом благодаря большой популярности космического лифта в стране.
Тем временем канадская космическая и оборонная компания Thoth Technology получила летом прошлого года патент США № 9085897 на их вариант космического лифта. Точнее, концепция предусматривает постройку башни, которая сохраняет жёсткость благодаря сжатому газу.
Башня должна доставлять грузы на высоту в 20 км, откуда они уже будут выводиться на орбиту при помощи обычных ракет. Такой промежуточный вариант, по расчётам компании, позволит экономить до 30% топлива, по сравнению с ракетой.
Сегодня для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег.
Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом».
Что это вообще такое
Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:
«Космический лифт – это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке – в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы» для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции".
Рис. 1. Космический лифт от компании LiftPort Inc.
Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов. Компания LiftPort Inc. приводит список наиболее распространенных вопросов и своих ответов на них.
Как вы собираетесь сохранять угловой момент постоянным?
Большей частью мы полагаемся на то, что это сделает Земля. Но мы предусмотрели тяжелые «якоря» на обоих концах лифта для того, чтобы увеличить инерцию системы и, таким образом, держать ее в равновесии.
Что случится, если порвется лента?
Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане. Но все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.
Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?
Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.
Рис. 2. Вид базовых станций (наземной и космической)
Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?
В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.
1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.
2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.
3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.
Будут ли различные объекты задевать ленту?
Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit – LEO), будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort.
Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.
Рис. 3. Один из проектов космического лифта
Причем тут нанотехнологии
Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.
Рис. 4. Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью
Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.
Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.
Компания настроена вполне оптимистично, так как недавно стало известно о новых технологиях в производстве нанотрубок. Так, ученые из Кембриджского университета разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок. Алан Уиндл (Alan Windle) и его коллеги из Кембриджа для изготовления пряжи использовали свежеприготовленные нанотрубки.
Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.
Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.
Рис. 5. Модельный прототип капсулы лифта
В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором говорилось что предварительные исследования по построению космического лифта проделаны. Далее Мишелем Лэйном в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Как планирует компания LiftPort Inc., космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся годы будет проходить непосредственно постройка.
Здесь можно найти видеоролик в формате Real Player, презентующий одну из концепций космического лифта (5 Мб): http://wid.ap.org/…/elevator.rm
потому-что те люди, которые писали про этот лифт (я имею ввиду LiftPort Inc., авторов оригинальной публикации, перевода или компиляции – уж не знаю, чей «вклад» тут больше) не пробовали прикинуть на бумаге эффективность этого лифта, попробовать применить известные формулы, взять парочку несложных интегралов (или построить графиков). В общем хотя бы для себя (не наночайников) перевести текст в цифры, Ведь в заявлениях ошибиться проще, чем в расчетах… Я предполагаю, что где-то может быть нормальная модель лифта, но уж точно не то, что предложно в этой статье. Некоторые заявления в этой заметке просто не проходили элементарную проверку. Будет время, могу написать сомнительные моменты статьи в формулах и графиках. Просто сейчас в комадировке, без русской клавиатуры текст набирать сложно (уже половина есть). А текста будет достаточно, т.к. формат для «чайников» останется, но текст полный, для возможности проверки, возможно я ошибаюсь где-то. Написаный текст с анализом «лифта» из этой заметки выложу где-нибудь в виде файла Word.
Построят, вот только когда?.. доживем до этого события? И кста, модель лифта из одной трубы с противовесом мне не внушает доверия. Боюсь даже представить что произойдет когда верхняя часть трубки столкнется с другим обьектом(астероид). Нужны дополнительные крепления, по типу креплений высоких башень или вышек(3–4 штуки).
Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы.Какая-то популистская фраза. В принципе верна, но центробежная сила превышает силу тяжести только выше геостационарной орбиты. А вывод на эту высоту потребует более 80% от энергии, требуемой для вывода в бесконечно удаленную точку. И еще у авторов не указано куда они девают силу Кориолиса. Зато уже понятно что будут добывать ископаемые с астероидов, очень «веский» факт за лифт.
