Что такое космический лифт. Космический лифт: современные идеи и состояние их развития. Концепция Японской корпорации Obayashi
Несмотря на кризис и войну санкций в цивилизованных экономически развитых странах наблюдается большой интерес к космонавтике. Этому способствуют успехи в развитие ракетостроение и в изучении с помощью космических аппаратов околоземного пространства, планет Солнечной системы и ее периферии. Все новые и новые государства включаются в космическую гонку. Китай и Индия громко заявляют о своих амбициях в деле освоения Вселенной. Уходит в прошлое монополия государственных структур России, США и Европы на полеты за пределы земной атмосферы. Все больший интерес к транспортировке на космическую орбиту людей и грузов проявляет бизнес. Появились фирмы, которые возглавляют энтузиасты, влюбленные в космос. Они занимаются разработкой, как новых ракетоносителей, так и новых технологий, которые позволят сделать скачок в освоении Вселенной. Всерьез рассматриваются идеи, которые еще вчера считались неосуществимыми. И то, что считалось плодом, воспаленного воображения писателей-фантастов, теперь является одним из возможных проектов, подлежащих реализации в ближайшем будущем.
Одним из таких проектов может стать космический лифт.
Насколько это реально? На этот вопрос попытался ответить журналист ВВС Ник Флеминг в своей статье «Лифт на орбите: научная фантастика или вопрос времени?», которая выносится на внимание интересующихся космосом.
Лифт на орбиту: научная фантастика или вопрос времени?
Благодаря космическим лифтам, способным доставлять людей и грузы с поверхности Земли на орбиту, человечество смогло бы отказаться от использования экологически вредных ракет. Но создать подобное устройство непросто, как выяснил корреспондент BBC Future .
Когда речь заходит о прогнозах по поводу развития новых технологий, многие считают авторитетом миллионера Элона Маска - одного из лидеров сектора негосударственных научно-исследовательских работ, которому пришла в голову идея "Гиперпетли" - проекта высокоскоростного трубопроводного пассажирского сообщения между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско (время в пути займет всего 35 минут). Но есть проекты, которые даже Маск считает практически не осуществимыми. Например, проект космического лифта.
"Это слишком технически сложная задача. Вряд ли космический лифт можно создать в реальности", - заявил Маск на конференции в Массачусетском технологическом институте прошлой осенью. По его мнению, проще соорудить мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту.
Идея отправлять людей и грузы в космос внутри капсул, скользящих вверх вдоль гигантского троса, который удерживается на месте благодаря вращению Земли, не нова. Подобные описания можно встретить в работах таких писателей-фантастов, как Артур Кларк. Однако осуществимой на практике эту концепцию до сих пор не считали. Может быть, уверенность в том, что нам по силам решить эту чрезвычайно сложную техническую задачу, - на самом деле лишь самообман?
Энтузиасты космического лифта считают, что построить его вполне возможно. По их мнению, ракеты, работающие на токсичном топливе, представляют собой устаревший, опасный для человека и природы и чрезмерно дорогостоящий вид космического транспорта. Предлагаемая альтернатива по сути является железнодорожной веткой, проложенной на орбиту - суперпрочный трос, один конец которого закреплен на поверхности Земли, а другой - к противовесу, находящемуся на геосинхронной орбите и потому постоянно висящему над одной точкой земной поверхности. В качестве лифтовых кабинок использовались бы электрические аппараты, движущиеся вверх и вниз вдоль троса. Благодаря космическим лифтам стоимость отправки грузов в космос удалось бы снизить до 500 долларов за килограмм - согласно недавнему отчету Международной академии астронавтики (IAA), сейчас эта цифра составляет приблизительно 20000 долларов за килограмм.
Энтузиасты космических лифтов указывают на вредность технологий запуска ракет на орбиту
"Данная технология открывает феноменальные возможности, она обеспечит человечеству доступ к Солнечной системе, - говорит Питер Суон, президент Международного консорциума по созданию космического лифта ISEC и соавтор отчета IAA. - Я думаю, что первые лифты будут работать в автоматическом режиме, а спустя 10-15 лет в нашем распоряжении уже будет от шести до восьми таких устройств, достаточно безопасных, чтобы транспортировать людей".
Истоки идеи
Сложность в том, что высота подобного сооружения должна составлять до 100 000 км - это больше, чем два земных экватора. Соответственно, конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать собственный вес. На Земле просто нет материала с необходимыми прочностными характеристиками.
Но некоторые ученые думают, что эту проблему можно будет решить уже в текущем столетии. Крупная японская строительная компания объявила о том, что собирается соорудить космический лифт к 2050 г. А американские исследователи недавно создали новый алмазоподобный материал на основе нанонитей из сжатого бензола, расчетная прочность которого может сделать космический лифт реальностью еще при жизни многих из нас.
Впервые концепция космического лифта была рассмотрена в 1895 г. Константином Циолковским. Российский ученый, вдохновленный примером недавно построенной Эйфелевой башни в Париже, занялся исследованием физических аспектов строительства гигантской башни, при помощи которой можно было бы доставлять космические корабли на орбиту без использования ракет. Позднее, в 1979 г., эту тему упомянул писатель-фантаст Артур Кларк в романе "Фонтаны рая" - его главный герой строит космический лифт, схожий по конструкции с обсуждаемыми сейчас проектами.
Вопрос в том, как воплотить идею в жизнь. “Мне нравится дерзость концепции космического лифта, - говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. - Я могу понять, почему она кажется людям такой привлекательной: возможность добираться до низких орбит Земли недорого и безопасно открывает для нас всю внутреннюю область Солнечной системы".
Проблемы безопасности
Однако построить космический лифт будет непросто. "Начать с того, что трос необходимо изготовить из суперпрочного, но гибкого материала, обладающего необходимыми весовыми и плотностными характеристиками, чтобы поддерживать вес движущихся по нему аппаратов, и одновременно способного выдерживать постоянные поперечные воздействия. Сейчас такого материала просто не существует, - говорит Фонг. - Кроме того, строительство такого лифта потребует самого интенсивного использования космических кораблей и самого большого количества выходов в открытый космос за всю историю человечества".
По его словам, нельзя сбрасывать со счетов и проблемы безопасности: "Даже если нам удастся преодолеть огромные технические сложности, связанные с постройкой лифта, получившаяся конструкция будет представлять собой гигантскую натянутую струну, сводящую космические аппараты с орбит и постоянно подвергающуюся бомбардировке космическим мусором".
Смогут ли когда-нибудь туристы воспользоваться лифтом, чтобы отправиться в космос?
За последние 12 лет в мире опубликованы три подробных проекта космического лифта. Первый описан Брэдом Эдвардсом и Эриком Уэстлингом в книге "Космические лифты", вышедшей в 2003 г. Этот лифт предназначен для транспортировки 20-тонных грузов за счет энергии расположенных на Земле лазерных установок. Расчетная себестоимость перевозки - 150 долларов за килограмм, а стоимость проекта оценивается в 6 млрд долларов.
В 2013 г. академия IAA развила эту концепцию в собственном проекте, обеспечивающем повышенную защиту лифтовых кабинок от атмосферных явлений до высоты в 40 км., при достижении которой движение кабинок на орбиту должно происходить уже за счет солнечной энергии. Себестоимость транспортировки - 500 долларов за килограмм, а стоимость постройки первых двух таких лифтов - 13 млрд долларов.
В ранних концепциях космического лифта приводились разнообразные возможные решения проблемы космического противовеса, призванного удерживать трос в натянутом положении - в том числе предлагалось использовать в этих целях захваченный и доставленный на нужную орбиту астероид. В отчете IAA отмечается, что когда-нибудь такое решение, может быть, и удастся реализовать, но в ближайшем будущем это невозможно.
Плавучий "якорь"
Чтобы удерживать трос массой в 6300 тонн, противовес должен весить 1900 тонн. Частично его можно сформировать из космических кораблей и других вспомогательных аппаратов, которые будут использоваться для постройки лифта. Возможно также использование находящихся неподалеку отработавших спутников, отбуксировав их на новую орбиту.
Они также предлагают выполнить "якорь", крепящий трос к Земле, в виде плавучей платформы размером с крупный нефтеналивной танкер или авианосец, и разместить его неподалеку от экватора, с целью увеличения его несущей способности. В качестве оптимальной точки размещения "якоря" предлагается район в 1000 км на запад от Галапагосских островов, редко подверженный ураганам, торнадо и тайфунам.
Космический мусор можно было бы использовать в противовесе на верхнем конце троса космического лифта
Корпорация Obayashi - одна из пяти крупнейших строительных фирм Японии - в прошлом году объявила о планах по созданию космического лифта более прочной конструкции, по которому перемещались бы автоматические кабинки на магнитной подвеске. Подобная технология применяется на высокоскоростных железных дорогах. Более прочный трос необходим потому, что японский лифт предполагается использовать и для транспортировки людей. Стоимость проекта оценивается в 100 млрд долларов, при этом себестоимость транспортировки грузов на орбиту может составить 50-100 долларов за килограмм.
Хотя технических трудностей при строительстве подобного лифта, несомненно, будет предостаточно, на самом деле единственный элемент конструкции, который пока невозможно создать, - это сам трос, говорит Суон: "Единственная технологическая проблема, которую предстоит решить - подбор подходящего материала для изготовления троса. Все остальное мы можем построить уже сейчас".
Алмазные нити
На данный момент самым подходящим материалом для троса можно считать углеродные нанотрубки, созданные в лабораторных условиях в 1991 г. Эти цилиндрические структуры имеют предел прочности на разрыв в 63 гигапаскаля, то есть они примерно в 13 раз прочнее самой прочной стали.
Максимально достижимая длина таких нанотрубок постоянно увеличивается - в 2013 г. китайским ученым удалось довести ее до полуметра. Авторы доклада IAA прогнозируют, что к 2022 г. будет достигнута длина в километр, а к 2030 гг. можно будет создавать нанотрубки подходящей длины для использования в космическом лифте.
Тем временем в сентябре прошлого года появился новый сверхпрочный материал: в статье, опубликованной в научном журнале по материаловедению Nature Materials, группа ученых под руководством профессора химии Джона Бэддинга из Университета штата Пенсильвания сообщила о получении в лаборатории супертонких "алмазных нанонитей", которые могут оказаться даже прочнее, чем углеродные нанотрубки.
Ученые сжали жидкий бензол под давлением, превышающим атмосферное в 200 000 раз. Затем давление медленно понизили, и оказалось, что атомы бензола перегруппировались, создав высокоупорядоченную структуру из пирамидальных тетраэдров.
В результате образовались супертонкие нити, очень напоминающие по структуре алмаз. Хотя напрямую измерить их прочность невозможно из-за сверхмалых размеров, теоретические расчеты указывают на то, что эти нити могут оказаться более прочными, чем самые прочные из существующих синтетических материалов.
Снижение рисков
"Если мы научимся создавать алмазные нанонити или углеродные нанотрубки необходимой длины и с необходимыми качествами, можно быть практически уверенным в том, что они окажутся достаточно прочными для использования в космическом лифте", - говорит Бэддинг.
Впрочем, даже если удастся найти подходящий материал для троса, собрать конструкцию будет весьма непросто. Вероятнее всего, возникнут и трудности, связанные с обеспечением безопасности проекта, необходимого финансирования и грамотного разведения конкурирующих интересов. Однако Суона это не останавливает.
Так или иначе, человечество стремится в космос и готово тратить на это большие деньги
"Разумеется, мы столкнемся с большими сложностями, но проблемы приходилось решать и при строительстве первой трансконтинентальной железной дороги [в США], и при прокладке Панамского и Суэцкого каналов, - говорит он. - Потребуется много времени и денег, но, как и в случае с любым крупным проектом, просто нужно решать проблемы по мере их возникновения, одновременно с этим постепенно снижая возможные риски".
Даже Элон Маск не готов категорически отмести возможность создания космического лифта. "Не думаю, что на сегодня эта идея реализуема, но если кто-то сможет доказать обратное, будет здорово", - сказал он на прошлогодней конференции в Массачусеттском технологическом институте.
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.
Сегодня космические аппараты исследуют Луну, Солнце, планеты и астероиды, кометы и межпланетное пространство. Но ракеты на химическом топливе все еще остаются дорогим и маломощным средством вывода полезной нагрузки за пределы земного тяготения. Современная ракетная техника практически достигла предела возможностей, поставленных природой химических реакций. Неужели человечество зашло в технологический тупик? Вовсе нет, если обратить внимание на старую идею космического лифта.
У истоков
Первым, кто серьезно подумал над тем, как преодолеть тяготение планеты с помощью «подтягивания», был один из разработчиков реактивных аппаратов Феликс Цандер. В отличие от фантазера и выдумщика барона Мюнхгаузена, Цандер предложил научно обоснованный вариант космического лифта для Луны. На пути между Луной и Землей есть точка, в которой силы притяжения этих тел уравновешивают друг друга. Она находится на расстоянии 60 000 км от Луны. Ближе к Луне лунное тяготение будет сильнее земного, а дальше — слабее. Так что если связать тросом Луну с каким-нибудь астероидом, оставленным, скажем, на расстоянии 70 000 км от Луны, то только трос не позволит астероиду упасть на Землю. Силой земного тяготения трос будет постоянно натянут, и по нему можно будет с поверхности Луны подняться за пределы лунного притяжения. С точки зрения науки — совершенно правильная идея. Она не получила сразу заслуженного внимания только потому, что во времена Цандера просто не существовало материалов, трос из которых не оборвался бы под собственной тяжестью.
«В 1951 году профессор Бакминстер Фуллер разработал свободно парящий кольцевой мост вокруг экватора Земли. Все, что нужно для воплощения этой идеи в реальность, — космический лифт. И когда же он у нас будет? Я бы не хотел гадать, поэтому адаптирую ответ, который дал Артур Кантровиц, когда кто-то задал ему вопрос о его лазерной системе запуска. Космический лифт будет построен через 50 лет после того, как над этой идеей перестанут смеяться».
(«Космический лифт: мысленный эксперимент или ключ ко Вселенной?», выступление на XXX Международном конгрессе по астронавтике, Мюнхен, 20 сентября 1979 года.)
Первые идеи
Первые же успехи космонавтики вновь разбудили фантазию энтузиастов. В 1960 году молодой советский инженер Юрий Арцутанов обратил внимание на интересную особенность так называемых геостационарных спутников (ГСС). Эти спутники находятся на круговой орбите точно в плоскости земного экватора и имеют период обращения, равный продолжительности земных суток. Поэтому геостационарный спутник постоянно висит над одной и той же точкой экватора. Арцутанов предложил соединить ГСС тросом с находящейся под ним точкой на земном экваторе. Трос будет неподвижен относительно Земли, и по нему так и напрашивается идея пустить в космос кабину лифта. Эта яркая идея захватила многие умы. Знаменитый писатель Артур Кларк даже написал фантастический роман «Фонтаны рая», в котором вся фабула связана со строительством космического лифта.
Проблемы лифта
Сегодня идею космического лифта на ГСС уже пытаются воплотить в США и Японии, устраиваются даже конкурсы среди разработчиков этой идеи. Основные усилия конструкторов направлены на поиск материалов, из которых можно сделать трос длиной 40 000 км, способный выдержать не только собственный вес, но и вес остальных деталей конструкции. Замечательно, что подходящее вещество для троса уже придумано. Это углеродные нанотрубки. Их прочность в несколько раз выше, чем нужно для космического лифта, но надо еще научиться делать бездефектную нить из таких трубок длиной в десятки тысяч километров. Сомневаться в том, что такая техническая задача будет рано или поздно решена, не стоит.
С Земли на низкую околоземную орбиту грузы доставляются традиционными ракетами на химическом топливе. Оттуда орбитальные буксиры забрасывают грузы на «нижнюю лифтовую площадку», которая надежно заякорена закрепленным за Луну тросом. Лифт доставляет грузы на Луну. За счет отсутствия необходимости торможения (да и самих ракет) на последнем этапе и при подъеме с Луны возможна значительная экономия средств. Но, в отличие от описанной в статье, такая конфигурация практически повторяет идею Цандера и не решает проблему вывода полезной нагрузки с Земли, сохраняя для этого этапа ракетную технологию.
Вторая и тоже серьезная задача на пути строительства космического лифта состоит в разработке двигателя для лифта и системы его энергетического обеспечения. Ведь кабина должна подняться на 40 000 км без дозаправки до самого конца подъема! Как этого добиться — никто еще не придумал.
Неустойчивое равновесие
Но самая большая, даже непреодолимая, трудность для лифта на геостационарный спутник связана с законами небесной механики. ГСС находится на своей замечательной орбите только благодаря равновесию силы притяжения и центробежной силы. Любое нарушение этого равновесия приводит к тому, что спутник меняет свою орбиту и уходит со своей «точки стояния». Даже небольшие неоднородности гравитационного поля Земли, приливные силы Солнца и Луны и давление солнечного света приводят к тому, что находящиеся на геостационарной орбите спутники постоянно дрейфуют. Нет ни малейших сомнений, что под тяжестью лифтовой системы спутник не сможет оставаться на геостационарной орбите и упадет. Существует, однако, иллюзия, что можно продолжить трос далеко за геостационарную орбиту и на его дальнем конце разместить массивный противовес. На первый взгляд, центробежная сила, действующая на привязанный противовес, натянет трос так, что дополнительная нагрузка от движущейся по нему кабины не сможет изменить положения противовеса, и лифт останется в рабочем положении. Это было бы верно, если бы вместо гибкого троса использовался жесткий несгибаемый стержень: тогда бы энергия вращения Земли передавалась через стержень на кабину, и ее перемещение не приводило бы к появлению боковой, не компенсируемой натяжением троса силы. А эта сила неизбежно нарушит динамическую устойчивость околоземного лифта, и он рухнет!
Небесная площадка
К счастью для землян, природа припасла для нас замечательное решение — Луну. Мало того, что Луна настолько массивна, что никакими лифтами ее не пошевелить, она еще находится почти на круговой орбите и при этом развернута к Земле всегда одной стороной! Просто напрашивается идея — протянуть лифт между Землей и Луной, но закрепить лифтовый трос только одним концом, на Луне. Второй конец троса можно опустить почти до самой Земли, и сила земного тяготения вытянет его как струну вдоль линии, соединяющей центры масс Земли и Луны. Нельзя только допустить, чтобы свободный конец доходил до поверхности Земли. Наша планета вращается вокруг своей оси, из-за чего конец троса будет иметь относительно поверхности Земли скорость около 400 м в секунду, то есть двигаться в атмосфере со скоростью больше скорости звука. Такого сопротивления воздуха не выдержит никакая конструкция. Но если опустить кабину лифта до высоты 30−50 км, где воздух достаточно разрежен, его сопротивлением можно пренебречь. Скорость кабины останется около 0,4 км/с, а такую скорость легко набирают современные высотные самолеты-стратопланы. Подлетев к кабине лифта и состыковавшись с ней (эта техника стыковки давно отработана и в самолетостроении для дозаправки в воздухе, и в космических аппаратах), можно переместить груз с борта стратоплана в кабину или обратно. После этого кабина лифта начнет подъем на Луну, а стратоплан вернется на Землю. Кстати, доставленный с Луны груз можно просто сбросить из кабины на парашюте и подобрать его в целости и сохранности на земле или в океане.
Избегая столкновений
Лифт, связывающий Землю и Луну, должен решить еще одну важную задачу. В околоземном космическом пространстве находится большое количество работающих космических аппаратов и несколько тысяч неработающих спутников, их фрагментов и прочего космического мусора. Столкновение лифта с любым из них привело бы к обрыву троса. Для того чтобы избежать этой неприятности, предложено «нижнюю» часть троса длиной 60 000 км сделать поднимаемой и выводить ее из зоны движения спутников Земли, когда она там не нужна. Контроль положений тел в околоземном пространстве вполне способен предсказывать периоды, когда движение кабины лифта в этой области будет безопасным.
Лебедка для космического лифта
У космического лифта на Луну просматривается серьезная проблема. Кабины привычных лифтов движутся со скоростью не больше нескольких метров в секунду, а на такой скорости даже подъем на высоту 100 км (к нижней границе космоса) должен занять больше суток. Если даже двигаться с максимальной скоростью железнодорожных поездов в 200 км/ч, то путь до Луны займет почти три месяца. Лифт, способный совершать только два рейса до Луны в год, едва ли будет востребован.
Если же покрыть трос пленкой сверхпроводника, то вдоль троса можно будет двигаться на магнитной подушке без контакта с его материалом. В этом случае можно будет половину пути разгонять и половину пути тормозить кабину.
Простой расчет показывает, что при величине ускорения в 1 g (эквивалентной привычной силе тяжести на Земле) весь путь до Луны займет всего 3,5 часа, то есть кабина сможет совершать три рейса к Луне ежесуточно. Над созданием сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, ученые активно работают, и в обозримом будущем вполне можно ожидать их появления.
Выбросить мусор
Интересно отметить, что на середине пути скорость кабины достигнет 60 км/с. Если после разгона полезную нагрузку отцепить от кабины, то с такой скоростью она может быть направлена в любую точку Солнечной системы, к любой, даже самой дальней планете. А это значит, что лифт на Луну сможет обеспечить безракетные полеты с Земли в пределах Солнечной системы.
И совсем экзотичной окажется возможность выбрасывать с помощью лифта вредные отходы с Земли на Солнце. Наша родная звезда — ядерная печь такой мощности, что в ней бесследно сгорят любые отходы, даже радиоактивные. Так что полноценный лифт к Луне может не только стать основой космической экспансии человечества, но и средством очищения нашей планеты от отходов технического прогресса.
Хотя 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.
IV Межрегиональная конференция школьников
«Дорога к звездам»
Космический лифт – фантастика или реальность?
Выполнил:
____________________
Руководитель:
___________________
Ярославль
Введение
Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова, Г.Г. Полякова
Конструкция космического лифта
Описание современных проектов
Заключение
Введение
В 1978 году выходит в свет научно – фантастический роман Артура Кларка «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове Тапробан, который, как указывает автор в предисловии, на 90% соответствует острову Цейлон (Шри-Ланка).
Нередко фантасты предсказывают появление изобретения не своего века, а намного более позднего времени.
Что же такое космический лифт?
Космический лифт - концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова.
Целью данной работы является изучение возможности построения космического лифта.
Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова и Г.Г. Полякова
Константин Циолковский - русский и советский ученый-самоучка, и изобретатель, школьный учитель. Основоположник теоретической космонавтики. Обосновал использование ракет для полётов в космос, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Основные научные труды относятся к аэронавтике, ракетодинамике и космонавтике.
Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.
В 1895 году русский ученый Константин Эдуардович Циолковский первым сформулировал понятие и концепцию космического лифта. Он описал отдельно стоящее сооружение, уходящее от уровня земли до геостационарной орбиты. Возвышаясь на 36 тысяч километров над экватором и следуя в направлении вращения Земли, в конечной точке с орбитальным периодом ровно в один день эта конструкция сохранялась бы в фиксированном положении.
Ю
рий Николаевич Арцутанов - русский инженер, родившийся в Ленинграде. Выпускник Ленинградского
технологического института, известен как один из пионеров идеи космического лифта. В 1960 году он написал статью «В Космос - на электровозе», где он обсудил концепцию космического лифта как экономически выгодный, безопасный и удобный способ доступа к орбите для облегчения освоения космоса.
Юрий Николаевич развил идею Константина Циолковского. Концепция Арцутанова была основана на связывании геосинхронных спутников кабелем с Землей. Он предложил использовать спутник в качестве базы, с которой можно построить башню, так как геосинхронный спутник останется над неподвижной точкой на экваторе. С помощью противовеса кабель будет спущен с геосинхронной орбиты на поверхность Земли, в то время как противовес будет отдаляться от Земли, удерживая центр масс кабеля неподвижно относительно Земли.
А
рцутанов предложил закрепить один конец такой «веревки» на земном экваторе, а ко второму концу, находящемуся далеко за пределами планетной атмосферы, - подвесить уравновешивающий груз. При достаточной длине «веревки» центробежная сила превысила бы силу притяжения и не позволила грузу упасть на Землю. Из приведенных Арцутановым расчетов, следует, что сила притяжения и центробежная сила оказываются равны на высоте около 42 000 километров. Равная нулю равнодействующая этих сил надежно закрепляет «камень» в зените.
Теперь герметичные электровозы побегут вертикально вверх – к орбите. Плавное наращивание скорости и плавное же торможение помогут избежать перегрузок, характерных для отрыва ракеты. После нескольких часов путешествия со скоростью 10 – 20 километров в секунду, последует первая остановка – в точке равноденствия сил, где раскинувшаяся в невесомости перевалочная станция откроет гостям двери баров, ресторанчиков, комнат отдыха – и замечательный вид на Землю из иллюминаторов.
После остановки кабина не только сможет двигаться без затрат энергии, так как её будет отбрасывать от Земли центробежная сила, - но и, вдобавок, генерировать двигателем, переключенным в режим динамо-машины, необходимое для возвращения электричество.
Вторую – и конечную остановку предлагалось сделать на расстоянии 60 000 километров от Земли, где равнодействующая сил сравняется с силой тяжести на земной поверхности, и позволит создать на «конечной станции» искусственную гравитацию. Здесь же, на краю длиннейшей канатной дороги будет располагаться настоящий орбитальный космодром. Он, как и полагается, станет запускать по Солнечной системе космические корабли, придавая им солидную скорость и назначая траекторию.
Не желая ограничиваться примитивным канатом, Юрий Арцутанов навешал на него гелиоэлектростанций, перерабатывающих солнечную энергию в электрический ток, и соленоидов, генерирующих электромагнитное поле. В этом поле должен двигаться «электровоз».
Если оценить вес такого магнитодорожного полотна, учитывая протяженность в 60 000 километров, то получается - сотни миллионов тонн? Гораздо больше. Не одна тысяча ракет потребуется, чтобы отбуксировать эту тяжесть к орбите! В то время это казалось невозможным.
Однако ученый и на этот раз подкинул верную идею: лифт не обязательно строить снизу вверх, как огромную циклопическую башню – достаточно запустить на геостационарную орбиту искусственный спутник, с которого будет спущена первая нить. В сечении эта нить окажется тоньше человеческого волоса, так чтобы вес ее не превосходил тысячу тонн. После того, как свободный конец нити закрепят на земной поверхности, сверху вниз по нити побежит «паук» – легкое устройство, плетущее вторую, параллельную нить. Он будет работать до тех пор, пока канат не станет достаточно толстым, чтобы выдержать «электровоз», электромагнитное полотно, гелиоэлектростанции, комнаты отдыха и рестораны.
Вполне объяснимо, почему в эпоху космических гонок идея Юрия Валерьевича Арцутанова осталась никем не замеченной. Тогда не было ни одного материала способного выдержать столь высокое давление разрыва троса.
В развитие идей Арцутанова свой проект космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института.
Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного. Поляков лишь указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым. Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.
Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.
С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой - вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.
Кабины лифта - просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули - ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.
В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.
Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы...
Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.
На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.
Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.
Конструкция космического лифта
Основание
О
снование космического лифта - это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне. Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избегания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.
Трос
Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность 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. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты.
В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 - кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.
В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10% меньше теоретической.
Утолщение троса
Космический лифт должен выдерживать, по крайней мере, свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а, следовательно, и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы, НО, не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца, сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:
Где - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли.
В формуле используются следующие константы:
- площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
- плотность материала троса.
- предел прочности материала троса.
- круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292·10−5 радиан в секунду.
- расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.
- ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув, в конце концов, геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:
П
одставив сюда плотность и прочность стали, и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.
Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:
Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.
Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО. Тот же расчет, выполненный из предположения, что плотность троса равна плотности углеволокна ρ = 1,9 г/см3 (1900 кг/м3), с предельной прочностью σ = 90 ГПА (90·109 Па) и диаметром троса у основания 1 см (0.01 м), позволяет получить диаметр троса на ГСО всего 9 см.
Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км, которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.
Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.
Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20-25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха). Также есть идея вместо троса из нанотрубок использовать условные силовые линии магнитного поля Земли.
Противовес
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
Угловой момент, скорость и наклон
Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость). Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю. В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт. К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос, угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина, таким образом, может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъеме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится. При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
Запуск в космос
На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта. Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
Описание современных проектов
В середине и в конце 20-го века появились более подробные предложения. Возлагались надежды, что космический лифт сделает революцию в доступе к околоземному космическому пространству, к Луне, Марсу и даже далее. Данное сооружение смогло бы раз и навсегда решить проблему, связанную с отправкой человека в космос. Лифт очень помог бы многим космическим агентствам в доставке астронавтов на орбиту нашей планеты. Его создание может означать конец загрязняющим пространство ракетам. Однако стартовые инвестиции и уровень необходимых технологий ясно давали понять, что такой проект нецелесообразен и отводили ему место в области научной фантастики.
Возможно ли решить проблему такого строительства в данный момент? Сторонники космических лифтов считают, что в настоящее время достаточно возможностей для решения данной технической задачи. Они считают, что космические ракеты устарели и наносят непоправимый вред природе и слишком дороги для современного общества.
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».
Учёные всего мира разрабатывают идею космического лифта. Японцы в начале 2012 года объявили о том, что они планируют построить космический лифт. Американцы об этом же сообщили в конце 2012-го. В 2013-м СМИ вспомнили о русских корнях "космического лифта". Так, когда же данные идеи станут реальностью?
Концепция Японской корпорации Obayashi
Корпорация предлагает следующий способ постройки: один конец троса очень высокой прочности удерживается массивной платформой в океане, а второй - закрепляется на орбитальной станции. По канату перемещается специально спроектированная кабинка, которая может доставлять грузы, астронавтов или, скажем, космических туристов.
В качестве материала для троса Obayashi рассматривает углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали. Но проблема заключается в том, что в настоящее время длина таких нанотрубок ограничивается примерно 3 см, в то время как для космического лифта потребуется трос общей протяжённостью в 96 000 км. Ожидается, что преодолеть существующие трудности станет возможно ориентировочно в 2030-х годах, после чего начнётся практическая реализация концепции космического лифта.
Obayashi уже рассматривает возможность создания особых туристических кабинок, рассчитанных на перевозку до 30 пассажиров. Кстати, путь на орбиту по тросу из углеродных нанотрубок будет занимать семь дней, поэтому придётся предусмотреть необходимые системы обеспечения жизнедеятельности, запас еды и воды.
Запустить космический лифт Obayashi рассчитывает только к 2050 году.
Космический лифт компании LiftPort Group
Не только Земля станет объектом, где будет сооружен такой лифт. По мнению группы экспертов из компании LiftPort Group в качестве такого объекта вполне может выступить и Луна.
Основой лунного космического лифта является плоский ленточный кабель, изготовленный из высокопрочного материала. По этому кабелю на поверхность Луны и назад будут ходить транспортные гондолы, доставляющие людей, различные материалы, механизмы и роботов.
«Космический» конец кабеля будет удерживаться космической станцией PicoGravity Laboratory (PGL), находящейся в точке Лагранжа L1 системы Луна-Земля, в точке, где гравитация Луны и Земли взаимно уравновешивают друг друга. На Луне конец кабеля будет присоединен к якорной станции Anchor Station, находящейся в районе Sinus Medi (приблизительно в середине «лица» Луны, смотрящего на Землю) и входящей в состав инфраструктуры космического лифта Lunar Space Elevator Infrastructure.
Натяжение кабеля космического лифта будет осуществляться противовесом, который будет удерживаться более тонким кабелем длиной в 250 тысяч километров, и который будет находиться уже во власти земной гравитации. Космическая станция PicoGravity Laboratory будет иметь модульную структуру, наподобие структуры существующей Международной космической станции, что позволит без особого труда производить ее расширение и добавлять стыковочные узлы, позволяющие стыковаться со станцией космическим кораблям различных типов.
Основной целью данного проекта является отнюдь не строительство самого космического лифта. Этот лифт станет лишь средством доставки на Луну автоматических аппаратов, которые в автономном режиме будут вести добычу различных полезных ископаемых, в том числе редкоземельных металлов и гелия-3, который является перспективным топливом для будущих реакторов термоядерного синтеза и, возможно, топливом для космических кораблей будущего.
«К сожалению, данный проект пока практически невыполним в связи с отсутствием у людей множества ключевых технологий. Но исследования большинства таких технологий уже ведутся некоторое время, и обязательно наступит тот момент, когда строительство космического лифта перейдет из разряда научной фантастики в область практически выполнимых вещей».
Специалисты компании LiftPort Group обещают сделать рабочий детализированный проект сооружения к концу 2019 года.
«Общепланетное транспортное средство»
Рассмотрим проект, получивший название «Общепланетное транспортное средство» (ОТС). Его выдвинул и обосновал инженер Анатолий Юницкий из Гомеля.
В 1982 году в журнале «Техника молодежи» была опубликована статья, в которой автор утверждает, что у человечества в скором времени появится потребность в принципиально новом транспортном средстве, способном обеспечивать перевозки на трассе «Земля – космос – Земля».
По мнению А. Юницкого ОТС представляет собой замкнутое колесо поперечным диаметром порядка 10 метров, которое покоится на специальной эстакаде, установленной вдоль экватора. Высота эстакады в зависимости от рельефа колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Эстакада размещена на плавучих опорах в океанских просторах.
В герметичном канале, расположенном по оси корпуса ОТС, находится бесконечная лента, имеющая магнитную подвеску и являющаяся своеобразным ротором двигателя. В нее наводится ток, который будет взаимодействовать с породившим его магнитным полем, и лента, не испытывающая никакого сопротивления (она размещена в вакууме), придет в движение. Точнее, во вращение вокруг Земли. При достижении первой космической скорости лента станет невесомой. При дальнейшем разгоне ее центробежная сила через магнитную подвеску станет оказывать на корпус ОТС всевозрастающую вертикальную подъемную силу, пока не уравновесит каждый его погонный метр (транспортное средство как бы станет невесомым - чем не антигравитационный корабль?).
В удерживаемое на эстакаде транспортное средство с предварительно раскрученной до скорости 16 км/с верхней лентой, имеющей массу 9 тонн на метр, и точно такой же, но лежащей неподвижно нижней лентой размещают груз и пассажиров. Это делается в основном внутри, а частично и снаружи корпуса ОТС, но так, чтобы нагрузка в целом была равномерно распределена. После освобождения от захватов, удерживающих ОТС на эстакаде, его диаметр под действием подъемной силы начнет медленно расти, а каждый его погонный метр - подниматься над Землей. Поскольку форма окружности отвечает минимуму энергии, то транспортное средство, до этого копировавшее профиль эстакады, примет после подъема форму идеального кольца.
Скорость подъема ОТС на любом из участков пути может быть задана в широких пределах: от скорости пешехода до скорости самолета. Атмосферный участок транспортное средство проходит на минимальных скоростях.
По оценке Анатолия Юницкого, общая масса ОТС составит 1,6 миллиона тонн, грузоподъемность - 200 миллионов тонн, пассажировместимость - 200 миллионов человек. Расчетное число выходов ОТС в космос за пятидесятилетний срок службы - 10 тысяч рейсов.
Заключение
Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны.
Космический лифт изменит космическую индустрию: люди и груз будут доставляться на орбиту со значительно более низкими затратами по сравнению с традиционными запусками ракет-носителей.
Будем надеяться, что во второй половине 21 – го века космические лифты станут функционировать за пределами Земли: на Луне, Марсе и других уголках Солнечной Системы. С развитием технологий стоимость строительства будет постепенно снижаться.
Несмотря на то, что это время кажется далеким и недосягаемым, именно от нас зависит, каким будет будущее и как быстро оно наступит.
