Thang máy không gian là gì? Thang máy không gian: những ý tưởng hiện đại và tình trạng phát triển của chúng. Khái niệm về Tập đoàn Obayashi Nhật Bản

Bất chấp khủng hoảng và chiến tranh trừng phạt, ngành du hành vũ trụ ở các nước văn minh, kinh tế phát triển vẫn rất được quan tâm. Điều này được tạo điều kiện thuận lợi nhờ những tiến bộ trong sự phát triển của khoa học tên lửa và nghiên cứu không gian gần Trái đất, các hành tinh trong hệ mặt trời và vùng ngoại vi của nó bằng tàu vũ trụ. Ngày càng có nhiều quốc gia tham gia cuộc đua vào không gian. Trung Quốc và Ấn Độ lớn tiếng tuyên bố tham vọng khám phá Vũ trụ. Sự độc quyền của các cơ cấu nhà nước của Nga, Mỹ và Châu Âu trên các chuyến bay ngoài bầu khí quyển Trái đất đang trở thành quá khứ. Các doanh nghiệp đang ngày càng quan tâm đến việc vận chuyển người và hàng hóa vào quỹ đạo không gian. Đã xuất hiện các công ty được lãnh đạo bởi những người đam mê yêu thích không gian. Họ đang phát triển cả phương tiện phóng mới và công nghệ mới để có thể tạo ra bước nhảy vọt trong việc khám phá Vũ trụ. Những ý tưởng mới hôm qua được coi là không khả thi đang được xem xét nghiêm túc. Và thứ được coi là thành quả từ trí tưởng tượng gây sốt của các nhà văn khoa học viễn tưởng giờ đây lại là một trong những dự án khả thi sẽ được thực hiện trong thời gian tới.

Một dự án như vậy có thể là thang máy không gian.

Điều này thực tế đến mức nào? Nhà báo Nick Fleming của BBC đã cố gắng trả lời câu hỏi này trong bài báo “Thang máy trên quỹ đạo: Khoa học viễn tưởng hay vấn đề thời gian?”, bài báo đã thu hút sự chú ý của những người quan tâm đến không gian.

Thang máy lên quỹ đạo: khoa học viễn tưởng hay vấn đề thời gian?

Nhờ thang máy không gian có khả năng đưa người và hàng hóa từ bề mặt Trái đất lên quỹ đạo, nhân loại có thể từ bỏ việc sử dụng tên lửa gây hại cho môi trường. Nhưng việc tạo ra một thiết bị như vậy không hề dễ dàng, phóng viên BBC Future đã phát hiện ra.

Khi đưa ra những dự báo về sự phát triển của công nghệ mới, nhiều người coi trọng uy tín của triệu phú Elon Musk, một trong những người đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu phi chính phủ, người đã đưa ra ý tưởng về Hyperloop - một công nghệ cao dự án dịch vụ hành khách bằng đường ống cao tốc giữa Los Angeles và San Francisco (thời gian di chuyển chỉ mất 35 phút). Nhưng có những dự án thậm chí ngay cả Musk cũng cho là không thể thực hiện được. Ví dụ như dự án thang máy không gian.

"Đây là một nhiệm vụ quá phức tạp về mặt kỹ thuật. Khó có thể tạo ra thang máy không gian trong thực tế", Musk nói tại một hội nghị tại Viện Công nghệ Massachusetts vào mùa thu năm ngoái. Theo ông, việc xây một cây cầu nối Los Angeles và Tokyo còn dễ hơn xây thang máy lên quỹ đạo.

Ý tưởng đưa người và hàng hóa vào không gian bên trong các viên nang trượt lên trên dọc theo một sợi cáp khổng lồ được giữ cố định bởi vòng quay của Trái đất không phải là mới. Những mô tả tương tự có thể được tìm thấy trong tác phẩm của các nhà văn khoa học viễn tưởng như Arthur C. Clarke. Tuy nhiên, ý tưởng này vẫn chưa được coi là khả thi trong thực tế. Có lẽ niềm tin rằng chúng ta có thể giải quyết được vấn đề kỹ thuật cực kỳ phức tạp này thực chất chỉ là sự tự lừa dối bản thân?

Những người đam mê thang máy vũ trụ tin rằng hoàn toàn có thể chế tạo được một chiếc. Theo quan điểm của họ, tên lửa chạy bằng nhiên liệu độc hại là hình thức vận chuyển không gian lỗi thời, nguy hiểm đối với con người và thiên nhiên và quá đắt đỏ. Giải pháp thay thế được đề xuất về cơ bản là một tuyến đường sắt được đặt trên quỹ đạo - một sợi cáp siêu bền, một đầu được cố định với bề mặt Trái đất và đầu còn lại với một đối trọng nằm trong quỹ đạo địa không đồng bộ và do đó liên tục treo phía trên một điểm trên bề mặt Trái đất. . Sẽ được sử dụng làm cabin thang máy thiết bị điện, di chuyển lên xuống dọc theo dây cáp. Theo báo cáo gần đây của Học viện Du hành vũ trụ Quốc tế (IAA), với thang máy vũ trụ, chi phí vận chuyển hàng hóa vào vũ trụ có thể giảm xuống còn 500 USD/kg - con số hiện nay là khoảng 20.000 USD/kg.

Những người đam mê thang máy vũ trụ chỉ ra tác hại của công nghệ phóng tên lửa lên quỹ đạo

Peter Swan, chủ tịch Hiệp hội Thang máy Không gian Quốc tế ISEC và đồng tác giả của báo cáo IAA, cho biết: “Công nghệ này mở ra những cơ hội phi thường, nó sẽ mang lại cho nhân loại khả năng tiếp cận hệ mặt trời”. ở chế độ tự động và sau 10 năm. Trong vòng 15 năm, chúng tôi sẽ có sẵn sáu đến tám thiết bị đủ an toàn để vận chuyển người."

Nguồn gốc của ý tưởng

Khó khăn là chiều cao của công trình như vậy phải lên tới 100.000 km - cao hơn hai đường xích đạo trái đất. Theo đó, kết cấu phải đủ chắc chắn để chịu được trọng lượng của chính nó. Đơn giản là không có vật liệu nào trên Trái đất có các đặc tính độ bền cần thiết.

Nhưng một số nhà khoa học cho rằng vấn đề này có thể được giải quyết trong thế kỷ hiện tại. Một công ty xây dựng lớn của Nhật Bản đã thông báo rằng họ có kế hoạch xây dựng một thang máy không gian vào năm 2050. Và các nhà nghiên cứu Mỹ gần đây đã tạo ra một loại vật liệu mới giống kim cương dựa trên các sợi nano của benzen nén, độ bền của nó có thể biến thang máy không gian thành hiện thực ở nhiều nơi. của cuộc đời chúng ta.

Khái niệm thang máy vũ trụ lần đầu tiên được Konstantin Tsiolkovsky xem xét vào năm 1895. Một nhà khoa học người Nga, lấy cảm hứng từ tháp Eiffel mới được xây dựng gần đây ở Paris, đã bắt đầu nghiên cứu vật lý của việc xây dựng một tòa tháp khổng lồ có thể đưa tàu vũ trụ vào quỹ đạo mà không cần sử dụng tên lửa. Sau đó, vào năm 1979, nhà văn khoa học viễn tưởng Arthur C. Clarke đã đề cập đến chủ đề này trong cuốn tiểu thuyết “The Fountains of Paradise” - nhân vật chính của ông chế tạo một thang máy không gian, có thiết kế tương tự như các dự án hiện đang được thảo luận.

Vấn đề là làm thế nào để biến ý tưởng đó thành hiện thực. Kevin Fong, người sáng lập Trung tâm Độ cao, Không gian và Y học Cực đoan tại Đại học College London, cho biết: “Tôi thích sự táo bạo của khái niệm thang máy không gian”. “Tôi có thể hiểu tại sao mọi người lại thấy nó hấp dẫn đến vậy: khả năng du hành đến các quỹ đạo thấp của Trái đất một cách an toàn và không tốn kém sẽ mở ra toàn bộ hệ mặt trời bên trong cho chúng ta.”

Vân đê bảo mật

Tuy nhiên, việc xây dựng một thang máy không gian sẽ không hề dễ dàng. “Đầu tiên, dây cáp phải được làm bằng vật liệu siêu bền, nhưng vật liệu linh hoạt, có các đặc tính về trọng lượng và mật độ cần thiết để đỡ trọng lượng của các phương tiện di chuyển trên đó, đồng thời có khả năng chịu được các tác động ngang liên tục. Fong nói: “Hiện tại, vật liệu đó không tồn tại. “Ngoài ra, việc xây dựng một thang máy như vậy sẽ đòi hỏi việc sử dụng tàu vũ trụ với cường độ cao nhất và số lượng chuyến đi bộ ngoài không gian lớn nhất trong lịch sử nhân loại.”

Theo ông, không thể bỏ qua vấn đề an toàn: “Ngay cả khi chúng ta vượt qua được những khó khăn kỹ thuật to lớn liên quan đến việc xây dựng thang máy, kết cấu thu được sẽ là một sợi dây khổng lồ bị kéo căng, đẩy tàu vũ trụ ra khỏi quỹ đạo và liên tục bị các mảnh vụn không gian bắn phá. ”

Liệu một ngày nào đó khách du lịch có thể sử dụng thang máy để du hành vào không gian?

Trong 12 năm qua, ba thiết kế chi tiết về thang máy không gian đã được công bố trên khắp thế giới. Thang máy đầu tiên được Brad Edwards và Eric Westling mô tả trong cuốn sách “Thang máy không gian” xuất bản năm 2003. Thang máy này được thiết kế để vận chuyển 20 tấn hàng hóa bằng cách sử dụng năng lượng của các thiết bị laser đặt trên Trái đất. Chi phí vận chuyển ước tính là 150 USD/kg và chi phí dự án ước tính khoảng 6 tỷ USD.

Vào năm 2013, Học viện IAA đã phát triển khái niệm này trong dự án riêng của mình, nhằm tăng cường khả năng bảo vệ các cabin thang máy khỏi hiện tượng khí quyển ở độ cao lên tới 40 km, tại thời điểm đó, chuyển động của các cabin vào quỹ đạo phải được cung cấp năng lượng mặt trời. Chi phí vận chuyển là 500 USD/kg và chi phí xây dựng hai thang máy đầu tiên như vậy là 13 tỷ USD.

Các khái niệm thang máy không gian ban đầu bao gồm nhiều loại phương pháp khả thi các vấn đề về đối trọng không gian được thiết kế để giữ dây cáp ở vị trí căng - bao gồm đề xuất sử dụng một tiểu hành tinh được bắt giữ và đưa đến quỹ đạo mong muốn cho những mục đích này. Báo cáo của IAA lưu ý rằng giải pháp như vậy một ngày nào đó có thể được thực hiện nhưng điều đó là không thể trong tương lai gần.

Drogue"

Để đỡ được sợi cáp nặng 6.300 tấn thì đối trọng phải nặng 1.900 tấn. Nó có thể được hình thành một phần từ tàu vũ trụ và các thiết bị phụ trợ khác sẽ được sử dụng để chế tạo thang máy. Cũng có thể sử dụng các vệ tinh đã qua sử dụng gần đó bằng cách kéo chúng vào quỹ đạo mới.

Họ cũng đề xuất chế tạo “mỏ neo” để giữ chặt cáp với Trái đất, dưới dạng một bệ nổi có kích thước bằng một tàu chở dầu hoặc tàu sân bay lớn và đặt nó gần xích đạo để tăng cường khả năng chịu lực của nó. khả năng chịu đựng. Khu vực cách Quần đảo Galapagos 1.000 km về phía Tây, nơi hiếm khi hứng chịu bão, lốc xoáy và cuồng phong, được đề xuất làm địa điểm tối ưu cho “mỏ neo”.

Các mảnh vụn không gian có thể được sử dụng làm đối trọng ở đầu trên của cáp thang máy vũ trụ

Obayashi Corp., một trong năm công ty xây dựng lớn nhất Nhật Bản, năm ngoái đã công bố kế hoạch xây dựng một thang máy không gian mạnh mẽ hơn, có thể vận chuyển các chuyến tàu đệm từ tự động. Công nghệ tương tự được sử dụng trên đường sắt cao tốc. Cần có dây cáp chắc chắn hơn vì thang máy Nhật Bản được cho là dùng để vận chuyển người. Chi phí của dự án ước tính khoảng 100 tỷ USD, trong khi chi phí vận chuyển hàng hóa lên quỹ đạo có thể lên tới 50-100 USD/kg.

Mặc dù chắc chắn sẽ có nhiều thách thức kỹ thuật khi xây dựng một thang máy như vậy, yếu tố cấu trúc duy nhất chưa thể chế tạo được chính là dây cáp, Swan nói: “Vấn đề công nghệ duy nhất cần được giải quyết là tìm ra vật liệu phù hợp để chế tạo cáp. . Chỉ vậy thôi.” chúng ta có thể xây dựng phần còn lại ngay bây giờ.”

Chủ đề kim cương

TRÊN khoảnh khắc này Vật liệu phù hợp nhất để làm cáp là ống nano carbon, được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm vào năm 1991. Những cấu trúc hình trụ này có độ bền kéo là 63 gigapascal, tức là chúng bền hơn thép cứng nhất khoảng 13 lần.

Chiều dài tối đa có thể đạt được của các ống nano như vậy không ngừng tăng lên - vào năm 2013, các nhà khoa học Trung Quốc đã cố gắng tăng nó lên nửa mét. Các tác giả của báo cáo IAA dự đoán số km sẽ đạt được vào năm 2022 và năm 2030. Sẽ có thể tạo ra các ống nano có chiều dài phù hợp để sử dụng trong thang máy không gian.

Trong khi đó, tháng 9 năm ngoái một siêu phẩm mới vật liệu bền: Trong một bài báo đăng trên tạp chí khoa học vật liệu Nature Materials, một nhóm do giáo sư hóa học John Bedding của Đại học bang Pennsylvania dẫn đầu đã báo cáo việc tạo ra “sợi nano kim cương” siêu mỏng trong phòng thí nghiệm, thậm chí có thể bền hơn cả ống nano carbon.

Các nhà khoa học đã nén benzen lỏng dưới áp suất khí quyển 200.000 lần. Sau đó, áp suất giảm dần và hóa ra là các nguyên tử benzen sắp xếp lại, tạo ra cấu trúc tứ diện hình chóp có trật tự cao.

Kết quả là những sợi siêu mỏng được hình thành, có cấu trúc rất giống kim cương. Mặc dù độ bền của chúng không thể đo trực tiếp do kích thước siêu nhỏ nhưng các tính toán lý thuyết chỉ ra rằng những sợi này có thể bền hơn các vật liệu tổng hợp bền nhất hiện có.

Giảm rủi ro

Bedding cho biết: “Nếu chúng ta có thể tạo ra dây nano kim cương hoặc ống nano carbon có chiều dài và chất lượng phù hợp, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng chúng sẽ đủ bền để sử dụng trong thang máy không gian”.

Tuy nhiên, ngay cả khi bạn tìm được vật liệu phù hợp cho cáp thì việc lắp ráp kết cấu sẽ rất khó khăn. Rất có thể, những khó khăn sẽ nảy sinh liên quan đến việc đảm bảo an toàn cho dự án, nguồn tài chính cần thiết và quản lý hợp lý các lợi ích cạnh tranh. Tuy nhiên, điều này không ngăn được Swan.

Bằng cách này hay cách khác, nhân loại đang phấn đấu vì không gian và sẵn sàng chi rất nhiều tiền cho nó

“Tất nhiên, chúng ta sẽ gặp khó khăn lớn, nhưng những vấn đề cần phải giải quyết trong quá trình xây dựng tuyến đường xuyên lục địa đầu tiên. đường sắt[ở Mỹ], và trong quá trình xây dựng kênh đào Panama và Suez,” ông nói. “Sẽ tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc, nhưng cũng như bất kỳ dự án lớn nào, bạn chỉ cần giải quyết các vấn đề khi chúng phát sinh, đồng thời giảm dần những rủi ro có thể xảy ra.”

Ngay cả Elon Musk cũng chưa sẵn sàng loại bỏ hoàn toàn khả năng tạo ra thang máy vũ trụ. “Tôi không nghĩ ý tưởng này ngày nay khả thi, nhưng nếu ai đó có thể chứng minh điều ngược lại thì điều đó thật tuyệt,” ông nói tại một hội nghị ở MIT năm ngoái.

Chuyến đi trên thang máy vũ trụ có thể sẽ gợi nhớ đến một chuyến bay khinh khí cầu - không có tiếng gầm rú của vòi phun, không có chùm lửa dữ dội. Trái đất rơi xuống một cách êm ả. Những ngôi nhà ngày càng nhỏ hơn, những con đường trở thành những sợi chỉ khó nhận thấy, và những dải sông màu bạc ngày càng mỏng đi. Cuối cùng, thế giới thấp hơn, hư không bị ẩn giấu trong mây và thế giới siêu việt phía trên được hiển lộ. Bầu khí quyển đã trôi qua, đằng sau tấm kính là bóng tối vũ trụ. Và cabin trượt ngày càng cao hơn dọc theo một sợi cáp, vô hình trên nền xanh lục của hành tinh và đi vào khoảng không không đáy.

Tsiolkovsky cũng mô tả một thiết kế có thể kết nối quỹ đạo với bề mặt Trái đất. Vào đầu những năm 1960, ý tưởng này được phát triển bởi Yuri Artsutanov và Arthur Clarke đã sử dụng nó trong cuốn tiểu thuyết Đài phun nước thiên đường. “World of Fantasy” quay lại chủ đề thang máy không gian và cố gắng tưởng tượng nó sẽ hoạt động như thế nào và những gì cần thiết cho nó.

Quỹ đạo địa tĩnh

Liệu một vệ tinh có thể đứng yên bất động trên đầu người quan sát không? Nếu Trái đất đứng yên, như trong hệ Ptolemaic của thế giới, câu trả lời sẽ là “không” - xét cho cùng, nếu không có lực ly tâm, vệ tinh sẽ không ở trên quỹ đạo. Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, bản thân người quan sát không bất động mà quay cùng hành tinh. Nếu chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh bằng một ngày thiên văn (23 giờ 56 phút 4 giây) và quỹ đạo của nó nằm trong mặt phẳng xích đạo, thì thiết bị sẽ bay lơ lửng trên cái gọi là “điểm đứng”.

Quỹ đạo mà vệ tinh đứng yên so với điểm đứng yên của nó được gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Và nó cực kỳ quan trọng cho việc khám phá không gian. Đó là nơi đặt hầu hết các vệ tinh liên lạc và thông tin liên lạc là lĩnh vực chính của việc sử dụng không gian cho mục đích thương mại. Việc truyền tải thông qua một bộ lặp treo phía trên đường xích đạo có thể được nhận trên các “tấm” cố định.

Ngoài ra còn có ý tưởng đặt một trạm có người lái trên quỹ đạo địa tĩnh. Để làm gì? Thứ nhất, để bảo trì và sửa chữa các vệ tinh liên lạc. Để các vệ tinh có thể hoạt động thêm vài năm nữa, thường chỉ cần tiếp nhiên liệu cho các động cơ vi mô cung cấp khả năng định hướng. Tấm năng lượng mặt trời và anten. Trạm có người lái sẽ có thể cơ động dọc theo quỹ đạo địa tĩnh, đi xuống (đồng thời vận tốc góc của nó sẽ cao hơn so với các vệ tinh “đứng”), bắt kịp phương tiện cần bảo dưỡng và bay lên trở lại. Điều này sẽ không tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn mức tiêu thụ của trạm quỹ đạo thấp khi nó vượt qua ma sát với bầu khí quyển loãng.

Có vẻ như lợi ích là rất lớn. Nhưng việc cung cấp một tiền đồn xa xôi như vậy sẽ quá tốn kém. Việc thay đổi thủy thủ đoàn và gửi tàu vận tải sẽ yêu cầu phương tiện phóng nặng gấp 5 lần so với những phương tiện hiện đang được sử dụng. Một ý tưởng hấp dẫn hơn nhiều là sử dụng một trạm cao độ để xây dựng thang máy không gian.

Cáp

Điều gì sẽ xảy ra nếu một sợi cáp được ném từ vệ tinh địa tĩnh xuống Trái đất? Đầu tiên, lực lượng Coriolis sẽ đưa anh ta về phía trước. Rốt cuộc, nó sẽ nhận được tốc độ tương tự như vệ tinh, nhưng sẽ ở quỹ đạo thấp hơn, đồng nghĩa với việc tốc độ góc của nó sẽ cao hơn. Nhưng sau một thời gian, cáp sẽ tăng trọng lượng và treo thẳng đứng. Bán kính quay sẽ giảm và lực ly tâm sẽ không còn khả năng cân bằng với lực hấp dẫn. Nếu bạn tiếp tục khắc sợi dây, sớm hay muộn nó cũng sẽ chạm tới bề mặt hành tinh.

Để ngăn trọng tâm của hệ thống bị dịch chuyển, cần có một đối trọng. Một số người đề nghị sử dụng các vệ tinh đã qua sử dụng hoặc thậm chí là một tiểu hành tinh nhỏ làm vật dằn. Nhưng có một lựa chọn thú vị hơn - khắc cáp theo hướng ngược lại với Trái đất. Nó cũng sẽ thẳng và căng ra. Nhưng không còn dưới sức nặng của chính nó nữa mà do lực ly tâm.

Cáp thứ hai sẽ hữu ích hơn chấn lưu đơn giản. Việc vận chuyển hàng hóa giá rẻ, không cần tên lửa vào quỹ đạo địa tĩnh là rất hữu ích, nhưng bản thân nó sẽ không trả được chi phí cho thang máy. Nhà ga ở độ cao 36.000 km sẽ chỉ trở thành điểm trung chuyển. Hơn nữa, không tiêu thụ năng lượng, được tăng tốc bởi lực ly tâm, tải sẽ di chuyển dọc theo cáp thứ hai. Ở khoảng cách 144.000 km tính từ Trái đất, tốc độ của chúng sẽ vượt tốc độ vũ trụ thứ hai. Thang máy sẽ biến thành máy phóng, phóng đạn tới Mặt trăng, Sao Kim và Sao Hỏa bằng cách sử dụng năng lượng quay của hành tinh.

Vấn đề là dây cáp không được phép đứt dưới sức nặng của chính nó, mặc dù nó có chiều dài tuyệt vời. Với một sợi dây thép, điều này sẽ xảy ra ở độ dài 60 km (và có thể sớm hơn nhiều, vì không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình dệt). Bạn có thể tránh bị đứt nếu độ dày của dây tăng theo cấp số nhân theo chiều cao - xét cho cùng, mỗi đoạn tiếp theo phải chịu được trọng lượng của chính nó cộng với trọng lượng của tất cả các đoạn trước đó. Nhưng thí nghiệm tưởng tượng sẽ phải bị gián đoạn: càng gần đầu trên, dây cáp sẽ đạt độ dày đến mức trữ lượng sắt trong vỏ trái đất đơn giản là không đủ cho nó.

Ngay cả loại polyethylene “Dyneema” mạnh nhất, từ đó áo giáp và dây dù được chế tạo, cũng không phù hợp. Nó có mật độ thấp, với tiết diện một milimet vuông, nó có thể chịu được tải trọng hai tấn và chỉ gãy dưới trọng lượng của chính nó ở độ dài 2500 km. Nhưng cáp Dainima phải có khối lượng khoảng 300.000 tấn và độ dày 10 mét ở đầu trên. Hầu như không thể đưa hàng hóa như vậy vào quỹ đạo và thang máy chỉ có thể được xây dựng từ trên cao.

Hy vọng được mang lại bởi ống nano carbon được phát hiện vào năm 1991, về mặt lý thuyết có khả năng bền hơn Kevlar 30 lần (trên thực tế, dây polyetylen vẫn bền hơn). Nếu những ước tính lạc quan về tiềm năng của chúng được xác nhận, thì có thể tạo ra một cuộn băng có tiết diện không đổi dài 36.000 km, nặng 270 tấn và sức chở 10 tấn. Và nếu ngay cả những ước tính bi quan nhất cũng được xác nhận, thì một chiếc thang máy có dây cáp dày 1 mm ở gần Trái đất và ở quỹ đạo 25 cm (khối lượng 900 tấn không tính đến đối trọng) sẽ không còn là khoa học viễn tưởng nữa.

Thang máy

Tạo một thang máy cho thang máy không gian là một công việc không hề đơn giản. Để chế tạo cáp, bạn chỉ cần phát triển một công nghệ mới. Một cơ chế có khả năng leo lên sợi cáp này và đưa hàng hóa lên quỹ đạo vẫn chưa được phát minh. Phương pháp “đất”, khi cabin được gắn vào một sợi dây quấn trên tang trống, không vấp phải sự chỉ trích: khối lượng của tải trọng sẽ không đáng kể so với khối lượng của sợi dây. Thang máy sẽ phải tự leo lên.

Có vẻ như điều này không khó để thực hiện. Cáp được kẹp giữa các con lăn và máy leo lên, được giữ bằng lực ma sát. Nhưng đây chỉ là thang máy không gian trong khoa học viễn tưởng - một tòa tháp hoặc một cây cột hùng vĩ trong đó cabin di chuyển. Trên thực tế, một sợi chỉ khó nhìn thấy nhất sẽ chạm tới bề mặt Trái đất: một dải ruy băng hẹp. Diện tích tiếp xúc của con lăn với vật đỡ sẽ không đáng kể, nghĩa là lực ma sát không thể lớn.

Còn một hạn chế nữa - cơ chế không được làm hỏng cáp. Than ôi, mặc dù vải nano có khả năng chống rách cực kỳ tốt nhưng điều này không có nghĩa là nó khó cắt hoặc khó sờn. Việc thay thế một dây cáp bị hỏng sẽ rất khó khăn. Và nếu nó vỡ độ cao, lực ly tâm sẽ đưa trạm bay xa vào không gian, phá hủy toàn bộ công trình. Để duy trì trọng tâm của hệ thống trên quỹ đạo trong trường hợp khẩn cấp, các quả mìn nhỏ sẽ phải được đặt dọc theo toàn bộ chiều dài của cáp. Nếu một trong các cành bị gãy, chúng sẽ ngay lập tức bắn đứt một phần bằng nhau của cành đối diện.

Còn rất nhiều vấn đề thú vị khác cần được giải quyết. Ví dụ, sự phân kỳ của các thang máy di chuyển về phía nhau và việc giải cứu hành khách khỏi các cabin “bị mắc kẹt”.

Khó khăn nhất là vấn đề cấp điện cho thang máy. Động cơ sẽ cần rất nhiều năng lượng. Dung lượng của pin, cả hiện có và đang được phát triển, đều không đủ. Việc cung cấp nhiên liệu hóa học và chất oxy hóa sẽ biến thang máy thành một hệ thống nhiều tầng gồm thùng chứa và động cơ. Nhân tiện, thiết kế tuyệt vời này không cần dây cáp đắt tiền - nó tồn tại ngay bây giờ và được gọi là "tên lửa đẩy".

Cách dễ nhất là lắp dây tiếp xúc vào cáp. Nhưng sợi cáp sẽ không chịu được trọng lượng của dây kim loại, điều đó có nghĩa là các ống nano sẽ phải được “dạy” cách dẫn dòng điện. Nguồn cung cấp năng lượng tự động dưới dạng các tấm pin mặt trời hoặc nguồn đồng vị phóng xạ khá yếu: theo ước tính lạc quan nhất, việc phát triển chúng sẽ phải mất nhiều thập kỷ. Một lò phản ứng hạt nhân có tỷ lệ khối lượng trên công suất tốt hơn sẽ mất nhiều năm để đưa cabin vào quỹ đạo. Nhưng bản thân nó quá nặng và cũng sẽ cần hai hoặc ba lần tiếp nhiên liệu trên đường đi.

Có lẽ, sự lựa chọn tốt nhất- đây là quá trình truyền năng lượng bằng cách sử dụng súng laser hoặc vi sóng chiếu xạ thiết bị thu của thang máy. Nhưng nó không phải là không có những khuyết điểm. Ở trình độ công nghệ hiện nay, chỉ một phần nhỏ năng lượng nhận được có thể chuyển hóa thành điện năng. Phần còn lại sẽ chuyển thành nhiệt, sẽ rất khó loại bỏ trong một không gian thiếu không khí.

Nếu cáp bị hư hỏng, sẽ rất khó để đưa thợ sửa chữa đến khu vực bị hư hỏng. Và nếu nó vỡ thì đã quá muộn (khung hình từ game Halo 3: ODST)

Bảo vệ bức xạ

Tin xấu cho những ai muốn đi xe nhẹ: thang máy sẽ đi qua vành đai bức xạ của Trái đất. Từ trường của hành tinh thu giữ các hạt gió mặt trời - proton và electron - và ngăn chặn bức xạ nguy hiểm chạm tới bề mặt. Kết quả là Trái đất được bao quanh trong mặt phẳng xích đạo bởi hai hình xuyến khổng lồ, bên trong đó tập trung các hạt tích điện. Ngay cả tàu vũ trụ cũng cố gắng tránh những khu vực này.

Vành đai đầu tiên, bẫy proton, bắt đầu ở độ cao 500–1300 km và kết thúc ở độ cao 7000 km. Đằng sau nó, cho đến độ cao khoảng 13.000 km, là một khu vực tương đối an toàn. Nhưng xa hơn nữa, từ 13 đến 20 nghìn km, vành đai bức xạ bên ngoài của các electron năng lượng cao còn mở rộng.

Các trạm quỹ đạo quay bên dưới vành đai bức xạ. Tàu vũ trụ có người lái chỉ vượt qua chúng trong các chuyến thám hiểm mặt trăng, chỉ dành vài giờ cho nó. Nhưng thang máy sẽ cần khoảng một ngày để vượt qua từng dây đai. Điều này có nghĩa là cabin sẽ phải được trang bị hệ thống bảo vệ chống bức xạ nghiêm trọng.

Tháp neo đậu

Phần đế của thang máy không gian thường được hình dung như một tổ hợp các công trình trên mặt đất nằm đâu đó ở Ecuador, rừng rậm Gabon hoặc đảo san hô ở Châu Đại Dương. Nhưng giải pháp rõ ràng nhất không phải lúc nào cũng là giải pháp tốt nhất. Sau khi được thả ra khỏi quỹ đạo, dây buộc có thể được buộc chặt vào boong tàu hoặc trên đỉnh của một tòa tháp khổng lồ. Tàu biển sẽ tránh bão, nếu không làm đứt thang máy có sức gió đáng kể thì có thể làm văng thang máy ra khỏi nó.

Một tòa tháp cao 12-15 km sẽ bảo vệ cáp khỏi tác động mạnh của khí quyển và cũng sẽ rút ngắn phần nào chiều dài của nó. Thoạt nhìn, lợi ích có vẻ không đáng kể, nhưng nếu khối lượng của cáp phụ thuộc theo cấp số nhân vào chiều dài của nó thì ngay cả một mức tăng nhỏ cũng sẽ tiết kiệm được đáng kể. Ngoài ra, tháp neo có thể tăng gấp đôi khả năng chịu tải của hệ thống bằng cách loại bỏ phần ren mỏng nhất và dễ bị tổn thương nhất.

Tuy nhiên, người ta chỉ có thể dựng lên một tòa nhà có chiều cao như vậy trên những trang tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Về mặt lý thuyết, một tòa tháp như vậy có thể được xây dựng từ vật liệu có độ cứng như kim cương. Trong thực tế, không có nền móng nào có thể đỡ được trọng lượng của nó.

Tuy nhiên, có thể xây dựng một tháp neo đậu ở độ cao nhiều km. Chỉ một vật liệu xây dựng Thứ nên phục vụ không phải là bê tông mà là khí đốt: những quả bóng bay chứa đầy khí heli. Một tòa tháp như vậy sẽ là một "cái phao", phần dưới của nó chìm trong bầu khí quyển và do lực Archimedean hỗ trợ, phần trên đã ở trong một không gian gần như không có không khí. Cấu trúc này có thể được xây dựng từ bên dưới, từ các khối riêng lẻ, có kích thước nhỏ và hoàn toàn có thể thay thế được. Không có trở ngại cơ bản nào để “tháp bơm hơi” đạt tới độ cao 100 hoặc thậm chí 160 km.

Ngay cả khi không có thang máy vũ trụ, một "tháp nổi" vẫn có ý nghĩa. Giống như một nhà máy điện - nếu lớp vỏ bên ngoài được bao phủ bởi các tấm pin mặt trời. Giống như một bộ lặp phục vụ một khu vực có bán kính một nghìn rưỡi km. Cuối cùng, là đài quan sát và căn cứ để nghiên cứu các tầng trên của khí quyển.

Và nếu không nhắm đến độ cao hàng trăm km, bạn có thể sử dụng khinh khí cầu hình vòng “neo” ở độ cao 40 km làm trạm neo đậu. Một chiếc khí cầu khổng lồ (hoặc một số khí cầu nằm chồng lên nhau) sẽ dỡ cáp thang máy, gánh trọng lượng của nó trong hàng chục km cuối cùng.

Nhưng lợi thế đáng kể nhất sẽ đến từ một nền tảng di chuyển dưới dạng khí cầu tầm cao bay qua xích đạo với tốc độ 360 km/h (điều này khá khả thi khi động cơ chạy bằng tấm pin mặt trời và lò phản ứng hạt nhân) . Trong trường hợp này, vệ tinh không cần di chuột qua một điểm. Quỹ đạo của nó sẽ nằm cách quỹ đạo địa tĩnh 7.000 km, điều này sẽ giúp giảm 20% chiều dài cáp và khối lượng xuống 2,5 lần (có tính đến những lợi ích từ việc sử dụng “tháp neo đậu”). Vấn đề vẫn là giải quyết vấn đề vận chuyển hàng hóa đến chính khí cầu.

Máy phóng trọng lực

Thang máy không gian là tham vọng nhất nhưng không phải là dự án duy nhất sử dụng dây buộc để phóng tàu vũ trụ. Một số kế hoạch khác có thể được thực hiện ở trình độ công nghệ hiện tại.

Chẳng hạn, điều gì sẽ xảy ra nếu một tải được buộc bằng dây cáp bị đẩy “lên” khỏi tàu con thoi đang treo trên quỹ đạo, cách xa Trái đất? Theo định luật bảo toàn động lượng, bản thân con tàu sẽ chuyển sang quỹ đạo thấp hơn. Và nó sẽ bắt đầu rơi. Tải trọng, kéo theo sợi cáp đang tháo ra, trước tiên sẽ bị lực Coriolis làm lệch về phía sau, nhưng sau đó sẽ lao “lên”. Thật vậy, khi bán kính quay tăng lên, lực hấp dẫn sẽ yếu đi và lực ly tâm sẽ tăng lên. Hệ thống sẽ hoạt động giống như một chiếc trebuchet - một chiếc máy ném cổ xưa. Tàu con thoi sẽ đảm nhận vai trò là chiếc lồng bằng đá, dây cáp sẽ biến thành dây treo và trục sẽ là khối tâm chung của hệ, hệ ở trạng thái không trọng lượng trong quỹ đạo ban đầu của tàu. Sau khi lắc lư so với trục, cáp sẽ thẳng theo phương thẳng đứng, căng ra và ném tải ra ngoài.

Sự khác biệt giữa máy phóng trọng lực và thang máy không gian là vai trò của “cái lồng” trong thang máy do chính hành tinh này đảm nhận, “rơi” xuống một độ cao nhỏ không thể phân biệt được so với tâm khối của “đạn Trái đất”. hệ thống. Trong trường hợp này, động năng của tàu con thoi sẽ bị tiêu hao. Con tàu sẽ truyền một phần động lượng của nó sang hàng hóa - chẳng hạn như một trạm liên hành tinh tự động - sẽ mất tốc độ và độ cao và đi vào các lớp dày đặc của khí quyển. Điều này cũng tốt, vì thông thường để ghi nợ, tàu con thoi phải giảm tốc độ do động cơ của nó làm đốt cháy nhiên liệu.

Với sự trợ giúp của máy phóng cáp, tàu con thoi sẽ có thể vận chuyển số lượng hàng hóa lên Sao Hỏa hoặc Sao Kim nhiều gấp 2-3 lần so với cách truyền thống. Tuy nhiên, điều này vẫn không cho phép hệ thống tàu con thoi cạnh tranh với phương tiện phóng thông thường về mặt hiệu quả. Rốt cuộc, để phóng "máy phóng", không chỉ cần phải phóng trọng tải mà còn phải phóng một sợi cáp khổng lồ có "đối trọng" vào quỹ đạo. Một điều nữa là đối trọng của máy phóng có thể được tìm thấy ngay trên quỹ đạo - ví dụ như một tàu vận tải đã hoàn thành nhiệm vụ của mình sẽ làm được. Ngoài ra, còn có một lượng lớn “rác vũ trụ” đang quay quanh hành tinh của chúng ta và sẽ phải được thu gom trong tương lai gần.

* * *

Các vấn đề liên quan đến việc xây dựng thang máy không gian vẫn chưa được giải quyết. Một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho tên lửa và tàu con thoi sẽ không sớm xuất hiện. Nhưng hiện tại, “cầu thang lên khoảng không” là dự án quy mô lớn và tuyệt vời nhất mà khoa học đang thực hiện. Ngay cả khi cấu trúc có chiều dài gấp hàng chục lần đường kính hành tinh này tỏ ra không hiệu quả, nó sẽ đánh dấu sự khởi đầu một giai đoạn mới trong lịch sử loài người. “Lối thoát khỏi cái nôi” tương tự mà Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky đã nói đến hơn một thế kỷ trước.

Ngày nay, tàu vũ trụ khám phá Mặt trăng, Mặt trời, các hành tinh và tiểu hành tinh, sao chổi và không gian liên hành tinh. Nhưng tên lửa sử dụng nhiên liệu hóa học vẫn là phương tiện đắt tiền và tiêu tốn ít năng lượng để đẩy tải trọng vượt quá lực hấp dẫn của Trái đất. Công nghệ tên lửa hiện đại gần như đã đạt đến giới hạn khả năng do thiên nhiên đặt ra phản ứng hoá học. Nhân loại đã đi đến ngõ cụt về công nghệ? Hoàn toàn không, nếu bạn nhìn vào ý tưởng cũ về thang máy không gian.

Tại nguồn gốc

Người đầu tiên suy nghĩ nghiêm túc về cách vượt qua lực hấp dẫn của hành tinh bằng cách sử dụng lực kéo lên là một trong những nhà phát triển phương tiện phản lực, Felix Zander. Không giống như người mơ mộng và nhà phát minh Baron Munchausen, Zander đã đề xuất một phương án dựa trên cơ sở khoa học về thang máy không gian lên Mặt trăng. Có một điểm trên đường đi giữa Mặt Trăng và Trái Đất mà tại đó lực hấp dẫn của các vật thể này cân bằng lẫn nhau. Nó nằm ở khoảng cách 60.000 km tính từ Mặt trăng. Càng gần Mặt Trăng, lực hấp dẫn của Mặt Trăng sẽ mạnh hơn Trái Đất và càng ở xa sẽ yếu hơn. Vì vậy, nếu bạn kết nối Mặt trăng bằng dây cáp với một số tiểu hành tinh còn sót lại, chẳng hạn như ở khoảng cách 70.000 km tính từ Mặt trăng, thì chỉ có dây cáp mới ngăn được tiểu hành tinh rơi xuống Trái đất. Sợi cáp sẽ liên tục bị kéo căng bởi lực hấp dẫn và dọc theo nó, nó sẽ có thể bay lên từ bề mặt Mặt trăng vượt quá giới hạn của lực hấp dẫn của Mặt trăng. Xét ở góc độ khoa học thì đây là một ý kiến ​​hoàn toàn đúng đắn. Nó không ngay lập tức nhận được sự quan tâm xứng đáng chỉ vì vào thời của Zander đơn giản là không có vật liệu nào mà dây cáp không bị đứt dưới sức nặng của chính nó.

“Năm 1951, Giáo sư Buckminster Fuller đã phát triển một cây cầu vòng nổi tự do quanh xích đạo Trái đất. Tất cả những gì cần thiết để biến ý tưởng này thành hiện thực là thang máy không gian. Và khi nào chúng ta sẽ có nó? Tôi không muốn đoán, vì vậy tôi sẽ phỏng theo câu trả lời mà Arthur Kantrowitz đã đưa ra khi ai đó hỏi anh ấy một câu hỏi về hệ thống phóng laser của anh ấy. Thang máy không gian sẽ được xây dựng 50 năm sau khi mọi người ngừng cười nhạo ý tưởng này.” (“Thang máy không gian: một thí nghiệm tư duy hay chìa khóa mở ra vũ trụ?”, bài phát biểu tại Đại hội du hành vũ trụ quốc tế lần thứ XXX, Munich, ngày 20 tháng 9 năm 1979.)

Ý tưởng đầu tiên

Những thành công đầu tiên của ngành du hành vũ trụ một lần nữa đánh thức trí tưởng tượng của những người đam mê. Năm 1960, một kỹ sư trẻ người Liên Xô, Yuri Artsutanov, đã thu hút sự chú ý đến tính năng thú vị gọi là vệ tinh địa tĩnh (GSS). Những vệ tinh này có quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và có chu kỳ quỹ đạo bằng độ dài một ngày của trái đất. Vì vậy, vệ tinh địa tĩnh liên tục bay lơ lửng trên cùng một điểm trên đường xích đạo. Artsutanov đề xuất kết nối GSS bằng cáp tới một điểm nằm bên dưới nó trên đường xích đạo của trái đất. Dây cáp sẽ bất động so với Trái đất và dọc theo đó là ý tưởng phóng cabin thang máy vào không gian. Ý tưởng sáng sủa này đã thu hút được nhiều tâm trí. Nhà văn nổi tiếng Arthur C. Clarke thậm chí còn viết một cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, The Fountains of Paradise, trong đó toàn bộ cốt truyện đều liên quan đến việc xây dựng thang máy không gian.

Sự cố thang máy

Ngày nay, ý tưởng về thang máy không gian trên GSS đã được triển khai ở Mỹ và Nhật Bản, thậm chí các cuộc thi cũng được tổ chức giữa các nhà phát triển ý tưởng này. Những nỗ lực chính của các nhà thiết kế là nhằm tìm kiếm vật liệu để có thể chế tạo một sợi cáp dài 40.000 km, có khả năng chịu đựng không chỉ trọng lượng của chính nó mà còn cả trọng lượng của các bộ phận kết cấu khác. Thật tuyệt vời khi một chất liệu thích hợp cho sợi cáp đã được phát minh ra. Đây là những ống nano carbon. Sức mạnh của chúng cao hơn nhiều lần so với những gì cần thiết cho thang máy vũ trụ, nhưng chúng ta vẫn cần học cách tạo ra một sợi chỉ không có khuyết tật từ những chiếc ống dài hàng chục nghìn km như vậy. Không còn nghi ngờ gì nữa, vấn đề kỹ thuật như vậy sớm hay muộn sẽ được giải quyết.

Từ Trái đất đến quỹ đạo thấp của Trái đất, hàng hóa được vận chuyển bằng tên lửa nhiên liệu hóa học truyền thống. Từ đó, các tàu kéo theo quỹ đạo sẽ thả hàng hóa xuống “bệ thang máy phía dưới”, được neo chắc chắn bằng dây cáp gắn vào Mặt trăng. Một thang máy đưa hàng hóa lên Mặt trăng. Do không cần phanh (và bản thân tên lửa) ở giai đoạn cuối và trong quá trình bay lên từ Mặt trăng nên có thể tiết kiệm chi phí đáng kể. Tuy nhiên, không giống như mô tả trong bài viết, cấu hình này thực tế lặp lại ý tưởng của Zander và không giải quyết được vấn đề loại bỏ trọng tải khỏi Trái đất, bảo toàn công nghệ tên lửa cho giai đoạn này.

Nhiệm vụ thứ hai và cũng là nhiệm vụ nghiêm túc trên con đường xây dựng thang máy vũ trụ là phát triển động cơ cho thang máy và hệ thống cung cấp năng lượng cho thang máy. Rốt cuộc, cabin phải leo 40.000 km mà không cần tiếp nhiên liệu cho đến khi kết thúc chặng leo! Vẫn chưa có ai tìm ra cách để đạt được điều này.

Cân bằng không ổn định

Nhưng khó khăn lớn nhất, thậm chí không thể vượt qua, đối với thang máy lên vệ tinh địa tĩnh có liên quan đến các định luật cơ học thiên thể. GSS ở trong quỹ đạo tuyệt vời của nó chỉ nhờ vào sự cân bằng giữa trọng lực và lực ly tâm. Bất kỳ sự vi phạm nào đối với sự cân bằng này đều dẫn đến việc vệ tinh thay đổi quỹ đạo và di chuyển ra khỏi “điểm đứng” của nó. Ngay cả những sự không đồng nhất nhỏ trong trường hấp dẫn của Trái đất, lực thủy triều của Mặt trời và Mặt trăng và áp lực của ánh sáng mặt trời cũng dẫn đến việc các vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh liên tục trôi dạt. Không còn nghi ngờ gì nữa rằng, dưới sức nặng của hệ thống thang máy, vệ tinh sẽ không thể giữ nguyên quỹ đạo địa tĩnh và sẽ rơi xuống. Tuy nhiên, có ảo tưởng rằng có thể mở rộng dây buộc ra ngoài quỹ đạo địa tĩnh và đặt một đối trọng lớn ở đầu xa của nó. Thoạt nhìn, lực ly tâm tác dụng lên đối trọng kèm theo sẽ siết chặt dây cáp để tải trọng bổ sung từ cabin di chuyển dọc theo nó sẽ không thể làm thay đổi vị trí của đối trọng và thang máy sẽ vẫn ở vị trí làm việc. Điều này sẽ đúng nếu thay vì sử dụng một sợi cáp mềm, một thanh cứng, không uốn cong: khi đó năng lượng quay của Trái đất sẽ được truyền qua thanh đến cabin và chuyển động của nó sẽ không dẫn đến sự xuất hiện của một lực ngang. lực căng của cáp không được bù đắp. Và lực này chắc chắn sẽ phá vỡ sự ổn định động của thang máy gần Trái đất và nó sẽ sụp đổ!

Sân chơi thiên đường

May mắn thay cho người trái đất, thiên nhiên đã dành sẵn cho chúng ta giải pháp tuyệt vời- Mặt trăng. Mặt trăng không chỉ nặng đến mức không thang máy nào có thể di chuyển được mà nó còn có quỹ đạo gần như tròn, đồng thời luôn hướng về Trái đất một mặt! Ý tưởng chỉ đơn giản là tự nó gợi ý - kéo dài một thang máy giữa Trái đất và Mặt trăng, nhưng cố định cáp thang máy chỉ bằng một đầu, trên Mặt trăng. Đầu thứ hai của sợi cáp có thể được hạ xuống gần như sát Trái đất và lực hấp dẫn sẽ kéo nó như một sợi dây dọc theo đường nối tâm khối lượng của Trái đất và Mặt trăng. Đầu tự do không được phép chạm tới bề mặt Trái đất. Hành tinh của chúng ta quay quanh trục của nó, do đó đầu cáp sẽ có tốc độ khoảng 400 m mỗi giây so với bề mặt Trái đất, tức là di chuyển trong khí quyển với tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh. Không có công trình nào có thể chịu được sức cản không khí như vậy. Nhưng nếu bạn hạ cabin thang máy xuống độ cao 30-50 km, nơi không khí khá loãng thì lực cản của nó có thể bị bỏ qua. Tốc độ trong cabin sẽ duy trì ở mức khoảng 0,4 km/s và tốc độ này có thể dễ dàng đạt được bằng các máy bay bình lưu hiện đại ở độ cao lớn. Bằng cách bay lên cabin thang máy và lắp ghép với nó (kỹ thuật lắp ghép này từ lâu đã được thực hiện cả trong chế tạo máy bay để tiếp nhiên liệu trên máy bay và trong tàu vũ trụ), bạn có thể di chuyển hàng hóa từ bên cạnh của tầng bình lưu đến cabin hoặc quay lại . Sau đó, cabin thang máy sẽ bắt đầu đi lên Mặt trăng và tầng bình lưu sẽ quay trở lại Trái đất. Nhân tiện, hàng hóa được vận chuyển từ Mặt trăng có thể được thả khỏi cabin bằng dù một cách đơn giản và được nhặt lên an toàn trên mặt đất hoặc trên đại dương.

Tránh va chạm

Một thang máy nối Trái đất và Mặt trăng phải giải quyết một vấn đề khác. nhiệm vụ quan trọng. Trong không gian gần Trái đất có một số lượng lớn tàu vũ trụ đang hoạt động và hàng nghìn vệ tinh không hoạt động, các mảnh vỡ của chúng và các mảnh vụn không gian khác. Một va chạm giữa thang máy và bất kỳ thang máy nào trong số chúng sẽ khiến dây cáp bị đứt. Để tránh rắc rối này, người ta đề xuất làm cho phần “dưới” của sợi cáp dài 60.000 km có thể nâng lên được và đưa nó ra khỏi vùng chuyển động của các vệ tinh Trái đất khi không cần thiết ở đó. Việc theo dõi vị trí của các vật thể trong không gian gần Trái đất hoàn toàn có khả năng dự đoán những khoảng thời gian khi chuyển động của thang máy trong khu vực này sẽ an toàn.

Tời cho thang máy không gian

Thang máy không gian lên Mặt trăng gặp sự cố nghiêm trọng. Các cabin của thang máy thông thường di chuyển với tốc độ không quá vài mét mỗi giây, và với tốc độ này, ngay cả việc leo lên độ cao 100 km (đến ranh giới bên dưới của không gian) cũng phải mất hơn một ngày. Ngay cả khi bạn di chuyển với tốc độ tối đa của tàu hỏa là 200 km/h, hành trình lên Mặt trăng sẽ mất gần ba tháng. Một chiếc thang máy chỉ có khả năng thực hiện hai chuyến bay lên Mặt trăng mỗi năm khó có thể có nhu cầu.

Nếu bạn bọc cáp bằng một màng siêu dẫn thì có thể di chuyển dọc theo cáp trên một đệm từ tính mà không tiếp xúc với vật liệu của nó. Trong trường hợp này, có thể tăng tốc nửa chặng đường và phanh cabin nửa chặng đường.

Một phép tính đơn giản cho thấy với gia tốc 1 g (tương đương với trọng lực thông thường trên Trái đất), toàn bộ hành trình lên Mặt trăng sẽ chỉ mất 3,5 giờ, tức là cabin sẽ có thể thực hiện ba chuyến bay lên Mặt trăng mỗi ngày . Các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu việc tạo ra các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng và sự xuất hiện của chúng có thể được mong đợi trong tương lai gần.

Để vứt rác

Điều thú vị cần lưu ý là khi đi được nửa chặng đường, tốc độ trong cabin sẽ đạt tới 60 km/s. Nếu sau khi tăng tốc, trọng tải được tháo ra khỏi cabin, thì với tốc độ như vậy, nó có thể được dẫn đến bất kỳ điểm nào trong hệ mặt trời, tới bất kỳ hành tinh nào, thậm chí là hành tinh xa nhất. Điều này có nghĩa là thang máy lên Mặt trăng sẽ có thể cung cấp các chuyến bay không có tên lửa từ Trái đất trong Hệ Mặt trời.

Và khả năng ném chất thải độc hại từ Trái đất lên Mặt trời bằng thang máy sẽ hoàn toàn xa lạ. Ngôi sao quê hương của chúng ta là một lò hạt nhân có sức mạnh đến mức mọi chất thải, thậm chí là chất phóng xạ, sẽ cháy không để lại dấu vết. Vì vậy, thang máy chính thức lên Mặt trăng không chỉ có thể trở thành nền tảng cho việc mở rộng không gian của nhân loại mà còn là phương tiện để làm sạch hành tinh của chúng ta khỏi sự lãng phí của tiến bộ kỹ thuật.

Mặc dù việc xây dựng một thang máy không gian đã nằm trong tầm tay của chúng ta. khả năng kỹ thuật, niềm đam mê xung quanh tòa nhà này đáng tiếc đã lắng xuống gần đây. Nguyên nhân là do các nhà khoa học vẫn chưa có được công nghệ sản xuất ống nano carbon có độ bền cần thiết ở quy mô công nghiệp.

Ý tưởng phóng hàng hóa lên quỹ đạo mà không cần tên lửa được đề xuất bởi chính người sáng lập ra ngành du hành vũ trụ lý thuyết - Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Lấy cảm hứng từ những gì chúng ta thấy ở Paris tháp Eiffel, ông mô tả tầm nhìn của mình về thang máy không gian dưới dạng một tòa tháp có chiều cao khổng lồ. Đỉnh của nó sẽ nằm trong quỹ đạo địa tâm.

Tháp thang máy được làm bằng vật liệu bền có khả năng chống nén - nhưng ý tưởng hiện đại thang máy không gian vẫn đang xem xét một phiên bản có dây cáp phải có độ bền kéo. Ý tưởng này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1959 bởi một nhà khoa học người Nga khác, Yury Nikolaevich Artsutanov. Đầu tiên công trình khoa học với những tính toán chi tiết về thang máy không gian dưới dạng dây cáp, được xuất bản năm 1975, và vào năm 1979 Arthur C. Clarke đã phổ biến nó trong tác phẩm “Đài phun nước thiên đường” của mình.

Mặc dù ống nano hiện được công nhận là vật liệu bền nhất và là vật liệu duy nhất phù hợp để chế tạo thang máy dưới dạng cáp kéo dài từ vệ tinh địa tĩnh nhưng cường độ của ống nano thu được trong phòng thí nghiệm vẫn chưa đủ để đạt cường độ tính toán.

Về mặt lý thuyết, độ bền của ống nano phải lớn hơn 120 GPa, nhưng trên thực tế, độ giãn dài cao nhất của ống nano vách đơn là 52 GPa và trung bình chúng bị đứt trong khoảng 30-50 GPa. Thang máy không gian yêu cầu vật liệu có độ bền 65-120 GPa.

Cuối năm ngoái, liên hoan phim tài liệu lớn nhất nước Mỹ DocNYC đã trình chiếu bộ phim Sky Line, trong đó mô tả nỗ lực của các kỹ sư Mỹ nhằm chế tạo thang máy không gian - bao gồm cả những người tham gia cuộc thi NASA X-Prize.

Nhân vật chính của phim là Bradley Edwards và Michael Lane. Edwards là nhà vật lý thiên văn, người đã nghiên cứu ý tưởng thang máy vũ trụ từ năm 1998. Lane là một doanh nhân và người sáng lập LiftPort, một công ty thúc đẩy... sử dụng thương mạiống nano carbon.

Vào cuối những năm 90 và đầu những năm 2000, Edwards, sau khi nhận được tài trợ từ NASA, đã phát triển mạnh mẽ ý tưởng về thang máy không gian, tính toán và đánh giá tất cả các khía cạnh của dự án. Mọi tính toán của ông đều cho thấy ý tưởng này có thể thực hiện được - chỉ cần xuất hiện một sợi cáp đủ chắc chắn để làm sợi cáp.

Edwards hợp tác một thời gian ngắn với LiftPort để tìm kiếm nguồn tài trợ cho dự án thang máy, nhưng do những bất đồng nội bộ nên dự án không bao giờ thành hiện thực. LiftPort đóng cửa vào năm 2007, mặc dù một năm trước đó nó đã trình diễn thành công một robot leo lên một sợi cáp thẳng đứng dài hàng dặm treo lơ lửng trên khinh khí cầu như một phần của bằng chứng về khái niệm cho một số công nghệ của nó.

Không gian riêng tư đó, tập trung vào các tên lửa có thể tái sử dụng, có thể thay thế hoàn toàn việc phát triển thang máy không gian trong tương lai gần. Theo ông, thang máy không gian hấp dẫn chỉ vì nó cung cấp nhiều cách rẻ tiềnđưa hàng hóa vào quỹ đạo và tên lửa có thể tái sử dụng đang được phát triển chính xác để giảm chi phí cho việc vận chuyển này.

Edwards đổ lỗi cho sự trì trệ của ý tưởng là do thiếu sự hỗ trợ thực sự cho dự án. “Đây là những dự án mà hàng trăm người rải rác trên khắp thế giới phát triển như một sở thích. Sẽ không có tiến bộ nghiêm túc nào được thực hiện cho đến khi có sự hỗ trợ thực sự và kiểm soát tập trung.”

Tình hình phát triển ý tưởng thang máy không gian ở Nhật Bản lại khác. Đất nước này nổi tiếng với sự phát triển trong lĩnh vực robot và nhà vật lý người Nhật Sumio Iijima được coi là người tiên phong trong lĩnh vực ống nano. Ý tưởng về thang máy không gian gần như mang tính quốc gia ở đây.

Công ty Nhật Bản Obayashi cam kết sẽ cung cấp thang máy không gian làm việc vào năm 2050. Giám đốc điều hành của công ty, Yoji Ishikawa, cho biết họ đang làm việc với các nhà thầu tư nhân và các trường đại học địa phương để cải tiến công nghệ ống nano hiện có.

Ishikawa nói rằng mặc dù công ty hiểu được sự phức tạp của dự án nhưng họ không thấy bất kỳ trở ngại cơ bản nào đối với việc thực hiện dự án. Ông cũng tin rằng sự phổ biến của ý tưởng về thang máy không gian ở Nhật Bản là do nhu cầu phải có một loại ý tưởng quốc gia nào đó để đoàn kết mọi người trong bối cảnh tình hình kinh tế khó khăn trong vài thập kỷ qua.

Ishikawa tự tin rằng mặc dù ý tưởng tầm cỡ này rất có thể chỉ có thể thành hiện thực thông qua hợp tác quốc tế, nhưng Nhật Bản hoàn toàn có thể trở thành động lực của ý tưởng này nhờ sự phổ biến rộng rãi của thang máy vũ trụ ở nước này.

Trong khi đó, công ty vũ trụ và quốc phòng Thoth Technology của Canada đã được trao Bằng sáng chế số 9.085.897 của Hoa Kỳ vào mùa hè năm ngoái cho phiên bản thang máy vũ trụ của họ. Chính xác hơn, khái niệm này liên quan đến việc xây dựng một tòa tháp duy trì được độ cứng nhờ khí nén.

Tòa tháp sẽ đưa hàng hóa lên độ cao 20 km, từ đó chúng sẽ được phóng lên quỹ đạo bằng tên lửa thông thường. Phương án trung gian này, theo tính toán của hãng, sẽ tiết kiệm tới 30% nhiên liệu so với tên lửa.

Hội nghị liên vùng IV của học sinh

"Đường tới các vì sao"

Thang máy vũ trụ - hư cấu hay hiện thực?

Hoàn thành:

____________________

Người giám sát:

___________________

Yaroslavl

Giới thiệu

Ý tưởng thang máy không gian của K.E. Tsiolkovsky, Yu.N. Artsutanova, G.G. Polyakova

Thiết kế thang máy vũ trụ

Mô tả dự án hiện đại

Phần kết luận

Giới thiệu

Năm 1978, cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng “The Fountains of Paradise” của Arthur C. Clarke được xuất bản, dành riêng cho ý tưởng xây dựng thang máy không gian. Hành động diễn ra vào thế kỷ 22 trên hòn đảo Taproban không tồn tại, như tác giả đã chỉ ra trong lời nói đầu, hòn đảo này tương ứng 90% với đảo Ceylon (Sri Lanka).

Thông thường, các nhà văn khoa học viễn tưởng dự đoán sự xuất hiện của một phát minh không phải ở thế kỷ của họ mà ở một thời điểm muộn hơn nhiều.

Thang máy không gian là gì?

Thang máy không gian là một khái niệm về cấu trúc kỹ thuật để phóng hàng hóa vào không gian mà không cần tên lửa. Thiết kế giả định này dựa trên việc sử dụng một sợi cáp kéo dài từ bề mặt hành tinh đến trạm quỹ đạo, nằm trên GSO. Lần đầu tiên ý tưởng như vậy được Konstantin Tsiolkovsky thể hiện vào năm 1895, ý tưởng này được phát triển chi tiết trong các tác phẩm của Yury Artsutanov.

Mục đích của công việc này là nghiên cứu khả năng xây dựng thang máy không gian.

Ý tưởng thang máy không gian của K.E. Tsiolkovsky, Yu.N. Artsutanov và G.G. Polyakova

Konstantin Tsiolkovsky là một nhà khoa học, nhà phát minh và giáo viên tự học người Nga và Liên Xô. Người sáng lập ra lý thuyết vũ trụ học. Ông biện minh cho việc sử dụng tên lửa cho các chuyến bay vào vũ trụ và đưa ra kết luận về sự cần thiết phải sử dụng “tàu tên lửa” - nguyên mẫu của tên lửa nhiều tầng. Các công trình khoa học chính của ông liên quan đến hàng không, động lực tên lửa và du hành vũ trụ.

Đại diện của chủ nghĩa vũ trụ Nga, thành viên của Hiệp hội những người yêu thích nghiên cứu thế giới Nga. Tác giả của các tác phẩm khoa học viễn tưởng, người ủng hộ và tuyên truyền các ý tưởng khám phá không gian. Tsiolkovsky đề xuất đưa người vào không gian vũ trụ bằng cách sử dụng các trạm quỹ đạo. Ông tin rằng sự phát triển của sự sống trên một trong các hành tinh của Vũ trụ sẽ đạt đến sức mạnh và sự hoàn hảo đến mức điều này có thể giúp vượt qua lực hấp dẫn và lan truyền sự sống khắp Vũ trụ.

Năm 1895, nhà khoa học người Nga Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky là người đầu tiên đưa ra ý tưởng và khái niệm về thang máy không gian. Ông mô tả một cấu trúc đứng tự do kéo dài từ mặt đất đến quỹ đạo địa tĩnh. Ở độ cao 36 nghìn km so với đường xích đạo và theo hướng quay của Trái đất, tại điểm cuối có chu kỳ quỹ đạo đúng một ngày, cấu trúc này sẽ giữ nguyên ở một vị trí cố định.

YU
Riy Nikolaevich Artsutanov là một kỹ sư người Nga sinh ra ở Leningrad. Tốt nghiệp Leningradsky

Viện Công nghệ, được biết đến là một trong những nơi tiên phong về ý tưởng thang máy không gian. Năm 1960, ông viết bài báo "Đến không gian - bằng đầu máy điện", trong đó ông thảo luận về khái niệm thang máy không gian như một cách tiếp cận quỹ đạo tiết kiệm, an toàn và thuận tiện để tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám phá không gian.

Yury Nikolaevich đã phát triển ý tưởng của Konstantin Tsiolkovsky. Ý tưởng của Artsutanov dựa trên việc liên kết các vệ tinh địa không đồng bộ bằng cáp với Trái đất. Ông đề xuất sử dụng vệ tinh làm cơ sở để xây dựng tòa tháp, vì vệ tinh địa tĩnh sẽ vẫn ở trên một điểm cố định trên đường xích đạo. Với sự trợ giúp của một đối trọng, sợi cáp sẽ được hạ từ quỹ đạo địa không đồng bộ xuống bề mặt Trái đất, trong khi đối trọng sẽ di chuyển ra xa Trái đất, giữ cho khối tâm của cáp đứng yên so với Trái đất.

MỘT Rtsutanov đề xuất buộc một đầu của “sợi dây” như vậy vào xích đạo của trái đất và vào đầu thứ hai, nằm xa hơn bầu khí quyển hành tinh, - treo một vật cân bằng. Nếu “sợi dây” đủ dài, lực ly tâm sẽ vượt quá lực hấp dẫn và ngăn không cho tải trọng rơi xuống Trái đất. Từ tính toán do Artsutanov đưa ra, có thể suy ra rằng lực hấp dẫn và lực ly tâm bằng nhau ở độ cao khoảng 42.000 km. Tổng hợp của các lực này, bằng 0, chắc chắn sẽ cố định “viên đá” ở thiên đỉnh.

Bây giờ đầu máy điện kín sẽ chạy thẳng đứng lên trên - hướng tới quỹ đạo. Việc tăng tốc độ mượt mà và phanh êm ái sẽ giúp tránh tình trạng quá tải đặc trưng của quá trình phóng tên lửa. Sau vài giờ di chuyển với tốc độ 10 - 20 km mỗi giây, điểm dừng đầu tiên sẽ theo sau - tại điểm phân, nơi một trạm trung chuyển trải rộng trong điều kiện không trọng lực sẽ mở cửa các quán bar, nhà hàng, sảnh chờ - và một khung cảnh tuyệt vời nhìn Trái Đất từ ​​cửa sổ.

Sau khi dừng lại, cabin không những có thể di chuyển mà không lãng phí năng lượng vì nó sẽ bị lực ly tâm ném ra khỏi Trái đất, mà ngoài ra, động cơ chuyển sang chế độ dynamo sẽ tạo ra lượng điện cần thiết để quay trở lại. .

Điểm dừng thứ hai và cuối cùng được đề xuất thực hiện ở khoảng cách 60.000 km tính từ Trái đất, nơi các lực tổng hợp sẽ bằng lực hấp dẫn trên bề mặt Trái đất và sẽ cho phép tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo tại “trạm cuối cùng”. ”. Tại đây, bên rìa của cáp treo dài nhất, một sân bay vũ trụ trên quỹ đạo thực sự sẽ được đặt. Đúng như dự đoán, anh ta sẽ phóng các tàu vũ trụ xuyên Hệ Mặt trời, mang lại cho chúng tốc độ đáng nể và ấn định quỹ đạo.

Không muốn giới hạn bản thân trong một sợi dây thô sơ, Yuri Artsutanov đã treo trên đó những nhà máy năng lượng mặt trời có chức năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện và các cuộn dây điện từ tạo ra trường điện từ. Một “đầu máy điện” phải di chuyển trong lĩnh vực này.

Nếu chúng ta ước tính trọng lượng của mặt đường từ tính như vậy, có tính đến chiều dài 60.000 km, thì hóa ra - hàng trăm triệu tấn? Nhiều hơn nữa. Cần hơn một nghìn tên lửa để kéo trọng lượng này lên quỹ đạo! Vào thời điểm đó điều đó dường như là không thể.

Tuy nhiên, lần này nhà khoa học đã nảy ra một ý tưởng đúng đắn: thang máy không nhất thiết phải được xây dựng từ dưới lên, giống như một tòa tháp khổng lồ - chỉ cần phóng một vệ tinh nhân tạo vào quỹ đạo địa tĩnh, từ đó sợi dây đầu tiên sẽ được hạ xuống. Về mặt cắt ngang, sợi chỉ này sẽ mỏng hơn một sợi tóc người nên trọng lượng của nó không vượt quá một nghìn tấn. Sau khi đầu tự do của sợi chỉ được cố định vào bề mặt trái đất, một “con nhện” sẽ chạy dọc theo sợi chỉ từ trên xuống dưới - một thiết bị nhẹ dệt sợi thứ hai song song. Nó sẽ hoạt động cho đến khi sợi dây đủ dày để đỡ “đầu máy điện”, tấm điện từ, nhà máy điện mặt trời, nhà vệ sinh và nhà hàng.

Khá dễ hiểu tại sao trong thời đại của các cuộc đua ngoài không gian, ý tưởng của Yuri Valerievich Artsutanov vẫn không được ai chú ý. Vào thời điểm đó không có vật liệu nào có thể chịu được áp suất caođứt cáp.

Để phát triển ý tưởng của Artsutanov, Georgy Polykov từ Astrakhan đã đề xuất dự án thang máy không gian của mình vào năm 1977. viện sư phạm.

Về cơ bản, thang máy này gần như không khác gì thang máy mô tả ở trên. Polykov chỉ chỉ ra: thang máy không gian thực sự sẽ phức tạp hơn nhiều so với thang máy được Artsutanov mô tả. Trên thực tế, nó sẽ bao gồm một loạt thang máy đơn giản có chiều dài giảm dần liên tục. Mỗi hệ thống là một hệ thống tự cân bằng, nhưng chỉ nhờ một trong số chúng tiếp cận Trái đất, sự ổn định của toàn bộ cấu trúc mới được đảm bảo.

Chiều dài của thang máy (khoảng 4 lần đường kính Trái đất) được chọn sao cho thiết bị, tách khỏi đỉnh của nó, có thể di chuyển theo quán tính vào không gian bên ngoài. Ở điểm trên cùng sẽ là điểm phóng cho tàu vũ trụ liên hành tinh. Và những con tàu trở về sau chuyến bay, trước đó đã đi vào quỹ đạo đứng yên, “nâng” lên khu vực căn cứ.

Theo quan điểm thiết kế, thang máy không gian bao gồm hai ống hoặc trục song song phần hình chữ nhật, độ dày của tường thay đổi theo một quy luật nhất định. Dọc theo một trong số chúng, các cabin di chuyển lên và dọc theo cái kia - đi xuống. Tất nhiên, không có gì ngăn cản bạn xây dựng một số cặp này. Ống có thể không liên tục mà bao gồm nhiều dây cáp song song, vị trí của chúng được cố định bằng một loạt khung hình chữ nhật nằm ngang. Điều này giúp việc lắp đặt và sửa chữa thang máy trở nên dễ dàng hơn.

Cabin thang máy chỉ đơn giản là các bệ được điều khiển bởi các động cơ điện riêng lẻ. Tải trọng hoặc mô-đun dân cư được gắn vào chúng - xét cho cùng, một chuyến đi trong thang máy có thể kéo dài một tuần hoặc thậm chí hơn.

Để tiết kiệm năng lượng, bạn có thể tạo ra một hệ thống giống như cáp treo. Nó bao gồm một loạt ròng rọc để ném các dây cáp kín có cabin treo trên đó qua đó. Các trục ròng rọc, nơi gắn động cơ điện, được gắn trên giá đỡ thang máy. Ở đây trọng lượng của các cabin lên và xuống được cân bằng lẫn nhau và do đó, năng lượng chỉ dành cho việc khắc phục ma sát.

Đối với các “ren” kết nối, từ đó thang máy được hình thành, cần phải sử dụng vật liệu có tỷ lệ ứng suất đứt trên mật độ lớn hơn 50 lần so với thép. Đây có thể là nhiều loại vật liệu tổng hợp khác nhau, thép xốp, hợp kim berili hoặc râu pha lê...

Tuy nhiên, Georgy Polykov không dừng lại ở việc làm rõ đặc điểm của thang máy vũ trụ. Ông chỉ ra một thực tế là vào cuối thế kỷ 20, quỹ đạo địa không đồng bộ sẽ có mật độ “rải rác” dày đặc các tàu vũ trụ thuộc nhiều loại và mục đích khác nhau. Và vì tất cả chúng hầu như sẽ bất động so với hành tinh của chúng ta, nên việc kết nối chúng với Trái đất và với nhau bằng thang máy không gian và đường cao tốc vận chuyển vành đai có vẻ rất hấp dẫn.

Dựa trên sự cân nhắc này, Polykov đưa ra ý tưởng về một “chiếc vòng cổ” vũ trụ của Trái đất. Vòng cổ sẽ đóng vai trò như một loại cáp treo (hoặc đường ray) giữa các trạm quỹ đạo và cũng sẽ cung cấp cho chúng sự cân bằng ổn định trong quỹ đạo địa không đồng bộ.

Vì chiều dài của “vòng cổ” rất lớn (260.000 km) nên có thể đặt rất nhiều trạm trên đó. Giả sử, nếu các khu định cư cách nhau 100 km thì số lượng của chúng sẽ là 2600. Với dân số 10 nghìn người ở mỗi trạm, 26 triệu người sẽ sống trên võ đài. Nếu quy mô và số lượng những “sự tàn bạo” như vậy tăng lên thì con số này sẽ tăng mạnh.

Thiết kế thang máy vũ trụ

Căn cứ

VỀ Đế của thang máy không gian là vị trí trên bề mặt hành tinh, nơi gắn cáp và quá trình nâng tải bắt đầu. Nó có thể di động, đặt trên một con tàu đi biển. Ưu điểm của căn cứ di động là khả năng thực hiện các động tác tránh bão, lốc. Ưu điểm của đế cố định là nguồn năng lượng rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn cũng như khả năng giảm chiều dài của cáp. Sự khác biệt của một vài km dây buộc là tương đối nhỏ, nhưng có thể giúp giảm độ dày cần thiết của phần giữa của nó và chiều dài của phần kéo dài ra ngoài quỹ đạo địa tĩnh. Ngoài chân đế, có thể đặt một bệ trên khinh khí cầu ở tầng bình lưu để giảm trọng lượng của phần dưới của cáp với khả năng thay đổi độ cao để tránh những luồng không khí hỗn loạn nhất, cũng như làm giảm rung động quá mức dọc theo toàn bộ chiều dài. của cáp.

Cáp

Cáp phải được làm bằng vật liệu có độ bền kéo cực cao so với tỷ lệ trọng lượng riêng. Thang máy không gian sẽ hợp lý về mặt kinh tế nếu có thể sản xuất ở quy mô công nghiệp với mức giá hợp lý một sợi cáp có mật độ tương đương với than chì và độ bền khoảng 65-120 gigapascal. Để so sánh, độ bền của hầu hết các loại thép là khoảng 1 GPa, thậm chí loại mạnh nhất cũng không quá 5 GPa và thép rất nặng. Kevlar nhẹ hơn nhiều có độ bền trong khoảng 2,6-4,1 GPa và sợi thạch anh có độ bền lên tới 20 GPa trở lên. Theo lý thuyết, các ống nano carbon phải có khả năng co giãn cao hơn nhiều so với yêu cầu của thang máy không gian. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất chúng với số lượng công nghiệp và dệt chúng thành dây cáp chỉ mới bắt đầu được phát triển. Về mặt lý thuyết, độ bền của chúng phải lớn hơn 120 GPa, nhưng trên thực tế, độ bền kéo cao nhất của ống nano vách đơn là 52 GPa và trung bình chúng bị đứt trong khoảng 30-50 GPa. Sợi chỉ bền nhất được dệt từ ống nano sẽ yếu hơn các thành phần của nó.

Trong một thí nghiệm của các nhà khoa học đến từ Đại học Nam California (Mỹ), ống nano carbon đơn vách chứng tỏ cường độ riêng cao hơn thép 117 lần và cao hơn Kevlar 30 lần. Có thể đạt giá trị 98,9 GPa, giá trị cực đại của chiều dài ống nano là 195 μm. Theo một số nhà khoa học, ngay cả ống nano carbon cũng sẽ không bao giờ đủ bền để chế tạo cáp thang máy không gian.

Các thí nghiệm của các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Sydney đã tạo ra được giấy graphene. Các thử nghiệm mẫu rất đáng khích lệ: mật độ của vật liệu thấp hơn thép từ 5 đến 6 lần, trong khi độ bền kéo cao gấp 10 lần so với thép cacbon. Đồng thời, graphene là chất dẫn điện tốt, cho phép nó được sử dụng để truyền tải điện tới thang máy dưới dạng bus tiếp xúc.

Vào tháng 6 năm 2013, các kỹ sư từ Đại học Columbia ở Mỹ đã báo cáo một bước đột phá mới: nhờ công nghệ mới Khi thu được graphene, có thể thu được các tấm có kích thước đường chéo vài chục cm và độ bền chỉ kém 10% so với lý thuyết.

Làm dày cáp

Thang máy không gian ít nhất phải chịu được trọng lượng của chính nó, điều này rất đáng kể do độ dài của cáp. Độ dày một mặt làm tăng độ bền của cáp, mặt khác, nó làm tăng thêm trọng lượng của cáp và do đó tăng thêm độ bền cần thiết. Tải trọng trên nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào Những nơi khác nhau: trong một số trường hợp, một phần của dây buộc phải đỡ trọng lượng của các đoạn bên dưới, trong những trường hợp khác, nó phải chịu được lực ly tâm giữ các phần trên của dây buộc theo quỹ đạo. Để thỏa mãn điều kiện này và để đạt được sự tối ưu của cáp tại mỗi điểm, độ dày của nó sẽ thay đổi.

Có thể chứng minh rằng có xét đến trọng lực của Trái Đất và lực ly tâm, NHƯNG, không tính đến ảnh hưởng nhỏ hơn của Mặt Trăng và Mặt Trời, tiết diện của sợi cáp tùy theo độ cao sẽ được mô tả theo công thức sau:

Diện tích mặt cắt ngang của cáp ở đâu là hàm của khoảng cách r tính từ tâm Trái đất.

Công thức sử dụng các hằng số sau:

- diện tích mặt cắt ngang của cáp ở mức bề mặt Trái đất.

- mật độ của vật liệu cáp.

- độ bền kéo của vật liệu cáp.

- tần số tròn vòng quay của Trái đất quanh trục của nó, 7,292·10−5 radian mỗi giây.

- khoảng cách từ tâm Trái Đất tới chân cáp. Nó xấp xỉ bằng bán kính Trái đất, 6.378 km.

- sự tăng tốc rơi tự doở chân cáp là 9,780 m/s2.

Phương trình này mô tả một dây buộc có độ dày đầu tiên tăng theo cấp số nhân, sau đó tốc độ tăng trưởng của nó chậm lại ở độ cao vài lần bán kính Trái đất, và sau đó nó trở nên không đổi, cuối cùng đạt đến quỹ đạo địa tĩnh. Sau đó, độ dày bắt đầu giảm trở lại.

Như vậy, tỉ số diện tích mặt cắt của cáp tại chân đế và tại GSO (r = 42.164 km) là:

P
đặt ở đây mật độ và độ bền của thép, và đường kính của cáp ở mặt đất là 1 cm, chúng ta có được đường kính ở mức GSO là vài trăm km, có nghĩa là thép và các vật liệu khác quen thuộc với chúng ta không phù hợp để xây dựng. một thang máy.

Theo đó, có bốn cách để đạt được độ dày cáp hợp lý hơn ở cấp GSO:

Sử dụng vật liệu ít dày đặc hơn. Vì mật độ của hầu hết các chất rắn nằm trong khoảng tương đối nhỏ từ 1000 đến 5000 kg/m³ nên khó có thể đạt được điều gì ở đây.

Sử dụng vật liệu bền hơn. Nghiên cứu chủ yếu đi theo hướng này. Ống nano carbon bền hơn thép tốt nhất hàng chục lần và chúng sẽ làm giảm đáng kể độ dày của cáp ở cấp độ GSO. Tính toán tương tự, được thực hiện trên giả định rằng mật độ cáp bằng mật độ sợi carbon ρ = 1,9 g/cm3 (1900 kg/m3), với độ bền tới hạn σ = 90 GPA (90 109 Pa) và đường kính cáp ở đế 1 cm ( 0,01 m), cho phép bạn có được đường kính cáp tại GSO chỉ 9 cm.

Nâng đế cáp lên cao hơn. Do sự hiện diện của hàm mũ trong phương trình, ngay cả việc nâng đế lên một chút cũng sẽ làm giảm đáng kể độ dày của cáp. Các tháp cao tới 100 km được đề xuất, ngoài việc tiết kiệm cáp, sẽ tránh được ảnh hưởng của các quá trình khí quyển.

Làm cho đế của cáp càng mỏng càng tốt. Nó vẫn cần đủ dày để chịu được lực nâng có tải, vì vậy độ dày tối thiểu ở chân đế cũng phụ thuộc vào độ bền của vật liệu. Một sợi cáp làm từ ống nano cacbon chỉ cần dày 1mm ở phần đế.

Một cách khác là làm cho chân thang máy có thể di chuyển được. Di chuyển ngay cả ở tốc độ 100 m/s sẽ giúp tăng tốc độ vòng tròn thêm 20% và giảm chiều dài cáp xuống 20-25%, điều này sẽ làm cho nó nhẹ hơn từ 50% trở lên. Nếu bạn “neo” cáp trên máy bay hoặc tàu hỏa siêu âm, thì độ tăng khối lượng của cáp sẽ không còn được đo bằng tỷ lệ phần trăm mà tính bằng hàng chục lần (nhưng tổn thất do lực cản không khí không được tính đến). Ngoài ra còn có ý tưởng sử dụng cáp có điều kiện thay vì cáp ống nano. đường dây điện Từ trường của trái đất.

Đối trọng

Một đối trọng có thể được tạo ra theo hai cách - bằng cách buộc một vật nặng (ví dụ: một tiểu hành tinh, một khu định cư không gian hoặc một bến tàu không gian) ra ngoài quỹ đạo địa tĩnh hoặc bằng cách kéo dài dây buộc ra một khoảng cách đáng kể ngoài quỹ đạo địa tĩnh. Tùy chọn thứ hai rất thú vị vì việc phóng tải tới các hành tinh khác từ đầu cáp dài sẽ dễ dàng hơn vì nó có tốc độ đáng kể so với Trái đất.

Động lượng góc, vận tốc và độ nghiêng

Tốc độ ngang của mỗi đoạn cáp tăng theo độ cao tỷ lệ với khoảng cách đến tâm Trái đất, đạt tốc độ vũ trụ đầu tiên trên quỹ đạo địa tĩnh. Vì vậy, khi nâng một vật nặng, anh ta cần nhận thêm mô men động lượng (tốc độ ngang). Động lượng góc có được do sự quay của Trái đất. Lúc đầu, thang máy di chuyển chậm hơn một chút so với cáp (hiệu ứng Coriolis), do đó “làm chậm” cáp và hơi lệch về phía tây. Với tốc độ đi lên 200 km/h, cáp sẽ nghiêng 1 độ. Thành phần lực căng nằm ngang trong cáp không thẳng đứng kéo tải sang một bên, tăng tốc theo hướng đông - do đó, thang máy thu được thêm tốc độ. Theo định luật thứ ba của Newton, dây cáp làm chậm Trái đất một lượng nhỏ và đối trọng một lượng lớn, do chuyển động quay của đối trọng chậm lại, dây cáp sẽ bắt đầu quấn quanh mặt đất. Đồng thời, tác động của lực ly tâm buộc cáp trở về vị trí thẳng đứng thuận lợi về mặt năng lượng, nhờ đó nó sẽ ở trạng thái cân bằng ổn định. Nếu trọng tâm của thang máy luôn ở trên quỹ đạo địa tĩnh thì bất kể tốc độ của thang máy như thế nào thì thang máy sẽ không rơi. Vào thời điểm trọng tải đạt đến quỹ đạo địa tĩnh (GEO), động lượng góc của nó đủ để phóng trọng tải lên quỹ đạo. Nếu tải không được giải phóng khỏi cáp thì khi dừng thẳng đứng ở mức GSO, nó sẽ ở trạng thái cân bằng không ổn định và với một lực đẩy xuống cực nhỏ, nó sẽ rời khỏi GSO và bắt đầu rơi xuống Trái đất theo phương thẳng đứng. tăng tốc và giảm dần theo phương ngang. Sự mất mát động năng từ thành phần nằm ngang trong quá trình đi xuống sẽ được truyền qua dây cáp đến động lượng góc quay của Trái đất, làm tăng tốc độ quay của nó. Khi được đẩy lên trên, tải trọng cũng sẽ rời khỏi GSO, nhưng theo hướng ngược lại, tức là nó sẽ bắt đầu bốc lên dọc theo sợi cáp với gia tốc từ Trái đất, đạt vận tốc cuối cùng ở cuối sợi cáp. Vì tốc độ cuối cùng phụ thuộc vào độ dài của cáp nên giá trị của nó có thể được đặt tùy ý. Cần lưu ý rằng gia tốc và sự tăng động năng của tải trọng trong quá trình nâng, tức là tải trọng được tháo ra theo hình xoắn ốc, sẽ xảy ra do Trái đất quay chậm lại. Quá trình này hoàn toàn có thể đảo ngược, tức là nếu bạn đặt một tải trọng lên đầu cáp và bắt đầu hạ nó xuống, nén nó theo hình xoắn ốc thì mômen động lượng quay của Trái đất sẽ tăng theo. Khi hạ tải sẽ xảy ra quá trình ngược lại, làm nghiêng cáp về phía Đông.

Phóng vào không gian

Ở điểm cuối của sợi cáp ở độ cao 144.000 km, thành phần tiếp tuyến của tốc độ sẽ là 10,93 km/s, quá đủ để rời khỏi trường hấp dẫn của Trái đất và phóng tàu lên Sao Thổ. Nếu vật thể được phép trượt tự do dọc theo đầu dây buộc, nó sẽ có đủ tốc độ để thoát khỏi hệ mặt trời. Điều này sẽ xảy ra do sự chuyển đổi tổng động lượng góc của dây cáp (và Trái đất) sang tốc độ của vật được phóng. Để đạt được tốc độ cao hơn nữa, bạn có thể kéo dài cáp hoặc tăng tốc tải bằng cách sử dụng điện từ.

Mô tả dự án hiện đại

Những đề xuất chi tiết hơn xuất hiện vào giữa đến cuối thế kỷ 20. Người ta hy vọng rằng thang máy không gian sẽ cách mạng hóa việc tiếp cận không gian gần Trái đất, tới Mặt trăng, Sao Hỏa và thậm chí xa hơn nữa. Tòa nhà này có thể một lần và mãi mãi để giải quyết vấn đề liên quan đến việc đưa một người vào vũ trụ. Thang máy sẽ giúp ích rất nhiều cho nhiều cơ quan vũ trụ trong việc vận chuyển các phi hành gia vào quỹ đạo hành tinh của chúng ta. Việc tạo ra nó có thể đồng nghĩa với việc chấm dứt các tên lửa gây ô nhiễm không gian. Tuy nhiên, khoản đầu tư ban đầu và trình độ công nghệ cần thiết đã cho thấy rõ rằng dự án như vậy là không thực tế và khiến nó bị xếp vào lĩnh vực khoa học viễn tưởng.

Có thể giải quyết vấn đề xây dựng như vậy vào lúc này? Những người ủng hộ thang máy vũ trụ tin rằng hiện tại có đủ cơ hội để giải quyết vấn đề này. sự cố kỹ thuật. Họ tin rằng tên lửa vũ trụ đã lỗi thời và gây ra tác hại không thể khắc phục được đối với thiên nhiên và quá đắt đỏ để có thể sử dụng. xã hội hiện đại.

Trở ngại nằm ở cách xây dựng một hệ thống như vậy. Fong nói: “Đầu tiên, nó phải được tạo ra từ một loại vật liệu chưa tồn tại nhưng bền và linh hoạt với các đặc tính về khối lượng và mật độ phù hợp để hỗ trợ vận chuyển và chịu được các lực bên ngoài đáng kinh ngạc”. “Tôi nghĩ tất cả những điều này sẽ đòi hỏi một loạt các sứ mệnh quỹ đạo và các cuộc đi bộ ngoài không gian đầy tham vọng nhất trên quỹ đạo Trái đất thấp và cao trong lịch sử loài người chúng ta.”

Ông cho biết thêm cũng có những lo ngại về an toàn. “Ngay cả khi chúng tôi có thể giải quyết được những khó khăn kỹ thuật quan trọng liên quan đến việc xây dựng một thứ như vậy, một bức tranh đáng sợ hiện lên về một miếng pho mát khổng lồ với những lỗ được tạo ra bởi tất cả các mảnh vụn không gian và mảnh vụn bên trên.”

Các nhà khoa học trên thế giới đang phát triển ý tưởng về thang máy không gian. Người Nhật công bố vào đầu năm 2012 rằng họ đang có kế hoạch xây dựng thang máy vũ trụ. Người Mỹ cũng báo cáo điều tương tự vào cuối năm 2012. Vào năm 2013, giới truyền thông đã nhớ đến nguồn gốc của “thang máy vũ trụ” ở Nga. Vậy khi nào những ý tưởng này sẽ trở thành hiện thực?

Khái niệm về Tập đoàn Obayashi Nhật Bản

Tập đoàn đề xuất phương pháp xây dựng sau: một đầu của sợi cáp có độ bền rất cao được giữ bởi một bệ lớn trên đại dương, còn đầu kia được cố định vào một trạm quỹ đạo. Một cabin được thiết kế đặc biệt di chuyển dọc theo sợi dây, có thể chở hàng hóa, phi hành gia hoặc khách du lịch vũ trụ.

Obayashi đang xem xét sử dụng ống nano carbon, loại vật liệu cứng hơn thép hàng chục lần, làm vật liệu cho cáp. Nhưng vấn đề là hiện tại chiều dài của những ống nano như vậy bị giới hạn ở khoảng 3 cm, trong khi thang máy không gian sẽ cần một sợi cáp có tổng chiều dài 96.000 km. Người ta hy vọng rằng có thể khắc phục được những khó khăn hiện tại vào khoảng những năm 2030, sau đó việc triển khai thực tế khái niệm thang máy không gian sẽ bắt đầu.

Obayashi đang xem xét khả năng tạo ra các cabin du lịch đặc biệt được thiết kế để chở tối đa 30 hành khách. Nhân tiện, hành trình lên quỹ đạo dọc theo dây cáp làm bằng ống nano carbon sẽ mất bảy ngày, do đó, các hệ thống hỗ trợ sự sống cần thiết, nguồn cung cấp thực phẩm và nước uống sẽ phải được cung cấp.

Obayashi hy vọng sẽ chỉ phóng thang máy vũ trụ vào năm 2050.

Thang máy không gian của LiftPort Group

Không chỉ Trái đất sẽ trở thành đối tượng xây dựng một thang máy như vậy. Theo một nhóm chuyên gia từ công ty LiftPort Group, Mặt trăng có thể hoạt động như một vật thể như vậy.

Cơ sở của thang máy không gian mặt trăng là một dây cáp ruy băng phẳng làm bằng vật liệu có độ bền cao. Những chiếc gondola vận chuyển sẽ di chuyển dọc theo tuyến cáp này tới bề mặt Mặt trăng và quay trở lại, chở người, Vật liệu khác nhau, cơ chế và robot.

Đầu “không gian” của sợi cáp sẽ được giữ bởi trạm vũ trụ PicoGravity Laboratory (PGL) đặt tại điểm Lagrange L1 của hệ Mặt Trăng-Trái Đất, điểm mà lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Trái Đất triệt tiêu lẫn nhau. Trên Mặt trăng, đầu cáp sẽ được kết nối với Trạm neo nằm ở vùng Sinus Medi (khoảng giữa “mặt” Mặt trăng nhìn Trái đất) và một phần của Cơ sở hạ tầng Thang máy Không gian Mặt trăng.

Lực căng của cáp thang máy không gian sẽ được thực hiện bởi một đối trọng, đối trọng này sẽ được giữ bởi một sợi cáp mỏng hơn dài 250 nghìn km và sẽ chịu tác động của lực hấp dẫn của Trái đất. Trạm vũ trụ của Phòng thí nghiệm PicoGravity sẽ có cấu trúc mô-đun, tương tự như cấu trúc của Trạm vũ trụ quốc tế hiện tại, giúp có thể dễ dàng mở rộng và bổ sung thêm các nút nối cho phép các loại tàu vũ trụ khác nhau cập bến trạm.

Mục tiêu chính của dự án này không phải là xây dựng thang máy không gian. Thang máy này sẽ chỉ là phương tiện đưa phương tiện tự động lên Mặt trăng, nó sẽ tự động khai thác nhiều loại khoáng sản khác nhau, bao gồm kim loại đất hiếm và heli-3, là nhiên liệu đầy hứa hẹn cho các lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong tương lai và có thể là nhiên liệu cho tàu vũ trụ trong tương lai.

“Thật không may, dự án này thực tế vẫn không thể thực hiện được do người dân thiếu nhiều công nghệ chủ chốt. Nhưng nghiên cứu về hầu hết các công nghệ này đã diễn ra được một thời gian và chắc chắn sẽ đến lúc việc xây dựng thang máy không gian sẽ chuyển từ thể loại khoa học viễn tưởng sang lĩnh vực những thứ khả thi trên thực tế.”

Các chuyên gia của LiftPort Group hứa hẹn sẽ thực hiện một thiết kế chi tiết, hoạt động được của cấu trúc vào cuối năm 2019.

"Phương tiện hành tinh chung"

Hãy xem xét một dự án có tên là Phương tiện Hành tinh Tổng hợp (GVT). Nó được đưa ra và chứng minh bởi kỹ sư Anatoly Yunitsky từ Gomel.

Năm 1982, một bài báo được đăng trên tạp chí “Công nghệ dành cho thanh niên”, trong đó tác giả khẳng định rằng nhân loại sẽ sớm có nhu cầu về một phương tiện mới về cơ bản có khả năng cung cấp phương tiện di chuyển trên tuyến đường Trái đất-Không gian-Trái đất.

Theo A. Yunitsky, GPV là một bánh xe kín có đường kính ngang khoảng 10 mét, nằm trên một cầu vượt đặc biệt được lắp đặt dọc theo đường xích đạo. Chiều cao của cầu vượt tùy theo địa hình từ vài chục đến vài trăm mét. Cầu vượt được đặt trên các giá đỡ nổi trên biển.

Trong một rãnh kín nằm dọc theo trục của thân GPV có một đai vô tận, có hệ thống treo từ tính và là một loại rôto động cơ. Một dòng điện được tạo ra trong nó sẽ tương tác với dòng điện tạo ra nó. từ trường và miếng băng không gặp bất kỳ lực cản nào (được đặt trong chân không) sẽ bắt đầu chuyển động. Chính xác hơn là quay quanh Trái đất. Khi đạt vận tốc thoát đầu tiên, băng sẽ trở nên không trọng lượng. Với khả năng tăng tốc hơn nữa, lực ly tâm của nó thông qua hệ thống treo từ tính sẽ bắt đầu tác dụng lực nâng thẳng đứng ngày càng tăng lên thân GPV cho đến khi nó cân bằng từng mét tuyến tính của nó (chiếc xe dường như sẽ trở nên không trọng lượng - tại sao không phải là một con tàu phản trọng lực? ?).

Hàng hóa và hành khách được đặt trên một phương tiện được giữ trên cầu vượt với dây đai phía trên trước đó đã quay với tốc độ 16 km/s, có khối lượng 9 tấn/m và giống hệt như dây đai phía dưới nhưng nằm bất động. Điều này được thực hiện chủ yếu bên trong và một phần bên ngoài thân GPV, nhưng để tải trọng tổng thể được phân bổ đều. Sau khi được giải phóng khỏi kẹp giữ GPV trên cầu vượt, đường kính của nó, dưới tác dụng của lực nâng, sẽ bắt đầu tăng dần và mỗi mét tuyến tính của nó sẽ nhô lên trên Trái đất. Vì hình dạng của vòng tròn tương ứng với năng lượng tối thiểu nên chiếc xe vốn đã sao chép mặt cắt của cầu vượt trước đó sẽ có hình dạng một vòng tròn lý tưởng sau khi nâng lên.

Tốc độ đi lên của phương tiện trên bất kỳ đoạn đường nào có thể được đặt trong phạm vi rộng: từ tốc độ của người đi bộ đến tốc độ máy bay. Xe đi qua phần khí quyển ở tốc độ tối thiểu.

Theo Anatoly Yunitsky, tổng trọng lượng của GPV sẽ là 1,6 triệu tấn, sức chở - 200 triệu tấn, sức chở hành khách - 200 triệu người. Số lượng chuyến đi bộ ngoài không gian của GPV ước tính trong thời gian phục vụ 50 năm là 10 nghìn chuyến bay.

Phần kết luận

Có nhiều dự án thang máy không gian và tất cả chúng đều khác rất ít so với những gì Artsupanov đề xuất, nhưng giờ đây các nhà khoa học cho rằng vật liệu ống nano sẽ sẵn có.

Thang máy không gian sẽ cách mạng hóa ngành công nghiệp vũ trụ bằng cách đưa người và hàng hóa lên quỹ đạo với chi phí thấp hơn đáng kể so với các phương tiện phóng truyền thống.

Hãy hy vọng rằng vào nửa sau thế kỷ 21, thang máy không gian sẽ bắt đầu hoạt động bên ngoài Trái đất: trên Mặt trăng, Sao Hỏa và các phần khác của Hệ Mặt trời. Với sự phát triển của công nghệ, chi phí xây dựng sẽ giảm dần.

Mặc dù thực tế là thời điểm này có vẻ xa vời và không thể đạt được, nhưng tương lai sẽ như thế nào và nó sẽ đến nhanh như thế nào đều phụ thuộc vào chúng ta.