Космический лифт и нанотехнологии. Космический лифт: фантазии или реальность? Орбитальный лифт

(ГСО) за счёт центробежной силы . По тросу поднимается , несущий полезный груз . При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.

От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . Создание лифта оценивается в 7-12 млрд долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу .

Конструкция

Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.

Основание

Основание 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.

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. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим [на сколько? ] выше.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

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.

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:

Здесь - площадь сечения троса как функция расстояния от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

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:

Подставив 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:

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).

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 пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, 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 (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину.

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 ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту.

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.

Строительство

Строительство ведётся с геостационарной станции. Это единственное место, где может причалить космический аппарат. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, - в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную орбиту традиционным способом, независимо от места назначения груза. То есть, стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.

Экономия от использования космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к большему разнообразию грузов. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура - шоссе и железные дороги.

Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.

Не следует забывать о лимите количества спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите: в настоящее время международными соглашениями допускается 360 спутников - один ретранслятор на угловой градус, во избежание помех при трансляции в полосе K u -частот. Для C-частот число спутников ограничено 180.

Данное обстоятельство объясняет настоящую коммерческую несостоятельность проекта, так как основные финансовые затраты негосударственных организаций ориентированы на спутники-ретрансляторы, занимающие либо геостационарную орбиту (телевидение, связь), либо более низкие орбиты (системы глобального позиционирования, наблюдения за природными ресурсами и т. п.).

Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.

Достижения

В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA . В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».

В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.

Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.

В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 грамм, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.

В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъемником на сайте Kickstarter . В зависимости от собранной суммы планируется подъем робота на 2 или более километров .

На соревнованиях Space Elevator Games с 4 по 6 ноября 2009 года прошло состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA, в Южной Калифорнии, на территории центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах знаменитой авиабазы Эдвардс . Зачётная длина троса составила 900 метров, трос был поднят при помощи вертолёта. Лидерство заняла компания LaserMotive представившая подъёмник со скоростью 3,95 м/с, что очень близко к требуемой скорости. Всю длину троса лифт преодолел за 3 минуты 49 секунд, на себе лифт нес полезную нагрузку 0,4 кг. .

Схожие проекты

Космический лифт является не единственным из проектов, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Одним из таких проектов является Orbital Skyhook (орбитальный крюк). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите, и быстро вращается вокруг своей средней части. За счет этого один конец троса движется относительно Земли с относительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов. При этом конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетический энергии. Достоинством проекта Skyhook является её реализуемость уже при существующих технологиях. Недостатком является то, что на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.

Космический лифт в различных произведениях

• В фильме СССР 1972 года Петька в космосе главный герой изобретает космический лифт.
• Одно из знаменитых произведений Артура Кларка , Фонтаны рая , основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
• В сериале «Звёздный путь: Вояджер » в эпизоде 3x19 «Rise» (Подъем) космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
• В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он - одно из поздних «Больших чудес».
• В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить суперволокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
• В фантастическом романе Франка Шетцинга «Limit» космический лифт действует как основное звено политической интриги в ближайшем будущем.
• В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки » одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
• В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War ) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
• В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
• В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).
• В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» - сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве космического лифта.
• Упоминается в песне группы Звуки Му «Лифт на небо».
• В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз поднимаются на космическом лифте, чтобы попасть в Парк Доктора Эггмана.
• В книге Александра Зорича «Сомнамбула 2» из серии Этногенез , главный герой Матвей Гумилев (после подсадки суррогатной личности-Маским Верховцев, личный пилот товарища Альфы, главы «Звездных борцов») путешествует на орбитальном лифте.
• В повести «Змееныш» писателя-фантаста Александра Громова герои пользуются космическим лифтом «по дороге» с Луны на землю.
• В цикле фантастических романов Джорджа Мартина «Путешествия Тафа» на планете «С"атлем» орбитальный лифт ведет к планетоиду, обустроенному, как космопорт.

В манге и аниме

• В третьем эпизоде аниме Кибер-город Эдо с помощью космического лифта можно было подняться на орбитальный криогенный банк.
• В Battle Angel фигурирует циклопический космический лифт, на одном конце которого находится Небесный Город Салем (для граждан) вместе с нижним городом (для не-граждан), а на другом конце находится космический город Йеру. Аналогичная конструкция находится и на другой стороне Земли.
• В аниме Mobile Suit Gundam 00 присутствуют три космических лифта, на них также крепится кольцо из солнечных батарей, что позволяет использовать космический лифт ещё и для добычи электроэнергии.
• В аниме Z.O.E. Dolores присутствует космический лифт, а также показано что может быть в случае теракта.
• Космический лифт упоминается в аниме-сериале Кровь Триединства , в нём противовесом служит космический корабль «Arc».

См. также

• Космический лифт: 2010 (англ.) русск.

Примечания

Литература

• Юрий Арцутанов «В космос - на электровозе», газета «Комсомольская правда » от 31 июля 1960 года.
• Александр Болонкин «Non-Rocket Space Launch and Flight», Elsevier, 2006, 488 pgs.

Просматривал сейчас научные задачи, за которые предлагают большое вознаграждение и наткнулся на такую, странную - протянуть трос в космос.

Впервые гипотетическая идея постройки такой конструкции, которая будет основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, была высказана ещё в 1895 году Константином Циолковским. С тех пор, не смотря на все достижения науки и техники, проект остаётся только на стадии идеи.

Сколько же призовой фонд этого проекта?

С 2005 года в США проходят ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».

То есть для того, чтобы получить премию, вам совсем не нужно строить полностью рабочий космический лифт. Достаточно разработать идею подходящего троса или подходящего подъёмника и соорудить их прототипы. В 2009 году общий призовой фонд Space Elevator Games составлял $4 000 000.

А в чем такой интерес именно к этому методу подъема в космос? Можно подумать о дешевизне? Но обслуживать настолько сложную инфраструктуру, поднимать трос, ликвидировать обрыв - может статься дороже чем запустить ракету. А какую массу можно будет поднять по такому тросу? Не думаю что много, да и затраты энергии тоже надо учесть.

Вот какие идеи сейчас бродят в умах исследователей и конструкторов по поводу ЛИФТА В КОСМОС.

Лифты, которые могут перевозить людей и груз с поверхности планеты в космос, могут означать конец загрязняющим пространство ракетам. Но сделать такой лифт крайне сложно. Концепция космических лифтов была известна давным-давно и введена еще Константином Эдуардовичем Циолковским, но с тех пор мы даже ни на йоту не приблизились к практическому воплощению такого механизма. Элон Маск в твиттере недавно написал: «И, пожалуйста, не задавайте мне вопросы по поводу космических лифтов, пока мы не вырастим материал из углеродных нанотрубок длиной хотя бы в метр».

Элон Маск, по мнению многих, визионер нашего времени — пионер частного освоения космоса и человек, стоящий за идеей транспортной системы Hyperloop, способной перевозить людей из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско по металлической трубе всего за 35 минут. Но есть некоторые идеи, которые даже он считает слишком надуманными. В том числе и космический лифт.

«Это невероятно сложно. Я не думаю, что построить космический лифт — реалистичная идея», — заявил Маск в ходе конференции в MIT в прошлом октябре, добавив, что проще было бы построить мост из Лос-Анджелеса в Токио, чем лифт, который сможет вывозить материалы в космос.

Отправка людей и полезных грузов в космос в капсулах, которые тянутся вдоль гигантского кабеля, удерживаемого на месте вращением Земли, была показана в работах научных фантастов вроде Артура Кларка, но едва ли представлялась целесообразной в реальном мире. Получается, мы обманываем сами себя, и наших способностей недостаточно, чтобы решить эту сложнейшую техническую задачу?

Сторонники космических лифтов считают, что достаточно. Они считают химические ракеты устаревшими, рискованными, наносящими вред окружающей среде и пожирающими финансы. Их альтернатива — это, по существу, железнодорожная линия в космос: работающий на электричестве космический аппарат, движущийся от якоря на Земле по сверхпрочному тросу, связанному с противовесом на геостационарной орбите вокруг планеты. После ввода в эксплуатацию космические лифты могли бы доставлять полезный груз в космос всего за 500 долларов за килограмм, что несравнимо с 20 000 долларов за килограмм по нынешним расценкам.

«Эта феноменально эффективная технология могла бы открыть Солнечную систему для человечества, — говорит Питер Свон, президент Международного консорциума космического лифта. — Я думаю, первые лифты будут роботизированными, а уже через 10-15 лет мы сделаем от шести до восьми лифтов, которые будут достаточно безопасными и для того, чтобы возить людей».

К сожалению, такая структура должна быть не только в 100 000 километров длиной — больше чем окружность Земли в два раза, — ей также нужно поддерживать свой собственный вес. Пока на Земле нет никакого материала с такими свойствами.

Но некоторые ученые считают, что его можно сделать — и оно станет реальностью уже в течение этого века. Крупная японская строительная компания пообещала создать его к 2050 году. Американские исследователи, недавно разработавшие алмазоподобный материал из нановолокон, тоже полагают, что трос для космического лифта появится уже до конца века.

Конструкция такого невероятного сооружения будет основана на специальном тросе, сделанном из тонких и сверхпрочных углеродных нанотрубок. Этот трос будет иметь длину 96 тысяч километров.

По законам физики, центробежная сила вращения не даст упасть такому тросу, растягивая его по всей длине. В случае успеха, подъемник сможет перемещаться со скоростью 200 км/час, поднимая до 30 человек в кабине. На высоте 36 тысяч километров, которой лифт будет достигать за неделю, планируется остановка. На такую высоту лифт будет поднимать туристов, а исследователи и специалисты смогут подняться до самого верха.

Современные идеи космического лифта уходят корнями в 1895 год, когда Константин Циолковский вдохновился недавно построенной Эйфелевой башней в Париже и рассчитал физику постройки здания, уходящего в космос, чтобы космические аппараты можно было запускать с орбиты без ракет. В романе Артура Кларка 1979 года «Фонтаны рая» главный герой строит космический лифт с аналогичной конструкцией, представляемой сегодня.

Но как воплотить ее в реальность? «Мне нравится эпатажность этой идеи, — говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. — Я понимаю, почему людям нравится эта идея, ведь если бы вы могли добраться до низкой околоземной орбиты дешево и безопасно, очень скоро внутренняя Солнечная система стала бы в вашем распоряжении».

Вопросы безопасности

Камень преткновения лежит в том, как построить такую систему. «Для начала она должна быть создана из пока не существующего, но прочного и гибкого материала с нужной массой и характеристиками плотности, чтобы поддерживать транспорт и выдержать невероятное воздействие внешних сил, — говорит Фонг. — Думаю, все это потребует серии самых амбициозных орбитальных миссий и космических прогулок на низкой и высокой околоземной орбитах в истории нашего вида».

Есть также проблемы безопасности, добавляет он. «Даже если бы мы могли решить существенные технические трудности, связанные со строительством такой штуки, вырисовывается страшная картина гигантского сыра с дырками, пробитыми всем этим космическим мусором и обломками наверху».

За последние 12 лет было представлено три детализированных рабочих проекта. Первый, опубликованный Брэдом Эдвардсом и Эриком Вестлингом в книге 2003 года «Космические лифты», предвидел перевозку 20 тонн полезного груза с питанием на основе земных лазеров по цене 150 долларов за килограмм и с ценой общего строительства в 6 миллиардов долларов.

Взяв эту концепцию за основу, дизайн Международной ассоциации астронавтов 2013 года уже обеспечил кабину защитой от погодных условий на первые 40 километров, а затем оснастил ее солнечными батареями. Транспортировка по этому плану стоит 500 долларов за килограмм, а строительство всей конструкции — 13 миллиардов долларов за первый проект (дальше всегда дешевле).

Эти предложения включают противовес в виде захваченного астероида на орбите Земли. Доклад МАА обозначает, что однажды этот пункт может стать возможным, но не в ближайшем будущем.

Плавающий якорь

Вместо этого, часть весом в 1900 тонн, которая должна поддерживать трос весом в 6300 тонн, может быть собрана из космических аппаратов и транспорта, которые доставляли трос в космос. Также она будет дополняться захваченными спутниками, которые перестали функционировать и остались болтаться на орбите в качестве космического мусора.

Они также предложили представить якорь на Земле плавучей платформой размером с большой танкер или авианосец рядом с экватором, поскольку это увеличило бы его пропускную способность. Предпочтительным местом является точка в 1000 километрах к западу от Галапагосских островов: ураганы, тайфуны и торнадо там считаются редкостью.

Корпорация «Обаяши», одна из пяти крупных строительных компаний Японии, в прошлом году представила планы на обустройство еще более надежного космического лифта, перевозящего роботизированные кары, оснащенные маглевными двигателями вроде тех, что используются на высокоскоростных железнодорожных путях. Они могли бы перевозить людей с необходимой прочностью троса. Такой дизайн обойдется в 100 миллиардов долларов по предварительным расчетам, но транспортировка будет стоить 50-100 долларов за килограмм.

Хотя препятствий, безусловно, много, единственный компонент, без которого строительство космического лифта будет невозможным сегодня, является сам трос, говорит Свон.

«Найти материал, из которого можно сделать трос, это основная технологическая проблема, — говорит он. — Все остальное ерунда. Мы уже можем все это сделать».

Алмазные тросы

Ведущим претендентом является трос, сделанный из углеродных нанотрубок, которые были созданы в лаборатории с пределом прочности на растяжение в 63 гигапаскаль — в 13 раз прочнее самой лучшей стали.

Максимальная длина углеродных нанотрубок неуклонно растет с момента их открытия в 1991 году. В 2013 году китайские ученые достигли уже полуметровой длины. Авторы доклада МАА предвещают длину троса из углеродных нанотрубок в километр к 2022 году, а к 2030 — необходимую для производства космического лифта.

Между тем в сентябре был представлен новый претендент на космический трос. Команда под руководством Джона Баддинга, профессора химии из Университета штата Пенсильвания, опубликовала работу в Nature, в которой рассказала, что создала сверхтонкие алмазные нановолокна, которые могут быть прочнее и жестче углеродных нанотрубок.

Команда начала со сжатия бензола атмосферным давлением в 200 000 атмосфер. Когда после этого давление медленно отпускали, атомы пересобирались в новую, чрезвычайно упорядоченную структуру, подобную тетраэдру.

Эти формы связались вместе, чтобы образовать сверхтонкие нановолокна, чрезвычайно похожие по структуре на алмаз. Хотя пока невозможно замерить их прочность напрямую из-за их размера, теоретические расчеты показали, что волокна могут быть прочнее и жестче, чем самые прочные синтетические материалы современности.

Снижение рисков

«Если бы мы могли научиться делать материалы на основе алмазных нановолокон или углеродных нанотрубок достаточно длинными и качественными, наука подсказывает, что мы могли бы начать строительство космического лифта сразу же», — говорит Баддинг.

Но даже если бы один из таких материалов оказался достаточно прочным, сборка и монтаж отдельных элементов космического лифта остается весьма проблемным мероприятием. Другие головные боли будут включать безопасность, сборку средств, удовлетворение интересов конкурирующих сторон и т. п. Свона, по крайней мере, это не пугает.

«Конечно, будут серьезные проблемы, как и у тех, кто строил первую трансконтинентальную железную дорогу, Панамский и Суэцкий каналы, — говорит он. — Потребуется много времени и денег, но, как и в случае со всеми великими предприятиями, справиться с препятствиями придется лишь однажды».

Даже Маск не может заставить себя дискредитировать эту идею. «Это явно не то, о чем можно говорить сейчас, — сказал он. — Но если бы кто-то переубедил меня, было бы здорово».

А некоторые ученые высказывают такие пять причин, из за которых такой лифт никогда не будет построен:

1. Нет достаточно прочного материала для троса

Нагрузка на трос может превышать 100 000 кг/м., так что материал для его изготовления должен обладать чрезвычайно высокой прочностью для устойчивости к растяжениям, и при этом очень низкой плотностью. Пока такого материала нет — не подходят даже углеродные нанотрубки, считающиеся сейчас самыми прочными и упругими материалами на планете.

К сожалению, технология их получения только начинает разрабатываться. Пока что удаётся получить крошечные кусочки материала: самая длинная нанотрубка, которую удалось создать — пара сантиметров в длину и несколько нанометров в ширину. Удастся ли когда-нибудь сделать из этого достаточно длинный трос, пока неизвестно.

2. Восприимчивость к опасным вибрациям

Трос будет восприимчив к непредсказуемым порывам солнечного ветра — под его воздействием он будет изгибаться, и это отрицательно скажется на стабильности лифта. В качестве стабилизаторов к тросу можно прикрепить микродвигатели, но эта мера создаст дополнительные трудности в плане технического обслуживания сооружения. Кроме того, это затруднит продвижение по тросу специальных кабинок, так называемых «альпинистов». Трос, скорее всего, вступит с ними в резонанс.

3. Сила Кориолиса

Трос и «альпинисты» неподвижны относительно поверхности Земли. А вот по отношению к центру Земли объект будет двигаться со скоростью 1 700 км/ч на поверхности и 10 000 км/ч на орбите. Соответственно, «альпинистам» при запуске надо придать эту скорость. «Альпинист» разгоняется в перпендикулярном тросу направлении, и из-за этого трос будет раскачиваться подобно маятнику. Одновременно с этим возникает сила, пытающаяся оторвать наш трос от Земли. Сила обратно пропорциональна величине прогиба троса и прямо пропорциональна скорости подъема груза и его массе. Таким образом, сила Кориолиса мешает быстро поднимать грузы на геостационарную орбиту.
С силой Кориолиса можно бороться, просто запуская одновременно двух «альпинистов» — с Земли и с орбиты, но тогда сила между двумя грузами будет растягивать трос ещё сильнее. Как вариант — мучительно медленный подъём на гусеничном ходу.

4. Спутники и космический мусор

За последние 50 лет человечество запустило в космос множество объектов — полезных и не очень. Или строителям лифта придётся всё это найти и убрать (что невозможно, учитывая количество полезных спутников или орбитальные телескопы), или предусмотреть систему, защищающую объект от столкновений. Трос — теоретически неподвижен, поэтому любое вращающееся вокруг Земли тело рано или поздно с ним столкнётся. Кроме того, скорость при столкновении будет практически равна скорости вращения этого тела, так что тросу будет причинён большой ущерб. Маневрировать трос не может, а протяжённостью обладает большой, поэтому столкновения будут частыми.
Как с этим бороться, пока не ясно. Учёные говорят о постройке орбитального космического лазера для сжигания мусора, но это уж совсем из области научной фантастики.

5. Социальные и экологические риски

Космический лифт вполне может стать объектом террористической атаки. Успешная подрывная операция нанесёт огромный ущерб и может вообще похоронить весь проект, так что одновременно с лифтом придётся выстраивать вокруг него и круглосуточную оборону.

Экологи же считают, что кабель, как ни парадоксально, может сместить земную ось. Трос будет жёстко закреплён на орбите, и любое его смещение наверху отразится на Земле. Кстати, представляете, что случится, если он вдруг оборвётся?

Таким образом, реализовать такой проект на Земле очень сложно. А теперь хорошая новость: это будет работать на Луне. Сила притяжения на спутнике куда меньше, а атмосфера фактически отсутствует. Якорь можно создать в поле силы тяжести Земли, и трос с Луны будет проходить через точку Лагранжа — таким образом, мы получаем канал связь между планетой и её естественным спутником. Такой трос при благоприятных условиях сможет переправлять на орбиту земли около 1000 тонн груза в сутки. Материал, конечно, потребуется сверхпрочный, но ничего принципиально нового изобретать не придётся. Правда, длина «лунного» лифта должна будет составить около 190 000 км из-за эффекта, названного Гомановской траекторией.

источники

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.

Космический лифт

Тот, кто думает, что с помощью нанотехнологии можно создать только что-то субмикроскопическое, невидимое для человеческого глаза, вероятно, будут удивлены проектом, разрабатываемым в последнее время специалистами из NASA и привлекшим столько внимания со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о проекте так называемого космического лифта.

Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана.

Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики. Он указывал на то, что принцип, положенный в основе современного ракетостроения, не позволяет современным ракетоноси-телям быть эффективным средством для доставки груза в космос. Причин тому несколько:

Во_первых, КПД современных ракет очень низок из_за того, что львиная доля мощности двигателей первой ступени уходит на работу по преодолению силы земного тяготения.

Во_вторых, известно, что значительное увеличение массы топлива в несколько раз даёт лишь небольшой прирост скорости ракеты. Потому, например, американский ракетный комплекс “Сатурн_Аполлон” при стартовой массе 2900 тонн выводил на орбиту только 129 тонн. Отсюда астрономическая стоимость космических запусков с помощью ракет (стоимость вывода килограмма груза на низкую орбиту составляет в среднем около $10.000.)

И, несмотря на многократные попытки снизить стоимость запуска ракет, по-видимому, радикально удешевить транспортировку грузов и людей на орбиту до стоимости стандартных авиаперевозок на базе современных ракетных технологий

принципиально невозможно.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом,исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Цена запуска груза с помощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Ученые полагают,

что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности.

По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли.Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники и зонды, которые нужно вывести на орбиту. С помощью этого лифта на самом верху можно будет построить в космосе стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры.

Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно,что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту.

Космический лифт описан в произведениях Циолковского,а также писателя_фантаста Артура Кларка, а проект строительства такого лифта был разработан ленинградским инженером Юрием Арцутановым в 1960 году. Долгие годы активным пропагандистом идеи космического лифта был астраханский

ученый Г.Поляков.

Но до сих пор никто не мог предложить материал такой легкости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать космический трос. До недавнего времени самым прочным материалом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в несколько тысяч километров не представляется возможным, так как даже упрощенные расчеты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км.

Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная возможность изготовить трос с нужными характеристиками на основе волокон из сверхпрочных и сверхлегких углеродных нанотрубок.Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотрубок, но, по уверениям разработчиков проекта, технологии производства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подобный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет.

Главный элемент подъемника-трос, один конец которого крепится на поверхности Земли, а другой теряется в космосе на высоте около 100 тыс. км. Этот трос будет не просто “болтаться” в космическом пространстве, а будет натянут, как струна,благодаря воздействию двух разнонаправленных сил: центро

бежной и центростремительной.

Чтобы понять их прироу, представьте, что вы привязали к веревке какой-нибудь предмет и начали его раскручивать. Как только он приобретет определенную скорость, веревка натянется, потому, что на предмет действует центробежная сила, а на саму веревку-сила центростремительная, которая ее и натягивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тросом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свободный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты, только “привязанному” особой “веревкой” к земной поверхности.

Уравновешение сил будет происходить, когда центр масс гигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров, то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно там искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. В этом случае он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение-вертикально к земному горизонту, точно по направлению к центру нашей планеты.

Рис 24. Космический лифт в представлении художника Пэта Ролингса*

Перепечатано с http://flightprojects.msfc.nasa.gov

Для начала строительства космического лифта необходимо будет совершить пару полетов на космических челноках. Они и специальная платформа со своим автономным двигателем доставят 20 тонн троса на геостационарную орбиту. Затем предполагается опустить на Землю один конец троса и закрепить где-то в экваториальной зоне Тихого океана на платформе, похожей на нынешнюю стартовую площадку для запуска ракет.

Затем рассчитывают пустить по тросу специальные подъемники, которые будут добавлять все новые и новые слои нанотрубочного покрытия к тросу, наращивая его прочность. Этот процесс должен занять пару-тройку лет- и первый космический лифт будет готов.

Любопытные совпадения: в 1979 году писатель-фантаст Артур Кларк в своем романе “Фонтаны рая” выдвинул идею “космического лифта” и предложил заменить сталь неким сверхпрочным “псевдоодномерным алмазным кристаллом”, который и стал основным строительным материалом для данного приспособления. Самое интересное, что Кларк почти угадал.Нынешний этап интереса к проекту строительства космического лифта связан именно с углеродными кристаллами – нанотрубками, обладающими замечательными свойствами, с которыми мы уже познакомились.

И что совсем уж удивительно: физика-одного из участников разработки космического лифта-зовут Рон Морган. Морганом же звали и персонажа романа Артура Кларка-инженера,построившего космический лифт!

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосœе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосœе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.

Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, в случае если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, ʼʼсъедаютʼʼ львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.

Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов - построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова - взять хотя бы сказку ʼʼДжек и бобовое зернышкоʼʼ; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.

(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно в связи с этим долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.

Первым из ученых, кто всœерьез заинтересовался проблемой космического лифта͵ стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 ᴦ. под впечатлением от Эйфелœевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосœе ʼʼзвездным замкомʼʼ. Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.

В 1957 ᴦ. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли - с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.

Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 ᴦ. вышел роман Артура Кларка ʼʼФонтаны раяʼʼ, а в 1982 ᴦ. - роман Роберта Хайнлайна ʼʼПятницаʼʼ. Но поскольку прогресс в данном направлении застопорился, о ней забыли.

Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 ᴦ. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гᴦ., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше крайне важно го минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.

Б 1999 ᴦ. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.

Сегодня доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.

Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. Сегодня самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длинœе не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее крайне важно, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.

Вторая проблема состоит по сути в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института͵ если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.

Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателœей к разработке космического лифта͵ NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 ᴦ. корабль SpaceShipOne.\"7d Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.

Чтобы выиграть первый из них, команда исследователœей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стрелœе подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосœе.

Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса -стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителœей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 ᴦ. - первом году конкурса - премия не была присуждена никому.)

Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.

Вместе с тем, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами - ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.