Орбитальный лифт. Можно ли построить лифт на Луну? «Общепланетное транспортное средство»

Хотя постройка космического лифта находится уже в пределах наших инженерных возможностей, страсти вокруг этого сооружения в последнее время, к сожалению, поутихли. Причина в том, что учёные пока никак не могут получить технологию для производства углеродных нанотрубок нужной прочности в промышленных масштабах.

Идею безракетного вывода грузов на орбиту предложил тот же самый человек, который основал и теоретическую космонавтику – Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновившись увиденной в Париже Эйфелевой башней, он описал своё видение космического лифта в виде башни огромной высоты. Её верхушка как раз находилась бы на геоцентрической орбите.

Лифт-башня основывается на прочных материалах, препятствующих сжатию – но современные идеи космических лифтов всё же рассматривают версию с тросами, которые должны быть прочными на растяжение. Такую идею впервые предложил в 1959 году ещё один русский учёный, Юрий Николаевич Арцутанов . Впервые научная работа с подробными расчётами по космическому лифту в виде троса была опубликована в 1975 году, а в 1979 Артур Кларк популяризовал её в своём произведении «Фонтаны рая».

Хотя нанотрубки в данный момент признаются самым прочным материалом, и единственным, подходящим для постройки лифта в виде троса, тянущегося с геостационарного спутника, прочности получаемых в лаборатории нанотрубок пока не хватает до расчётной.

Теоретически прочность нанотрубок должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Для космического лифта необходимы материалы с прочностью 65-120 ГПа.

В конце прошлого года на крупнейшем американском фестивале документальных фильмов DocNYC был показан фильм Sky Line , в котором описаны попытки инженеров из США построить космический лифт – включая участников конкурса X-Prize от НАСА.

Главными героями фильма выступают Брэдли Эдвардс и Майкл Лэйн . Эдвардс – астрофизик, работавший над идеей космического лифта с 1998 года. Лэйн – предприниматель и основатель компании LiftPort, пропагандирующей коммерческое использование углеродных нанотрубок.

В конце 90-х и начале 2000-х Эдвардс, получив гранты от НАСА, плотно разрабатывал идею космического лифта, рассчитывая и оценивая все аспекты проекта. Все его расчёты показывают, что эта идея осуществима – если только появится достаточно прочное для троса волокно.

Эдвардс какое-то время заключал партнёрское соглашение с LiftPort для поисков финансирования проекта лифта, но из-за внутренних разногласий проект так и не состоялся. LiftPort закрылась в 2007 году – хотя годом ранее, в рамках доказательства работоспособности некоторых своих технологий, успешно продемонстрировала робота , карабкающегося по вертикальному тросу в милю длиной, подвешенному на воздушных шарах.

Что частный космос, сконцентрировавшийся на повторно используемых ракетах, может полностью вытеснить разработку космического лифта в обозримом будущем. По его словам, космический лифт привлекателен только тем, что предлагает более дешёвые способы доставки грузов на орбиту, а многоразовые ракеты разрабатываются именно для удешевления этой доставки.

Эдвардс же винит в стагнации идеи отсутствие реальной поддержки проекта. «Именно так выглядят проекты, которые сотни людей, разбросанные по всему миру, разрабатывают в качестве хобби. Никакого серьёзного прогресса достигнуто не будет, пока не появится реальной поддержки и централизованного управления».

Иная ситуация с разработкой идеи космического лифта в Японии. Страна славится наработками в области робототехники, а японский физик Сумио Иидзима считается пионером в области нанотрубок. Идея космического лифта здесь является чуть ли не национальной.

Японская компания Обаяши клянётся к 2050 году представить работающий космический лифт. Руководитель компании, Йожи Ишикава рассказывает, что они работают с частными подрядчиками и местными университетами в целях улучшения существующей технологии получения нанотрубок.

Ишикава говорит, что хотя компания понимает всю сложность проекта, они не видят принципиальных препятствий для его осуществления. Также он считает, что популярность идеи космического лифта в Японии вызвана необходимостью наличия какой-то национальной идеи, сплачивающей людей на фоне тяжёлого экономического положения последней пары десятков лет.

Ишикава уверен, что хотя идея такого масштаба, скорее всего, может быть реализована только путём международного сотрудничества, Япония вполне может стать её локомотивом благодаря большой популярности космического лифта в стране.

Тем временем канадская космическая и оборонная компания Thoth Technology США № 9085897 на их вариант космического лифта. Точнее, концепция предусматривает постройку башни, которая сохраняет жёсткость благодаря сжатому газу.

Башня должна доставлять грузы на высоту в 20 км, откуда они уже будут выводиться на орбиту при помощи обычных ракет. Такой промежуточный вариант, по расчётам компании, позволит экономить до 30% топлива, по сравнению с ракетой.

Идея создания космического лифта упоминалась в научно-фантастических произведениях британского писателя Артура Чарльза Кларка еще в 1979 году. Он писал в своих романах, что абсолютно уверен в том, что однажды такой лифт будет построен.

Но первым человеком, кому пришла в голову такая странная идея, был русский инженер и основоположник российской космонавтики Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновленный постройкой Эйфелевой башни, он предложил построить еще более высокую башню несколько тысяч километров в высоту. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта и поездов на воздушной подушке.

Космический лифт – это звучит фантастично. Но люди в ХIХ веке также не смогли бы поверить в появление таких технических достижений, как самолет или космический корабль. Строительная корпорация «Обаяси» в Японии уже занимается разработкой технической документации для подготовки строительства космического лифта. Стоимость проекта составляет 12 млрд долларов. Строительство объекта будет завершено в 2050 году.

Потенциальная польза от применения космических лифтов достаточно высока. Все дело в том, что преодоление земного притяжения с помощью реактивной тяги нецелесообразно. Например, чтобы запустить «Шаттл» всего один раз, требуется потратить 500 млн долларов, поэтому запуски традиционных ракет-носителей станут экономически невыгодными.

Космический лифт состоит из трех основных частей: основание, трос и противовес.

Массивная платформа в океане, представляющая основание лифта, будет удерживать один конец троса из углеродистого волокна, на конце которого расположится противовес – тяжелый объект, который будет играть роль спутника, вращающегося вслед за нашей планетой и удерживаемый на орбите за счет центробежной силы. Именно по этому тросу, протянутому в небо на высоту до ста тысяч километров, и будут подниматься в космос грузы.

Чтобы доставить килограмм груза в космос с помощью ракеты, уходит до 15 тысяч долларов. Японцы подсчитали, что для доставки на орбиту груза с таким же весом они потратят… 100 долларов

Космический лифт – это тщательно проработанная идея. Например, подсчитано, что трос нельзя делать из стали. Он просто порвется под тяжестью своего веса. Материал должен быть в 90 раз прочнее и в 10 раз легче стали.

В качестве тросов инженеры собирались использовать углеродные нанотрубки, но выяснилось, что из такого материала невозможно сплести тросы большой длины.

Совсем недавно появилось изобретение, которое может, наконец, сделать фантазии о космическом лифте реальностью. Команда исследователей во главе с Джоном Баддингом из университета Пенсильвании создала ультратонкие нанонити из микроскопических алмазов, которые по прочности существенно превосходят нанотрубки и полимерные волокна.

Токийское небесное дерево — телевизионная башня в районе Сумида, самая высокая среди телебашен мира.

Руководитель научно-исследовательского подразделения компании «Обаяси» Йоджи Ишикава считает, что ноу-хау университета Пенсильвании действительно способно приблизить человечество к космосу. Он говорит, что новый материал, разумеется, должен пройти ряд испытаний на прочность, но, похоже, это именно то, что так долго искали он и его коллеги.

Компания «Обаяси» уже построила скоростные лифты для телевизионной башни высотой около 635 метров

НАСА сейчас также вплотную занимается секретной разработкой космолифта. В перспективе появится возможность доставки на орбиту частей гигантских межпланетных кораблей и их сборки в космосе. Такой проект можно реализовать только при помощи космолифта.

Но самое главное – государство, который первым построит космический лифт, на долгие столетия монополизирует сферу космических грузоперевозок.

Иллюстрация к научно – фантастическому роману Кима Стэнли Робинсона «Зеленый Марс» с изображением
космического лифта, установленного на Марсе.

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.

Проекты по постройке лифта, доставляющего грузы на орбиту, всегда казались нереалистичными. Способно ли что-то изменить изобретение новых материалов?

Традиционный способ доставки грузов на орбиту очень дорог. Например, перевозка одного килограмма на шаттле, по оценке НАСА, стоит примерно 22 тысячи долларов. На российской одноразовой ракете-носителе "Протон" стоимость ниже: по некоторым оценкам, она составляет от одной до четырёх с половиной тысяч за килограмм. Но и это тоже недёшево.

Освоение космоса тормозит именно дороговизна ракетных стартов. Позволить их себе могут лишь крупные государства и считанные мегакорпорации, нашедшие способ извлекать из присутствия на орбите прибыль. Появление другого, более доступного способа поменяло бы всё. Но есть ли такой способ?

Одна из самых любопытных идей, отвечающих на этот вопрос, - космический лифт. Она проста: конструкция, как и у обычного лифта, состоит из основания, троса, подъёмника и противовеса. Разница лишь в масштабах. Основание космического лифта находится на поверхности Земли, от него вверх тянется трос, по которому движется подъёмник с грузами или пассажирами, а на орбитальной станции расположен противовес, благодаря которому центр масс лифта находится над уровнем геостационарной орбиты.

Воображаемый космический лифт, изображение NASA

Главное преимущество космического лифта в том, что он экономичен. По расчётам специалистов из НАСА, доставка килограмма груза на космическом лифте обойдётся всего в несколько долларов.

Откуда такая экономия? Более 90 процентов веса ракет составляют топливо, расходуемые компоненты и сама "оболочка" ракеты. Лифт позволяет избежать львиной доли ненужных расходов. Если кроме перевозки грузов лифт можно будет использовать и для перемещения людей, билет на орбиту будет стоить не дороже билета на авиаперелёт.

Впрочем, не всё так просто. Рассуждать об экономике рано - сначала нужно решить инженерные проблемы. Впрочем, судя по тому, что идея привлекает не только фантастов, но и серьёзные организации, вроде NASA, за этим дело не станет.

С чего всё начиналось?

Считается, что первым к идее космического лифта обратился советский учёный Константин Циолковский. В 1895 году он предположил, что можно построить "Небесный замок" на геостационарной земной орбите, присоединённый к опоре на земле. Вдохновила же http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1/ учёного Эйфелева башня. Ему пришло в голову, что если вытянуть башню до орбиты, то получится что-то вроде лестницы в небо.

Первый подробный проект космического лифта принадлежит ленинградскому инженеру Юрию Арцупанову. В 1960 году он написал статью "В Космос - на электровозе ": "Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните вращать его. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет верёвку. Ну, а что будет, если такую "верёвку" укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, "подвесить" на ней соответствующий груз?"

Космический лифт в представлении советских художников А. Леонова и А. Соколова (1967 год)

Арцупанов предположил, что если трос сделать достаточно длинным, то на определённом расстоянии центробежная сила станет растягивать его, не давая грузу упасть на землю. Так будет происходить потому, что сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растёт с увеличением расстояния.

Как инженер он понимал, что главная проблема - это невероятно длинный трос, требующийся для космического лифта. Арцупанов предложил изготовить его из нескольких нитей, связанных между собой поперечными жгутами. Он считал, что это поможет защитить трос от внешних воздействий, например метеоров.

Верёвки, из которых будет состоять трос, должны быть разной толщины: снизу, у Земли, тоньше, а чем выше, тем толще. Максимальная толщина должна быть в точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Это нужно для того, чтобы растягивающее напряжение по всей длине было одинаковым. А в верёвки, из которых будет состоять трос, нужно вплести металлические провода, чтобы осуществлять электроснабжение.

Материал для троса

Даже самые прочные из известных материалов, такие, как сталь, или алмазная нить, не подходят для троса космического лифта. Главная надежда в этом смысле на углеродные нанотрубки. За счёт своей структуры (они могут быть однослойные и многослойные, прямые и спиральные) нанотрубки имеют необычные свойства, и самое примечательное из них - это прочность. Помимо того что они обладают невероятно большой прочностью на растяжение и изгиб, это ещё и неплотный материал, а значит, весит он совсем немного, что является его явным преимуществом. Отношение предела прочности к весу у нанотрубок достигает 74000 кНм/кг. По этому показателю они превосходят сталь в 117 раз, а кевлар - в 30 раз (подробнее об этом можно прочитать в статье "A New Lower Limit for the Ultimate Breaking Strain of Carbon Nanotubes").

Но промышленное применение нанотрубок пока невозможно из-за ряда проблем. Первая причина - наука пока не нашла экономически приемлемого способа выращивать нанотрубки в нужных количествах. Также пока невозможно создавать углеродные нанотрубки неограниченной длины с однородными физическими свойствами, то есть без структурных дефектов (хотя успешные попытки и делаются).

Несмотря на огромные перспективы этого материала, пока оценки специалистов относительно применения нанотрубок в проекте космического лифта пессимистичные. Итальянский учёный Никола Пуньо сделал вычисления, согласно которым неизбежные дефекты нанотрубок сделают их недостаточно прочными для космического лифта (за подробностями стоит обратиться к его докладу.)

Учёный рассчитал, что предел прочности троса должен составлять 62 гигапаскаля. Для сравнения: 1 ГПа - это 10 тонн на 1 см 2 . Предел прочности отдельной нанотрубки, по некоторым данным, составляет 100 гигапаскалей. Но если сплести из них трос, то за счёт дефектов он существенно снизится. Если это действительно так, то выходит, что современный уровень развития материаловедения не позволяет построить космический лифт.

Проекты космического лифта

Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны. Вот, например, рецепт космического лифта по-индийски. Заместитель начальника индийского космического центра VSSC Сентхил Кумар на одном из научных конгрессов рассказал о проекте лифта, в основании которого будет высотное здание. К нему прикрепят трос из композитного волокна на основе углеродных нанотрубок. На втором конце будет расположен противовес, уходящий за пределы геостационарной орбиты. Кабину лифта разделят на две части: отсек для грузов и помещение для людей. Индийцы уже даже рассчитали скорость подъёмника - 200 км в час. Достигнет своей цели кабина за восемь дней. Правда, господин Кумар не пояснил, как его соотечественники предлагают решать проблему радиации, молний, ветров, метеоров и космического мусора.

Смелее всех фантазии оказались, пожалуй, у канадцев. Из всех предложенных проектов у них получился самый необычный вариант. Они решили, что можно сделать лифт в виде огромной надувной башни. Башню канадцы предлагают собирать из модулей. Модуль в данном случае означает три скреплённые между собой трубы двухметрового диаметра, надутые гелием или другим лёгким газом. Между трубами предполагается вертикальный "проход", по которому будет двигаться кабина. Чтобы не быть голословными, канадцы спроектировали модель лифта.

Пока им удалось построить башню высотой 15 километров, но как "дотянуть" её до низкой околоземной орбиты, остаётся открытым вопросом. Проблему углеродных нанотрубок учёные вообще обошли стороной и предложили плести трос из уже имеющихся материалов. Статью об этом можно прочитать в журнале Acta Astronautica.

Но больше всех идея космического лифта интересует американцев. Например, Лос-Аламосская национальная лаборатория (та самая, где была сделана первая атомная бомба) активно занимается этим вопросом. Её сотрудники предложили свой вариант космического лифта, правда, принципиально он ничем не отличается от большинства других. На экваторе предлагается расположить океанскую платформу. Трос сделают в виде ленты из углеродных нанотрубок. Подавать энергию к лифтовой кабине планируется с помощью мощных лазеров, которые с Земли будут "подсвечивать" панели, преобразующие энергию обратно в электрический ток.

В качестве троса американцы тоже предполагают использовать углеродные нанотрубки: "С открытием углеродных нанотрубок и их поразительных свойств время космического лифта не за горами. Можно провести аналогию с Трансконтинентальной железной дорогой. Её строительство началось сразу же, как только был разведан последний маршрут через горы Калифорнии. И я надеюсь, что космический лифт начнёт свою работу, как только будет создана лента из нанотрубок длиной в сто тысяч километров", - сказал учёный лаборатории Брайан Лобшер (Bryan Laubscher).

Пояса Ван Аллена

Ещё одна из предполагаемых проблем - это радиация. Как известно, у Земли, как и у других крупных планет, есть радиационный пояс. Самая опасная часть лучевых поясов приходится на высоту от 1 до 20 тысяч километров над Землей; соответственно, поднимаясь со скоростью 200 км в час, космический лифт проведёт в опасной зоне примерно три с половиной дня.

Лабораторная симуляция влияния пояса Ван Аллена на солнечный ветер, изображение из "Википедии"

Если содержимое кабины теоретически возможно защитить от облучения, так как протоны высоких энергий обладают не очень высокой проникающей способностью, то сам трос и внешняя сторона устройства всё же облучатся. Опять же на утолщение конструкции кабины для защиты от радиации уйдёт дополнительный материал, что скажется на её весе и соответственно толщине троса. Это, конечно же, отразится и на стоимости лифта. Радиация представляет немалую опасность для пассажиров, однако некоторые грузы вполне могут обойтись и без защиты.

Кориолис против

Во-вторых, существует интересный проект, Space Elevator Games, который сотрудники НАСА придумали для развития этой области. Space Elevator Games - это ежегодное соревнование, участникам которого предлагается сделать уменьшённую модель космического лифта. Лучшая работа оценивается сотрудниками НАСА и вознаграждается денежным призом.

Ролик НАСА о соревнованиях

За историю существования проекта особо примечательных результатов было не так много. Тем не менее встречались и интересные. Например, продуктивными оказались соревнования 2009 года. Требования были такими. Роботам, поднимающимся по тросу, разрешено использовать энергию, посылаемую лучом с поверхности земли, ведь в настоящем космическом лифте возможна только такая модель энергопитания, так как ни одного аккумулятора не хватит на весь подъём кабины. Поэтому всем участникам пришлось использовать солнечные батареи, питаемые наземным лазером. Также неотъемлемой частью стал и электромотор с роликами, обхватывающими трос. Приз за работу составил 900 тысяч долларов, если скорость робота будет не ниже 2 метров в секунду, и 1,1 миллиона, если его скорость будет 5 м/с. Требования высокие, тем более что до 2009 года лучшим результатом было преодоление 100 метров со скоростью 1,8 м/с. Но, несмотря на сложную задачу, победители всё же нашлись. Ими стала команда LaserMotive промышленной фирмы из Сиэттла. Они сделали робота, который за три минуты и 48 секунд со скоростью 3,95 метра в секунду преодолел нужное расстояние. Так команда из Сиэттла получила свои 900 тысяч долларов, немного не дотянув до главного приза - 1,1 миллиона.

Работа победителей 2009 года в действии

Перспективы

В околонаучной литературе любят писать, что космический лифт построят через пять лет после того, как последний человек перестанет смеяться над этим проектом. В реальности, наверное, стоит отталкиваться от продвижений в области материаловедения. Сегодня сплести канат из углеродных нанотрубок невозможно. Невозможно сказать, получится ли это через пять или через двести лет. В целом активность вокруг космического лифта, действительно, вызывает улыбку. Но ведь и сама идея полёта в космос тоже когда-то казалась весьма сомнительной.