С легкой руки физиков и фантастов идея космического лифта прочно засела в головах любителей космонавтики. Мало какое воображаемое будущее обходится без гигантской инфраструктуры, уносящей людей и грузы прямо на орбиту. Но будет ли создан космический лифт в реальном будущем? Как ни печально, но в этом есть большие сомнения.

Современная мода на разработку микро-, нано- и даже фемтоспутников массой менее 100 г связана не только с миниатюризацией электроники, но и с чисто экономическими причинами. Несмотря на то, что за десятилетия развития космической техники цена вывода грузов на околоземную орбиту упала на порядок, заметную долю стоимости космических миссий до сих пор составляет их доставка на место. Этот фактор серьезно тормозит всю космонавтику, превращая ее в удел лишь финансово обеспеченных организаций и закрывая путь массе разработчиков и исследователей.

Каждая ракета и каждый разгонный блок - изделие штучное, требующее месяцы, а то и годы производства - и притом одноразовое: проработав максимум десяток минут, они гибнут. Недаром и американская корпорация SрасеХ, и российские инженеры вовсю прорабатывают варианты создания хотя бы многоразовых первых ступеней - самых мощных и дорогих компонентов систем выведения. Таким проектом была разработанная в ГКНПЦ им. Хруничева «Байкал-Ангара» или проект SpaceX Grasshopper - приземляющаяся на «ножки» первая ступень для ракет семейства Falcon.

Но все это лишь полумеры: снизить стоимость полетов в космос требуется на порядок, а для этого уместнее не дорабатывать старые, а прорабатывать . И первым в их ряду будет, конечно, космический лифт, идея настолько же перспективная, насколько и простая.

Беспроблемная концепция космического лифта

Возьмите обычную веревку и быстро раскрутите вокруг себя - вот вкратце вся концепция космического лифта. Привязанный к Земле достаточно длинный и прочный трос, уходящий на околоземную орбиту, будет висеть вертикально как бы сам собой, за счет центробежной силы. Остается смонтировать на нем подъемную платформу - и можно отправляться в космос. К сожалению, на деле с реализацией простой идеи все обстоит далеко не так просто.

Пожалуй, самый знаменитый и активно развивающийся проект космического лифта пытается реализовать американский стартап LiftPort . Уже из названия его видно, что главной своей целью разработчики ставят даже не просто «космический», но «лунный» лифт, позволяющий наладить бесперебойное сообщение по линии Земля - Луна.

По расчетам специалистов компании, основная инфраструктура космического лифта должна быть привязана к плавучей морской платформе, которая обеспечит системе необходимую динамичность. Поднимающийся с нее трос будет достигать высоты порядка 100 тыс. км. Можно обойтись тросом и покороче, высотой «всего» около 35,5 тыс. км - главное, чтобы он достигал геостационарной орбиты, что позволит ему оставаться в вертикальном положении.

Таких нагрузок не выдержит даже самая прочная сталь, и чтобы трос космического лифта не разорвался под собственным весом, сделать его предлагается из углеродных нанотрубок, отличающихся и малым весом, и поразительной прочностью. Однако до сих пор производство нанотрубок длиной хотя бы несколько сантиметров остается неразрешенной технологической проблемой. Что уж говорить о километрах.

И даже если задача будет решена, графен и может не помочь.

Предполагаемая конструкция космического лифта

Основание. Подвижное позволит уклоняться от грозящих опоре троса природных катаклизмов. Стационарное удобнее в плане обеспечения лифта дешевой энергией.

Трос. Должен выдерживать как минимум свой собственный вес, вес сопутствующей инфраструктуры и центробежную силу. По расчетам, толщина его должна быстро нарастать с высотой, выходя на стационар.

Противовес. Это может быть масштабная «конечная станция» или привязанный к тросу астероид. Но если трос будет уходить за геостационарную орбиту, он будет удерживаться под собственной массой, а с конца его можно будет отпускать в полет дальние космические зонды.

Проблема первая - материал для космического лифта

Действительно, углеродные нанотрубки являются на сегодня едва ли не самым механически прочным материалом из всех известных человечеству. Сила бесчисленных sp2-связей между атомами углерода в одномерной, свернутой цилиндром кристаллической решетке невероятно высока. Но и этого недостаточно: по словам известного эксперта и футуролога Говарда Кита Хенсона (Howard Keith Henson), даже в самых оптимистичных расчетах прочность такого троса составит лишь около двух третей необходимой величины.

Хенсон считает, что сложность с нанотрубками состоит не столько в технологии, сколько в самой их структуре. Необходимо научиться производить не только длинные нанотрубки, но и идеальные, с «чистотой» не хуже чем у драгоценных камней. Иначе те самые sp2-связи, которые в графене связывают шесть атомов углерода, будут терять устойчивую конфигурацию и в местах дефектов станут охватывать 5 или 7 атомов, резко снижая прочность.

Инженер сравнивает это с зацепками на женских чулках: одно-единственное нарушение способно привести к «расползанию» всей структуры. И если до сих пор даже производство крупных, порядка сантиметровых размеров, бездефектных кристаллов остается нерешенной задачей, то будет ли она решена применительно к многокилометровым нанотрубкам? Если и будет - то не в обозримом времени, полагает Кит Хенсон. Трос космического лифта должен выдерживать до 100 МН/(кг/м), и, если даже углеродные нанотрубки достигнут такого уровня, они не должны содержать ни единого дефекта, иначе трос расползется еще до того, как мы попытаемся отправиться на нем в космос.

По некоторым оценкам, трос космического лифта должен иметь прочность более 130 ГПа. Для сравнения, кевлар достигает уровня 4 ГПа, прочнейшие виды стали - всего 5 ГПа. Теоретически, углеродные нанотрубки могут иметь прочность нужной величины (вплоть до 300 ГПа), однако на практике достигнуто лишь около 50 ГПа (и 99 ГПа в одном из экспериментов). При этом технологии изготовления длинных нанотрубок - а тем более плетения из них тросов - остаются в самом зачаточном состоянии.

Даже один из самых больших энтузиастов космических лифтов, физик Дэвид Аппель (David Appell), ведущий несколько связанных с этой темой проектов, как-то признался: «Можно ли быть уверенным, что когда-нибудь удастся создать из нанотрубок структуру размерами 100 тыс. км? К сожалению, ответить на этот вопрос пока не может никто».

Проблема вторая: колебания

Допустим, мы совершили прорыв и создали углеродные нанотрубки нужной длины, добились бездефектной структуры, сплели из них лифтовый трос и даже подняли его на нужную высоту. Что дальше? А дальше - рутинная жизнь с ее миллионом опасных деталей. Ведь такая конструкция неминуемо будет испытывать самые разнообразные воздействия, многие из которых грозят развалить все многотрудное сооружение.

Такие расчеты произвел чешский астрофизик Любое Перек (Lubos Perek), показав, что сочетание нескольких факторов - игры гравитационных сил со стороны Земли и Луны, давления частиц солнечного ветра и т.п. - может оказывать непредсказуемое воздействие на трос космического лифта. Перек выяснил, что игра этих сил способна заставить раскачиваться, вибрировать и закручиваться всю его громадную конструкцию.

Решением может стать размещение на критических участках троса специальных двигателей, которые, управляясь интеллектуальной компьютерной системой, будут компенсировать непредсказуемые воздействия среды. Но «чистота концепции» будет уже нарушена, а с ней под вопрос встанут и многие преимущества космического лифта. Двигатели нуждаются в топливе, регулярном уходе, ремонте и даже замене. Они не только затруднят движение по тросу, но и, видимо, заметно повысят стоимость эксплуатации лифта.

Но и это еще цветочки, ведь, как и всякая натянутая струна, трос космического лифта будет иметь собственную резонансную частоту внутренних колебаний. Помните историю, которую традиционно рассказывают на уроке о резонансе все школьные учителя физики, - как отряд солдат, маршируя по мосту, случайно «попал» в его резонансную частоту - и разрушил весь мост? Примерно то же угрожает и космическому лифту.

Чтобы предусмотреть и эту угрозу, на ряде участков троса потребуется установить узлы, демпфирующие опасные колебания.

А это снова дополнительное усложнение конструкции, новые инженерные проблемы и финансовые затраты... И если бы этим все ограничилось: на самом деле проблем у троса будет куда больше.

Чтобы сократить размеры троса, избавиться от его чрезмерного утолщения и опасностей нижних слоев атмосферы, основание лифта можно разместить на высотной - до 100 км - башне. В августе 2015 года канадская компания Thoth Technology Inc. даже запатентовала подобный проект

Башня ThothX Tower, которую планируют соорудить канадцы, должна достичь высоты пока умеренной - «всего-навсего» 20 км - и сможет питаться за счет энергии ветра, возникающего из-за разницы давлений у ее основания и на вершине. По расчетам инженеров, ее можно использовать и в качестве стартовой площадки для ракет позволяя существенно удешевить традиционные космические запуски. Проблема с башней лишь одна: проект неосуществим технологически.

Проблема третья: пассажиры космического лифта

Особенные трудности может создать... само перемещение груженого космического лифта по тросу. Как и все, что движется на вращающейся Земле под углом к оси ее вращения, груз будет испытывать влияние силы Кориолиса. Поднимаясь вверх, лифт будет отклоняться в противоположном вращению Земли направлении. Это воздействие также уже просчитано физиками.

По словам проведшего такую работу канадского ученого Аруна Мисры (Arun Misra), это влияние заставит лифт раскачиваться, как перевернутый неустойчивый маятник. В результате «пункт назначения» на орбите, в который будут прибывать люди и грузы, может оказаться не совсем там, куда они направлялись. Для вывода аппаратов на орбиту это совершенно неприемлемо.

Более того, вибрации, распространяющиеся вдоль троса, приведут к неравномерному движению «кабины», которая на одних участках будет замедляться, а на других-ускоряться, «подгоняемая» волнами. Разумеется, можно предложить ряд механизмов для компенсации и этого эффекта. Например, помочь может крайне медленный и осторожный, контролируемый подъем, который, по расчетам Аруна Мисры, займет несколько недель.

Другой вариант заключается в крайне точной координации движения одновременно многих кабин, которые будут взаимно компенсировать воздействия друг друга на трос. Но это снова усложнение и удорожание всей инфраструктуры. Кажется, идея космического лифта уже не выглядит такой привлекательной? Но подождите: мы еще не закончили.

Проблема четвертая: космический мусор

Не так давно орбита Международной космической станции была в какой уже раз скорректирована, чтобы уклониться от столкновения с очередным обломком космического мусора. С циклопической конструкцией лифта такое не пройдет: переместить ее будет практически невозможно. А между тем, проходя сквозь низкую околоземную орбиту и достигая геостационарной, он будет «подставляться под удар» и десятков работающих спутников, и тысяч обломков уже вышедших из строя аппаратов, ступеней ракет и разгонных блоков. Не забудем и про опасность встречи с метеоритами!

Избежать этого вообще вряд ли получится, и любой космический лифт должен быть изначально рассчитан на регулярные и опасные столкновения. Как этого добиться, также пока неясно: обломки космического мусора могут быть не так уж и велики, однако движутся они на огромных скоростях, при которых, говоря словами поэта, «песчинка обретает силу пули». Уже знакомый нам Говард Кит Хенсон подсчитал, что энергия таких ударов легко достигает уровня, который грозит попросту испарить несколько метров троса.

Не так уж и сложно оснащать все космические аппараты, орбиты которых грозят пересечься с тросом лифта, системами активного уклонения. Но как быть с уже работающими спутниками? А с космическим мусором? По имеющимся оценкам, его количество на орбите исчисляется несколькими тысячами тонн. И прежде чем мы начнем развертывание мегатроса для нашего суперлифта, в космосе придется прибрать.
В качестве одного из вариантов защиты предлагается установка на критических участках лифта мощных лазерных систем, работающих на манер «противовоздушной защиты» и уничтожающих мусор, грозящий столкновением. Но это - правильно! - означает новое усложнение и удорожание нашего замечательного проекта.

Проблемы пятая и шестая: износ космического лифта и радиация

Если вам показалось мало четырех ключевых проблем космического лифта, упомянем еще пару. Они не столь значительны, но также требуют внимания - и к решению обязательны.

Износ и коррозия. Под действием жестких факторов в атмосфере и агрессивной космической среде и трос лифта, и его детали будут неизбежно портиться. Необходимо предусмотреть варианты восстановления материалов, регулярного ремонта всей конструкции и ухода за ней.

Радиация. Путь космического лифта будет проходить не только в атмосфере, но и далеко за ее пределами. Не минет он и радиационных поясов Земли (в западной литературе их называют поясами Ван Аллена) - областей, где в огромном числе удерживаются захваченные магнитосферой планеты заряженные и высокоэнергетические частицы, в основном протоны и электроны. Внутренний радиационный пояс расположен на высоте порядка 4 тыс. км, внешний - 17 тыс. км, и любое путешествие людей через эти области чревато очень серьезной опасностью. Поэтому для пассажиров космического лифта обязательно должны быть предусмотрены меры радиационной защиты.

Но и это не все. Даже если мы установим в кабине лифта мощные экраны, блокирующие поток высокоэнергетических частиц, нас ждет другой спектр проблем, отнюдь не технологических.

Проблема седьмая: общество

Допустим, международная кооперация и лучшие умы человечества решат все озвученные сложности и космический лифт гордо вознесется над Землей, попирая суровую гравитацию. Колоссальное сооружение, разумеется, станет одним из ключевых символов прогресса, успеха и процветания западной, научноориентированной цивилизации. А значит, превратится в привлекательный объект для всех ее противников.

Разрушение космического лифта в результате террористических атак могло бы стать событием, которое и по масштабам, и по эффекту воздействия затмит все произошедшее 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке и после этого. Гибель этой громадины будет серьезным ударом и в финансовом, и в самом прямом смысле: представьте себе неконтролируемое падение троса длиной в десятки тысяч километров и многотонной массы со всеми смонтированными на нем элементами... Неудивительно, что лифт должен быть стопроцентно защищен от всех возможных атак с суши и воздуха.

Кстати, именно эти соображения стали одной из важных причин, по которым наземную инфраструктуру космического лифта предлагается возвести на морской платформе, оборонять которую от самодеятельных террористов намного легче. Но и тут нас ожидают малопредсказуемые последствия - уже со стороны экологических активистов.

Их тревогу можно понять: как отмечают многие защитники планеты, большой масштаб грузовых перевозок вдоль лифтового троса чреват появлением у Земли намертво привязанной к ней дополнительной массы. Элементарные расчеты показывают, что при колоссальной длине троса это способно повлиять даже на скорость вращения планеты вокруг своей оси, замедляя его. Последствия такого влияния могут быть действительно непредсказуемы. И даже если мы замедлим Землю на несколько наносекунд, можно ждать самых яростных протестов «зеленых» - например, под лозунгами вроде «Сохраним угловой момент планеты!».

Без проблем: на Луне

Кажется, проблемы космического лифта неисчислимы и практически нерешаемы. Но что если перевернуть концепцию проекта в буквальном смысле с ног наголову?.. С таким предложением некоторое время назад выступил американский инженер и разработчик космической техники Джером Пирсон (Jerome Pearson). «Похоже, на Земле такой проект имеет мало смысла, - пишет он, - но Луна -это совершенно другое дело».

Конечно, под действием земного притяжения Луна не вращается вокруг своей оси, оставаясь повернутой к нам лишь одной своей стороной. Но в этом Джером Пирсон видит даже плюс, предлагая «закрепить» трос космического лифта, начинающегося на поверхности спутника, не за счет центробежной силы, а за счет гравитации Земли. Достаточно лишь утяжелить его дальний конец соответствующей массой: по расчетам Пирсона, при весе порядка 100 тыс. тонн такая конструкция позволит ежегодно доставлять на Луну в три-четыре раза больше грузов.

Кажется, идея не лишена смысла. Теоретически, «лунный лифт» не требует даже сверхпрочных материалов, не говоря уж о замечательной - почти идеальной - защищенности от террористических атак. Идею поддерживает и Кит Хенсон, который подсчитал, что для подъема 1000 тонн грузов системе потребуется работа средних размеров электростанции - всего на 15 МВт - и при этом она сможет доставлять их на расстояние до 190 тыс. км, на переходную орбиту к Земле.

Если человечество всерьез начнет разработку лунных ресурсов, возможно, проект весьма пригодится. Ну а пока на Земле космический лифт вряд ли возможен по технологическим причинам, с Луны же нам просто нечего возить в таких количествах. Похоже, лифт задерживается.

Please enable JavaScript to view the

IV Межрегиональная конференция школьников

«Дорога к звездам»

Космический лифт – фантастика или реальность?

Выполнил:

____________________

Руководитель:

___________________

Ярославль

Введение

Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова, Г.Г. Полякова

Конструкция космического лифта

Описание современных проектов

Заключение

Введение

В 1978 году выходит в свет научно – фантастический роман Артура Кларка «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове Тапробан, который, как указывает автор в предисловии, на 90% соответствует острову Цейлон (Шри-Ланка).

Нередко фантасты предсказывают появление изобретения не своего века, а намного более позднего времени.

Что же такое космический лифт?

Космический лифт - концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова.

Целью данной работы является изучение возможности построения космического лифта.

Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова и Г.Г. Полякова

Константин Циолковский - русский и советский ученый-самоучка, и изобретатель, школьный учитель. Основоположник теоретической космонавтики. Обосновал использование ракет для полётов в космос, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Основные научные труды относятся к аэронавтике, ракетодинамике и космонавтике.

Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.

В 1895 году русский ученый Константин Эдуардович Циолковский первым сформулировал понятие и концепцию космического лифта. Он описал отдельно стоящее сооружение, уходящее от уровня земли до геостационарной орбиты. Возвышаясь на 36 тысяч километров над экватором и следуя в направлении вращения Земли, в конечной точке с орбитальным периодом ровно в один день эта конструкция сохранялась бы в фиксированном положении.

Ю
рий Николаевич Арцутанов - русский инженер, родившийся в Ленинграде. Выпускник Ленинградского

технологического института, известен как один из пионеров идеи космического лифта. В 1960 году он написал статью «В Космос - на электровозе», где он обсудил концепцию космического лифта как экономически выгодный, безопасный и удобный способ доступа к орбите для облегчения освоения космоса.

Юрий Николаевич развил идею Константина Циолковского. Концепция Арцутанова была основана на связывании геосинхронных спутников кабелем с Землей. Он предложил использовать спутник в качестве базы, с которой можно построить башню, так как геосинхронный спутник останется над неподвижной точкой на экваторе. С помощью противовеса кабель будет спущен с геосинхронной орбиты на поверхность Земли, в то время как противовес будет отдаляться от Земли, удерживая центр масс кабеля неподвижно относительно Земли.

Арцутанов предложил закрепить один конец такой «веревки» на земном экваторе, а ко второму концу, находящемуся далеко за пределами планетной атмосферы, - подвесить уравновешивающий груз. При достаточной длине «веревки» центробежная сила превысила бы силу притяжения и не позволила грузу упасть на Землю. Из приведенных Арцутановым расчетов, следует, что сила притяжения и центробежная сила оказываются равны на высоте около 42 000 километров. Равная нулю равнодействующая этих сил надежно закрепляет «камень» в зените.

Теперь герметичные электровозы побегут вертикально вверх – к орбите. Плавное наращивание скорости и плавное же торможение помогут избежать перегрузок, характерных для отрыва ракеты. После нескольких часов путешествия со скоростью 10 – 20 километров в секунду, последует первая остановка – в точке равноденствия сил, где раскинувшаяся в невесомости перевалочная станция откроет гостям двери баров, ресторанчиков, комнат отдыха – и замечательный вид на Землю из иллюминаторов.

После остановки кабина не только сможет двигаться без затрат энергии, так как её будет отбрасывать от Земли центробежная сила, - но и, вдобавок, генерировать двигателем, переключенным в режим динамо-машины, необходимое для возвращения электричество.

Вторую – и конечную остановку предлагалось сделать на расстоянии 60 000 километров от Земли, где равнодействующая сил сравняется с силой тяжести на земной поверхности, и позволит создать на «конечной станции» искусственную гравитацию. Здесь же, на краю длиннейшей канатной дороги будет располагаться настоящий орбитальный космодром. Он, как и полагается, станет запускать по Солнечной системе космические корабли, придавая им солидную скорость и назначая траекторию.

Не желая ограничиваться примитивным канатом, Юрий Арцутанов навешал на него гелиоэлектростанций, перерабатывающих солнечную энергию в электрический ток, и соленоидов, генерирующих электромагнитное поле. В этом поле должен двигаться «электровоз».

Если оценить вес такого магнитодорожного полотна, учитывая протяженность в 60 000 километров, то получается - сотни миллионов тонн? Гораздо больше. Не одна тысяча ракет потребуется, чтобы отбуксировать эту тяжесть к орбите! В то время это казалось невозможным.

Однако ученый и на этот раз подкинул верную идею: лифт не обязательно строить снизу вверх, как огромную циклопическую башню – достаточно запустить на геостационарную орбиту искусственный спутник, с которого будет спущена первая нить. В сечении эта нить окажется тоньше человеческого волоса, так чтобы вес ее не превосходил тысячу тонн. После того, как свободный конец нити закрепят на земной поверхности, сверху вниз по нити побежит «паук» – легкое устройство, плетущее вторую, параллельную нить. Он будет работать до тех пор, пока канат не станет достаточно толстым, чтобы выдержать «электровоз», электромагнитное полотно, гелиоэлектростанции, комнаты отдыха и рестораны.

Вполне объяснимо, почему в эпоху космических гонок идея Юрия Валерьевича Арцутанова осталась никем не замеченной. Тогда не было ни одного материала способного выдержать столь высокое давление разрыва троса.

В развитие идей Арцутанова свой проект космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института.

Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного. Поляков лишь указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым. Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.

Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.

С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой - вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.

Кабины лифта - просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули - ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.

В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.

Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы...

Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.

На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.

Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.

Конструкция космического лифта

Основание

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. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избегания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.

Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты.

В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 - кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.

В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10% меньше теоретической.

Утолщение троса

Космический лифт должен выдерживать, по крайней мере, свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а, следовательно, и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы, НО, не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца, сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

Где - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

- площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.

- плотность материала троса.

- предел прочности материала троса.

- круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292·10−5 радиан в секунду.

- расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.

- ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув, в конце концов, геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:

П
одставив сюда плотность и прочность стали, и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.

Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:

Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.

Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО. Тот же расчет, выполненный из предположения, что плотность троса равна плотности углеволокна ρ = 1,9 г/см3 (1900 кг/м3), с предельной прочностью σ = 90 ГПА (90·109 Па) и диаметром троса у основания 1 см (0.01 м), позволяет получить диаметр троса на ГСО всего 9 см.

Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км, которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.

Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.

Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20-25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха). Также есть идея вместо троса из нанотрубок использовать условные силовые линии магнитного поля Земли.

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость). Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю. В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт. К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос, угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина, таким образом, может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъеме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится. При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Запуск в космос

На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта. Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

Описание современных проектов

В середине и в конце 20-го века появились более подробные предложения. Возлагались надежды, что космический лифт сделает революцию в доступе к околоземному космическому пространству, к Луне, Марсу и даже далее. Данное сооружение смогло бы раз и навсегда решить проблему, связанную с отправкой человека в космос. Лифт очень помог бы многим космическим агентствам в доставке астронавтов на орбиту нашей планеты. Его создание может означать конец загрязняющим пространство ракетам. Однако стартовые инвестиции и уровень необходимых технологий ясно давали понять, что такой проект нецелесообразен и отводили ему место в области научной фантастики.

Возможно ли решить проблему такого строительства в данный момент? Сторонники космических лифтов считают, что в настоящее время достаточно возможностей для решения данной технической задачи. Они считают, что космические ракеты устарели и наносят непоправимый вред природе и слишком дороги для современного общества.

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

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

Учёные всего мира разрабатывают идею космического лифта. Японцы в начале 2012 года объявили о том, что они планируют построить космический лифт. Американцы об этом же сообщили в конце 2012-го. В 2013-м СМИ вспомнили о русских корнях "космического лифта". Так, когда же данные идеи станут реальностью?

Концепция Японской корпорации Obayashi

Корпорация предлагает следующий способ постройки: один конец троса очень высокой прочности удерживается массивной платформой в океане, а второй - закрепляется на орбитальной станции. По канату перемещается специально спроектированная кабинка, которая может доставлять грузы, астронавтов или, скажем, космических туристов.

В качестве материала для троса Obayashi рассматривает углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали. Но проблема заключается в том, что в настоящее время длина таких нанотрубок ограничивается примерно 3 см, в то время как для космического лифта потребуется трос общей протяжённостью в 96 000 км. Ожидается, что преодолеть существующие трудности станет возможно ориентировочно в 2030-х годах, после чего начнётся практическая реализация концепции космического лифта.

Obayashi уже рассматривает возможность создания особых туристических кабинок, рассчитанных на перевозку до 30 пассажиров. Кстати, путь на орбиту по тросу из углеродных нанотрубок будет занимать семь дней, поэтому придётся предусмотреть необходимые системы обеспечения жизнедеятельности, запас еды и воды.

Запустить космический лифт Obayashi рассчитывает только к 2050 году.

Космический лифт компании LiftPort Group

Не только Земля станет объектом, где будет сооружен такой лифт. По мнению группы экспертов из компании LiftPort Group в качестве такого объекта вполне может выступить и Луна.

Основой лунного космического лифта является плоский ленточный кабель, изготовленный из высокопрочного материала. По этому кабелю на поверхность Луны и назад будут ходить транспортные гондолы, доставляющие людей, различные материалы, механизмы и роботов.

«Космический» конец кабеля будет удерживаться космической станцией PicoGravity Laboratory (PGL), находящейся в точке Лагранжа L1 системы Луна-Земля, в точке, где гравитация Луны и Земли взаимно уравновешивают друг друга. На Луне конец кабеля будет присоединен к якорной станции Anchor Station, находящейся в районе Sinus Medi (приблизительно в середине «лица» Луны, смотрящего на Землю) и входящей в состав инфраструктуры космического лифта Lunar Space Elevator Infrastructure.

Натяжение кабеля космического лифта будет осуществляться противовесом, который будет удерживаться более тонким кабелем длиной в 250 тысяч километров, и который будет находиться уже во власти земной гравитации. Космическая станция PicoGravity Laboratory будет иметь модульную структуру, наподобие структуры существующей Международной космической станции, что позволит без особого труда производить ее расширение и добавлять стыковочные узлы, позволяющие стыковаться со станцией космическим кораблям различных типов.

Основной целью данного проекта является отнюдь не строительство самого космического лифта. Этот лифт станет лишь средством доставки на Луну автоматических аппаратов, которые в автономном режиме будут вести добычу различных полезных ископаемых, в том числе редкоземельных металлов и гелия-3, который является перспективным топливом для будущих реакторов термоядерного синтеза и, возможно, топливом для космических кораблей будущего.

«К сожалению, данный проект пока практически невыполним в связи с отсутствием у людей множества ключевых технологий. Но исследования большинства таких технологий уже ведутся некоторое время, и обязательно наступит тот момент, когда строительство космического лифта перейдет из разряда научной фантастики в область практически выполнимых вещей».

Специалисты компании LiftPort Group обещают сделать рабочий детализированный проект сооружения к концу 2019 года.

«Общепланетное транспортное средство»

Рассмотрим проект, получивший название «Общепланетное транспортное средство» (ОТС). Его выдвинул и обосновал инженер Анатолий Юницкий из Гомеля.

В 1982 году в журнале «Техника молодежи» была опубликована статья, в которой автор утверждает, что у человечества в скором времени появится потребность в принципиально новом транспортном средстве, способном обеспечивать перевозки на трассе «Земля – космос – Земля».

По мнению А. Юницкого ОТС представляет собой замкнутое колесо поперечным диаметром порядка 10 метров, которое покоится на специальной эстакаде, установленной вдоль экватора. Высота эстакады в зависимости от рельефа колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Эстакада размещена на плавучих опорах в океанских просторах.

В герметичном канале, расположенном по оси корпуса ОТС, находится бесконечная лента, имеющая магнитную подвеску и являющаяся своеобразным ротором двигателя. В нее наводится ток, который будет взаимодействовать с породившим его магнитным полем, и лента, не испытывающая никакого сопротивления (она размещена в вакууме), придет в движение. Точнее, во вращение вокруг Земли. При достижении первой космической скорости лента станет невесомой. При дальнейшем разгоне ее центробежная сила через магнитную подвеску станет оказывать на корпус ОТС всевозрастающую вертикальную подъемную силу, пока не уравновесит каждый его погонный метр (транспортное средство как бы станет невесомым - чем не антигравитационный корабль?).

В удерживаемое на эстакаде транспортное средство с предварительно раскрученной до скорости 16 км/с верхней лентой, имеющей массу 9 тонн на метр, и точно такой же, но лежащей неподвижно нижней лентой размещают груз и пассажиров. Это делается в основном внутри, а частично и снаружи корпуса ОТС, но так, чтобы нагрузка в целом была равномерно распределена. После освобождения от захватов, удерживающих ОТС на эстакаде, его диаметр под действием подъемной силы начнет медленно расти, а каждый его погонный метр - подниматься над Землей. Поскольку форма окружности отвечает минимуму энергии, то транспортное средство, до этого копировавшее профиль эстакады, примет после подъема форму идеального кольца.

Скорость подъема ОТС на любом из участков пути может быть задана в широких пределах: от скорости пешехода до скорости самолета. Атмосферный участок транспортное средство проходит на минимальных скоростях.

По оценке Анатолия Юницкого, общая масса ОТС составит 1,6 миллиона тонн, грузоподъемность - 200 миллионов тонн, пассажировместимость - 200 миллионов человек. Расчетное число выходов ОТС в космос за пятидесятилетний срок службы - 10 тысяч рейсов.

Заключение

Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны.

Космический лифт изменит космическую индустрию: люди и груз будут доставляться на орбиту со значительно более низкими затратами по сравнению с традиционными запусками ракет-носителей.

Будем надеяться, что во второй половине 21 – го века космические лифты станут функционировать за пределами Земли: на Луне, Марсе и других уголках Солнечной Системы. С развитием технологий стоимость строительства будет постепенно снижаться.

Несмотря на то, что это время кажется далеким и недосягаемым, именно от нас зависит, каким будет будущее и как быстро оно наступит.

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

Несмотря на кризис и войну санкций в цивилизованных экономически развитых странах наблюдается большой интерес к космонавтике. Этому способствуют успехи в развитие ракетостроение и в изучении с помощью космических аппаратов околоземного пространства, планет Солнечной системы и ее периферии. Все новые и новые государства включаются в космическую гонку. Китай и Индия громко заявляют о своих амбициях в деле освоения Вселенной. Уходит в прошлое монополия государственных структур России, США и Европы на полеты за пределы земной атмосферы. Все больший интерес к транспортировке на космическую орбиту людей и грузов проявляет бизнес. Появились фирмы, которые возглавляют энтузиасты, влюбленные в космос. Они занимаются разработкой, как новых ракетоносителей, так и новых технологий, которые позволят сделать скачок в освоении Вселенной. Всерьез рассматриваются идеи, которые еще вчера считались неосуществимыми. И то, что считалось плодом, воспаленного воображения писателей-фантастов, теперь является одним из возможных проектов, подлежащих реализации в ближайшем будущем.

Одним из таких проектов может стать космический лифт.

Насколько это реально? На этот вопрос попытался ответить журналист ВВС Ник Флеминг в своей статье «Лифт на орбите: научная фантастика или вопрос времени?», которая выносится на внимание интересующихся космосом.

Лифт на орбиту: научная фантастика или вопрос времени?

Благодаря космическим лифтам, способным доставлять людей и грузы с поверхности Земли на орбиту, человечество смогло бы отказаться от использования экологически вредных ракет. Но создать подобное устройство непросто, как выяснил корреспондент BBC Future .

Когда речь заходит о прогнозах по поводу развития новых технологий, многие считают авторитетом миллионера Элона Маска - одного из лидеров сектора негосударственных научно-исследовательских работ, которому пришла в голову идея "Гиперпетли" - проекта высокоскоростного трубопроводного пассажирского сообщения между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско (время в пути займет всего 35 минут). Но есть проекты, которые даже Маск считает практически не осуществимыми. Например, проект космического лифта.

"Это слишком технически сложная задача. Вряд ли космический лифт можно создать в реальности", - заявил Маск на конференции в Массачусетском технологическом институте прошлой осенью. По его мнению, проще соорудить мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту.

Идея отправлять людей и грузы в космос внутри капсул, скользящих вверх вдоль гигантского троса, который удерживается на месте благодаря вращению Земли, не нова. Подобные описания можно встретить в работах таких писателей-фантастов, как Артур Кларк. Однако осуществимой на практике эту концепцию до сих пор не считали. Может быть, уверенность в том, что нам по силам решить эту чрезвычайно сложную техническую задачу, - на самом деле лишь самообман?

Энтузиасты космического лифта считают, что построить его вполне возможно. По их мнению, ракеты, работающие на токсичном топливе, представляют собой устаревший, опасный для человека и природы и чрезмерно дорогостоящий вид космического транспорта. Предлагаемая альтернатива по сути является железнодорожной веткой, проложенной на орбиту - суперпрочный трос, один конец которого закреплен на поверхности Земли, а другой - к противовесу, находящемуся на геосинхронной орбите и потому постоянно висящему над одной точкой земной поверхности. В качестве лифтовых кабинок использовались бы электрические аппараты, движущиеся вверх и вниз вдоль троса. Благодаря космическим лифтам стоимость отправки грузов в космос удалось бы снизить до 500 долларов за килограмм - согласно недавнему отчету Международной академии астронавтики (IAA), сейчас эта цифра составляет приблизительно 20000 долларов за килограмм.

Энтузиасты космических лифтов указывают на вредность технологий запуска ракет на орбиту

"Данная технология открывает феноменальные возможности, она обеспечит человечеству доступ к Солнечной системе, - говорит Питер Суон, президент Международного консорциума по созданию космического лифта ISEC и соавтор отчета IAA. - Я думаю, что первые лифты будут работать в автоматическом режиме, а спустя 10-15 лет в нашем распоряжении уже будет от шести до восьми таких устройств, достаточно безопасных, чтобы транспортировать людей".

Истоки идеи

Сложность в том, что высота подобного сооружения должна составлять до 100 000 км - это больше, чем два земных экватора. Соответственно, конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать собственный вес. На Земле просто нет материала с необходимыми прочностными характеристиками.

Но некоторые ученые думают, что эту проблему можно будет решить уже в текущем столетии. Крупная японская строительная компания объявила о том, что собирается соорудить космический лифт к 2050 г. А американские исследователи недавно создали новый алмазоподобный материал на основе нанонитей из сжатого бензола, расчетная прочность которого может сделать космический лифт реальностью еще при жизни многих из нас.

Впервые концепция космического лифта была рассмотрена в 1895 г. Константином Циолковским. Российский ученый, вдохновленный примером недавно построенной Эйфелевой башни в Париже, занялся исследованием физических аспектов строительства гигантской башни, при помощи которой можно было бы доставлять космические корабли на орбиту без использования ракет. Позднее, в 1979 г., эту тему упомянул писатель-фантаст Артур Кларк в романе "Фонтаны рая" - его главный герой строит космический лифт, схожий по конструкции с обсуждаемыми сейчас проектами.

Вопрос в том, как воплотить идею в жизнь. “Мне нравится дерзость концепции космического лифта, - говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. - Я могу понять, почему она кажется людям такой привлекательной: возможность добираться до низких орбит Земли недорого и безопасно открывает для нас всю внутреннюю область Солнечной системы".

Проблемы безопасности

Однако построить космический лифт будет непросто. "Начать с того, что трос необходимо изготовить из суперпрочного, но гибкого материала, обладающего необходимыми весовыми и плотностными характеристиками, чтобы поддерживать вес движущихся по нему аппаратов, и одновременно способного выдерживать постоянные поперечные воздействия. Сейчас такого материала просто не существует, - говорит Фонг. - Кроме того, строительство такого лифта потребует самого интенсивного использования космических кораблей и самого большого количества выходов в открытый космос за всю историю человечества".

По его словам, нельзя сбрасывать со счетов и проблемы безопасности: "Даже если нам удастся преодолеть огромные технические сложности, связанные с постройкой лифта, получившаяся конструкция будет представлять собой гигантскую натянутую струну, сводящую космические аппараты с орбит и постоянно подвергающуюся бомбардировке космическим мусором".

Смогут ли когда-нибудь туристы воспользоваться лифтом, чтобы отправиться в космос?

За последние 12 лет в мире опубликованы три подробных проекта космического лифта. Первый описан Брэдом Эдвардсом и Эриком Уэстлингом в книге "Космические лифты", вышедшей в 2003 г. Этот лифт предназначен для транспортировки 20-тонных грузов за счет энергии расположенных на Земле лазерных установок. Расчетная себестоимость перевозки - 150 долларов за килограмм, а стоимость проекта оценивается в 6 млрд долларов.

В 2013 г. академия IAA развила эту концепцию в собственном проекте, обеспечивающем повышенную защиту лифтовых кабинок от атмосферных явлений до высоты в 40 км., при достижении которой движение кабинок на орбиту должно происходить уже за счет солнечной энергии. Себестоимость транспортировки - 500 долларов за килограмм, а стоимость постройки первых двух таких лифтов - 13 млрд долларов.

В ранних концепциях космического лифта приводились разнообразные возможные решения проблемы космического противовеса, призванного удерживать трос в натянутом положении - в том числе предлагалось использовать в этих целях захваченный и доставленный на нужную орбиту астероид. В отчете IAA отмечается, что когда-нибудь такое решение, может быть, и удастся реализовать, но в ближайшем будущем это невозможно.

Плавучий "якорь"

Чтобы удерживать трос массой в 6300 тонн, противовес должен весить 1900 тонн. Частично его можно сформировать из космических кораблей и других вспомогательных аппаратов, которые будут использоваться для постройки лифта. Возможно также использование находящихся неподалеку отработавших спутников, отбуксировав их на новую орбиту.

Они также предлагают выполнить "якорь", крепящий трос к Земле, в виде плавучей платформы размером с крупный нефтеналивной танкер или авианосец, и разместить его неподалеку от экватора, с целью увеличения его несущей способности. В качестве оптимальной точки размещения "якоря" предлагается район в 1000 км на запад от Галапагосских островов, редко подверженный ураганам, торнадо и тайфунам.

Космический мусор можно было бы использовать в противовесе на верхнем конце троса космического лифта

Корпорация Obayashi - одна из пяти крупнейших строительных фирм Японии - в прошлом году объявила о планах по созданию космического лифта более прочной конструкции, по которому перемещались бы автоматические кабинки на магнитной подвеске. Подобная технология применяется на высокоскоростных железных дорогах. Более прочный трос необходим потому, что японский лифт предполагается использовать и для транспортировки людей. Стоимость проекта оценивается в 100 млрд долларов, при этом себестоимость транспортировки грузов на орбиту может составить 50-100 долларов за килограмм.

Хотя технических трудностей при строительстве подобного лифта, несомненно, будет предостаточно, на самом деле единственный элемент конструкции, который пока невозможно создать, - это сам трос, говорит Суон: "Единственная технологическая проблема, которую предстоит решить - подбор подходящего материала для изготовления троса. Все остальное мы можем построить уже сейчас".

Алмазные нити

На данный момент самым подходящим материалом для троса можно считать углеродные нанотрубки, созданные в лабораторных условиях в 1991 г. Эти цилиндрические структуры имеют предел прочности на разрыв в 63 гигапаскаля, то есть они примерно в 13 раз прочнее самой прочной стали.

Максимально достижимая длина таких нанотрубок постоянно увеличивается - в 2013 г. китайским ученым удалось довести ее до полуметра. Авторы доклада IAA прогнозируют, что к 2022 г. будет достигнута длина в километр, а к 2030 гг. можно будет создавать нанотрубки подходящей длины для использования в космическом лифте.

Тем временем в сентябре прошлого года появился новый сверхпрочный материал: в статье, опубликованной в научном журнале по материаловедению Nature Materials, группа ученых под руководством профессора химии Джона Бэддинга из Университета штата Пенсильвания сообщила о получении в лаборатории супертонких "алмазных нанонитей", которые могут оказаться даже прочнее, чем углеродные нанотрубки.

Ученые сжали жидкий бензол под давлением, превышающим атмосферное в 200 000 раз. Затем давление медленно понизили, и оказалось, что атомы бензола перегруппировались, создав высокоупорядоченную структуру из пирамидальных тетраэдров.

В результате образовались супертонкие нити, очень напоминающие по структуре алмаз. Хотя напрямую измерить их прочность невозможно из-за сверхмалых размеров, теоретические расчеты указывают на то, что эти нити могут оказаться более прочными, чем самые прочные из существующих синтетических материалов.

Снижение рисков

"Если мы научимся создавать алмазные нанонити или углеродные нанотрубки необходимой длины и с необходимыми качествами, можно быть практически уверенным в том, что они окажутся достаточно прочными для использования в космическом лифте", - говорит Бэддинг.

Впрочем, даже если удастся найти подходящий материал для троса, собрать конструкцию будет весьма непросто. Вероятнее всего, возникнут и трудности, связанные с обеспечением безопасности проекта, необходимого финансирования и грамотного разведения конкурирующих интересов. Однако Суона это не останавливает.

Так или иначе, человечество стремится в космос и готово тратить на это большие деньги

"Разумеется, мы столкнемся с большими сложностями, но проблемы приходилось решать и при строительстве первой трансконтинентальной железной дороги [в США], и при прокладке Панамского и Суэцкого каналов, - говорит он. - Потребуется много времени и денег, но, как и в случае с любым крупным проектом, просто нужно решать проблемы по мере их возникновения, одновременно с этим постепенно снижая возможные риски".

Даже Элон Маск не готов категорически отмести возможность создания космического лифта. "Не думаю, что на сегодня эта идея реализуема, но если кто-то сможет доказать обратное, будет здорово", - сказал он на прошлогодней конференции в Массачусеттском технологическом институте.

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.