Сегодня для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег.

Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом».

Что это вообще такое

Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:

«Космический лифт – это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке – в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы» для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции".

Рис. 1. Космический лифт от компании LiftPort Inc.

Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов. Компания LiftPort Inc. приводит список наиболее распространенных вопросов и своих ответов на них.

Как вы собираетесь сохранять угловой момент постоянным?

Большей частью мы полагаемся на то, что это сделает Земля. Но мы предусмотрели тяжелые «якоря» на обоих концах лифта для того, чтобы увеличить инерцию системы и, таким образом, держать ее в равновесии.

Что случится, если порвется лента?

Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане. Но все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.

Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?

Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.

Рис. 2. Вид базовых станций (наземной и космической)

Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?

В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.

1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.

2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.

Будут ли различные объекты задевать ленту?

Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit – LEO), будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort.

Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.

Рис. 3. Один из проектов космического лифта

Причем тут нанотехнологии

Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.

Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.

Рис. 4. Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью

Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.

Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.

Компания настроена вполне оптимистично, так как недавно стало известно о новых технологиях в производстве нанотрубок. Так, ученые из Кембриджского университета разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок. Алан Уиндл (Alan Windle) и его коллеги из Кембриджа для изготовления пряжи использовали свежеприготовленные нанотрубки.

Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.

Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.

Рис. 5. Модельный прототип капсулы лифта

В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором говорилось что предварительные исследования по построению космического лифта проделаны. Далее Мишелем Лэйном в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Как планирует компания LiftPort Inc., космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся годы будет проходить непосредственно постройка.

Здесь можно найти видеоролик в формате Real Player, презентующий одну из концепций космического лифта (5 Мб): http://wid.ap.org/…/elevator.rm

потому-что те люди, которые писали про этот лифт (я имею ввиду LiftPort Inc., авторов оригинальной публикации, перевода или компиляции – уж не знаю, чей «вклад» тут больше) не пробовали прикинуть на бумаге эффективность этого лифта, попробовать применить известные формулы, взять парочку несложных интегралов (или построить графиков). В общем хотя бы для себя (не наночайников) перевести текст в цифры, Ведь в заявлениях ошибиться проще, чем в расчетах… Я предполагаю, что где-то может быть нормальная модель лифта, но уж точно не то, что предложно в этой статье. Некоторые заявления в этой заметке просто не проходили элементарную проверку. Будет время, могу написать сомнительные моменты статьи в формулах и графиках. Просто сейчас в комадировке, без русской клавиатуры текст набирать сложно (уже половина есть). А текста будет достаточно, т.к. формат для «чайников» останется, но текст полный, для возможности проверки, возможно я ошибаюсь где-то. Написаный текст с анализом «лифта» из этой заметки выложу где-нибудь в виде файла Word.

Построят, вот только когда?.. доживем до этого события? И кста, модель лифта из одной трубы с противовесом мне не внушает доверия. Боюсь даже представить что произойдет когда верхняя часть трубки столкнется с другим обьектом(астероид). Нужны дополнительные крепления, по типу креплений высоких башень или вышек(3–4 штуки).

Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы.

Какая-то популистская фраза. В принципе верна, но центробежная сила превышает силу тяжести только выше геостационарной орбиты. А вывод на эту высоту потребует более 80% от энергии, требуемой для вывода в бесконечно удаленную точку. И еще у авторов не указано куда они девают силу Кориолиса. Зато уже понятно что будут добывать ископаемые с астероидов, очень «веский» факт за лифт.

Сегодня космические аппараты исследуют Луну, Солнце, планеты и астероиды, кометы и межпланетное пространство. Но ракеты на химическом топливе все еще остаются дорогим и маломощным средством вывода полезной нагрузки за пределы земного тяготения. Современная ракетная техника практически достигла предела возможностей, поставленных природой химических реакций. Неужели человечество зашло в технологический тупик? Вовсе нет, если обратить внимание на старую идею космического лифта.

У истоков

Первым, кто серьезно подумал над тем, как преодолеть тяготение планеты с помощью «подтягивания», был один из разработчиков реактивных аппаратов Феликс Цандер. В отличие от фантазера и выдумщика барона Мюнхгаузена, Цандер предложил научно обоснованный вариант космического лифта для Луны. На пути между Луной и Землей есть точка, в которой силы притяжения этих тел уравновешивают друг друга. Она находится на расстоянии 60 000 км от Луны. Ближе к Луне лунное тяготение будет сильнее земного, а дальше — слабее. Так что если связать тросом Луну с каким-нибудь астероидом, оставленным, скажем, на расстоянии 70 000 км от Луны, то только трос не позволит астероиду упасть на Землю. Силой земного тяготения трос будет постоянно натянут, и по нему можно будет с поверхности Луны подняться за пределы лунного притяжения. С точки зрения науки — совершенно правильная идея. Она не получила сразу заслуженного внимания только потому, что во времена Цандера просто не существовало материалов, трос из которых не оборвался бы под собственной тяжестью.

«В 1951 году профессор Бакминстер Фуллер разработал свободно парящий кольцевой мост вокруг экватора Земли. Все, что нужно для воплощения этой идеи в реальность, — космический лифт. И когда же он у нас будет? Я бы не хотел гадать, поэтому адаптирую ответ, который дал Артур Кантровиц, когда кто-то задал ему вопрос о его лазерной системе запуска. Космический лифт будет построен через 50 лет после того, как над этой идеей перестанут смеяться». («Космический лифт: мысленный эксперимент или ключ ко Вселенной?», выступление на XXX Международном конгрессе по астронавтике, Мюнхен, 20 сентября 1979 года.)

Первые идеи

Первые же успехи космонавтики вновь разбудили фантазию энтузиастов. В 1960 году молодой советский инженер Юрий Арцутанов обратил внимание на интересную особенность так называемых геостационарных спутников (ГСС). Эти спутники находятся на круговой орбите точно в плоскости земного экватора и имеют период обращения, равный продолжительности земных суток. Поэтому геостационарный спутник постоянно висит над одной и той же точкой экватора. Арцутанов предложил соединить ГСС тросом с находящейся под ним точкой на земном экваторе. Трос будет неподвижен относительно Земли, и по нему так и напрашивается идея пустить в космос кабину лифта. Эта яркая идея захватила многие умы. Знаменитый писатель Артур Кларк даже написал фантастический роман «Фонтаны рая», в котором вся фабула связана со строительством космического лифта.

Проблемы лифта

Сегодня идею космического лифта на ГСС уже пытаются воплотить в США и Японии, устраиваются даже конкурсы среди разработчиков этой идеи. Основные усилия конструкторов направлены на поиск материалов, из которых можно сделать трос длиной 40 000 км, способный выдержать не только собственный вес, но и вес остальных деталей конструкции. Замечательно, что подходящее вещество для троса уже придумано. Это углеродные нанотрубки. Их прочность в несколько раз выше, чем нужно для космического лифта, но надо еще научиться делать бездефектную нить из таких трубок длиной в десятки тысяч километров. Сомневаться в том, что такая техническая задача будет рано или поздно решена, не стоит.

С Земли на низкую околоземную орбиту грузы доставляются традиционными ракетами на химическом топливе. Оттуда орбитальные буксиры забрасывают грузы на «нижнюю лифтовую площадку», которая надежно заякорена закрепленным за Луну тросом. Лифт доставляет грузы на Луну. За счет отсутствия необходимости торможения (да и самих ракет) на последнем этапе и при подъеме с Луны возможна значительная экономия средств. Но, в отличие от описанной в статье, такая конфигурация практически повторяет идею Цандера и не решает проблему вывода полезной нагрузки с Земли, сохраняя для этого этапа ракетную технологию.

Вторая и тоже серьезная задача на пути строительства космического лифта состоит в разработке двигателя для лифта и системы его энергетического обеспечения. Ведь кабина должна подняться на 40 000 км без дозаправки до самого конца подъема! Как этого добиться — никто еще не придумал.

Неустойчивое равновесие

Но самая большая, даже непреодолимая, трудность для лифта на геостационарный спутник связана с законами небесной механики. ГСС находится на своей замечательной орбите только благодаря равновесию силы притяжения и центробежной силы. Любое нарушение этого равновесия приводит к тому, что спутник меняет свою орбиту и уходит со своей «точки стояния». Даже небольшие неоднородности гравитационного поля Земли, приливные силы Солнца и Луны и давление солнечного света приводят к тому, что находящиеся на геостационарной орбите спутники постоянно дрейфуют. Нет ни малейших сомнений, что под тяжестью лифтовой системы спутник не сможет оставаться на геостационарной орбите и упадет. Существует, однако, иллюзия, что можно продолжить трос далеко за геостационарную орбиту и на его дальнем конце разместить массивный противовес. На первый взгляд, центробежная сила, действующая на привязанный противовес, натянет трос так, что дополнительная нагрузка от движущейся по нему кабины не сможет изменить положения противовеса, и лифт останется в рабочем положении. Это было бы верно, если бы вместо гибкого троса использовался жесткий несгибаемый стержень: тогда бы энергия вращения Земли передавалась через стержень на кабину, и ее перемещение не приводило бы к появлению боковой, не компенсируемой натяжением троса силы. А эта сила неизбежно нарушит динамическую устойчивость околоземного лифта, и он рухнет!

Небесная площадка

К счастью для землян, природа припасла для нас замечательное решение — Луну. Мало того, что Луна настолько массивна, что никакими лифтами ее не пошевелить, она еще находится почти на круговой орбите и при этом развернута к Земле всегда одной стороной! Просто напрашивается идея — протянуть лифт между Землей и Луной, но закрепить лифтовый трос только одним концом, на Луне. Второй конец троса можно опустить почти до самой Земли, и сила земного тяготения вытянет его как струну вдоль линии, соединяющей центры масс Земли и Луны. Нельзя только допустить, чтобы свободный конец доходил до поверхности Земли. Наша планета вращается вокруг своей оси, из-за чего конец троса будет иметь относительно поверхности Земли скорость около 400 м в секунду, то есть двигаться в атмосфере со скоростью больше скорости звука. Такого сопротивления воздуха не выдержит никакая конструкция. Но если опустить кабину лифта до высоты 30−50 км, где воздух достаточно разрежен, его сопротивлением можно пренебречь. Скорость кабины останется около 0,4 км/с, а такую скорость легко набирают современные высотные самолеты-стратопланы. Подлетев к кабине лифта и состыковавшись с ней (эта техника стыковки давно отработана и в самолетостроении для дозаправки в воздухе, и в космических аппаратах), можно переместить груз с борта стратоплана в кабину или обратно. После этого кабина лифта начнет подъем на Луну, а стратоплан вернется на Землю. Кстати, доставленный с Луны груз можно просто сбросить из кабины на парашюте и подобрать его в целости и сохранности на земле или в океане.

Избегая столкновений

Лифт, связывающий Землю и Луну, должен решить еще одну важную задачу. В околоземном космическом пространстве находится большое количество работающих космических аппаратов и несколько тысяч неработающих спутников, их фрагментов и прочего космического мусора. Столкновение лифта с любым из них привело бы к обрыву троса. Для того чтобы избежать этой неприятности, предложено «нижнюю» часть троса длиной 60 000 км сделать поднимаемой и выводить ее из зоны движения спутников Земли, когда она там не нужна. Контроль положений тел в околоземном пространстве вполне способен предсказывать периоды, когда движение кабины лифта в этой области будет безопасным.

Лебедка для космического лифта

У космического лифта на Луну просматривается серьезная проблема. Кабины привычных лифтов движутся со скоростью не больше нескольких метров в секунду, а на такой скорости даже подъем на высоту 100 км (к нижней границе космоса) должен занять больше суток. Если даже двигаться с максимальной скоростью железнодорожных поездов в 200 км/ч, то путь до Луны займет почти три месяца. Лифт, способный совершать только два рейса до Луны в год, едва ли будет востребован.

Если же покрыть трос пленкой сверхпроводника, то вдоль троса можно будет двигаться на магнитной подушке без контакта с его материалом. В этом случае можно будет половину пути разгонять и половину пути тормозить кабину.

Простой расчет показывает, что при величине ускорения в 1 g (эквивалентной привычной силе тяжести на Земле) весь путь до Луны займет всего 3,5 часа, то есть кабина сможет совершать три рейса к Луне ежесуточно. Над созданием сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, ученые активно работают, и в обозримом будущем вполне можно ожидать их появления.

Выбросить мусор

Интересно отметить, что на середине пути скорость кабины достигнет 60 км/с. Если после разгона полезную нагрузку отцепить от кабины, то с такой скоростью она может быть направлена в любую точку Солнечной системы, к любой, даже самой дальней планете. А это значит, что лифт на Луну сможет обеспечить безракетные полеты с Земли в пределах Солнечной системы.

И совсем экзотичной окажется возможность выбрасывать с помощью лифта вредные отходы с Земли на Солнце. Наша родная звезда — ядерная печь такой мощности, что в ней бесследно сгорят любые отходы, даже радиоактивные. Так что полноценный лифт к Луне может не только стать основой космической экспансии человечества, но и средством очищения нашей планеты от отходов технического прогресса.

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

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.

Какой же мальчишка не мечтает стать космонавтом? Однако осуществить эту мечту удается лишь единицам людей во всем мире, а отправиться в частный космический полет могут только очень богатые люди. Но в 2050 году на орбиту сможет попасть практически любой желающий. Ведь Япония обещает к этому времени запустить первый в мире лифт в Космос .

Среди множества по освоению космического пространства можно отдельно выделить инициативу японской строительной корпорации Obayashi по созданию орбитального лифта. Это транспортное средство, по замыслу авторов, должно появиться уже к 2050 году. Оно обещает стать самым дешевым способом доставлять в Космос людей и грузы.

Лифт будет передвигаться со скоростью 200 километров в час по сверхкрепкому и сверхлегкому тросу, ведущему от земной поверхности на отдаленную орбитальную стацию, где будет расположена не только научная лаборатория, но также отель для космических туристов, коих с появлением этого вида транспорта станет в сотни или даже тысячи раз больше, чем существует в наше время.

Делать столь смелые обещания корпорации Obayashi позволяет разработка новых материалов, позволяющих создавать волокна, которые являются в сто раз более крепкими, чем сталь. И технологии эти развиваются с каждым новым годом, с каждым новым месяцем.

Существуют также ежегодные международные технические конкурсы, участники которых работают над идеями по реализации космического лифта. Они разрабатывают новые материалы и инновационные технологии по доставке грузов на орбиту. При этом с каждым годом идеи становятся все более четкими и перспективными.

Сочетание описанных выше факторов как раз и позволяет корпорации Obayashi делать ошеломляющие заявления о возможности запуска орбитального лифта к 2050 году.

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.