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.

Поездка на космическом лифте, наверное, будет напоминать полёт на монгольфьере - без рёва дюз, без шлейфа яростного пламени. Плавно уходит вниз Земля. Меньше становятся дома, дороги превращаются в едва заметные нити, истончаются серебристые ленты рек. Наконец, нижний суетный мир скрывается в облаках и открывается мир верхний, заоблачный. Пройдена атмосфера, за стеклом - космическая чернота. А кабина скользит выше и выше по тросу, невидимому на синезелёном фоне планеты и уходящему в бездонную пустоту.

Ещё Циолковский описывал конструкцию, которая могла бы связать орбиту с поверхностью Земли. В начале 1960-х годов идею развил Юрий Арцутанов, а Артур Кларк использовал её в романе «Фонтаны рая». «Мир фантастики» возвращается к теме космического лифта и пробует представить, как он должен работать и что для этого нужно.

Геостационарная орбита

Возможно ли, чтобы спутник неподвижно замер над головой наблюдателя? Будь Земля неподвижной, как в птолемеевской системе мира, ответ был бы «нет» - ведь без центробежной силы спутник не удержится на орбите. Но, как мы знаем, и сам наблюдатель не неподвижен, а вращается вместе с планетой. Если период обращения спутника будет равняться сидерическим суткам (23 часа 56 минут 4 секунды), а его орбита окажется в плоскости экватора, аппарат зависнет над так называемой «точкой стояния».

Орбита, на которой спутник неподвижен относительно точки стояния, называется геостационарной. И для освоения космоса она чрезвычайно важна. Именно на ней находится большинство спутников связи, а связь - основное направление коммерческого использования космоса. Передачи через висящий над экватором ретранслятор можно принимать на неподвижные «тарелки».

Существует и идея разместить на геостационарной орбите обитаемую станцию. Зачем? Во-первых, для обслуживания и ремонта спутников связи. Чтобы спутники прослужили ещё несколько лет, часто требуется лишь дозаправить топливом микродвигатели, обеспечивающие ориентацию солнечных батарей и антенны. Пилотируемая станция сможет маневрировать вдоль геостационарной орбиты, опускаться (при этом её угловая скорость станет выше, чем у «стоящих» спутников), догонять требующий обслуживания аппарат и снова подниматься. Горючего на это уйдёт не больше, чем расходует низкоорбитальная станция, когда преодолевает трение о разреженную атмосферу.

Казалось бы, выгода огромная. Но снабжение столь удалённого форпоста обойдётся слишком дорого. Для смены экипажа и отправки транспортных кораблей потребуются впятеро более тяжёлые ракеты-носители, чем те, что применяются сейчас. Куда привлекательнее идея использовать высотную станцию для строительства космического лифта.

Тросы

Что будет, если с геостационарного спутника выбросить трос вниз, в направлении Земли? Сначала кориолисова сила увлечёт его вперёд. Ведь он получит ту же скорость, что и спутник, но окажется на более низкой орбите, а значит, его угловая скорость будет выше. Но через некоторое время трос приобретёт вес и повиснет вертикально. Радиус вращения сократится, и центробежная сила больше не сможет уравновешивать силу притяжения. Если продолжать вытравливать канат, рано или поздно он достигнет поверхности планеты.

Чтобы центр тяжести системы не сместился, необходим противовес. В качестве балласта некоторые предлагают использовать отработавшие спутники или даже небольшой астероид. Но есть и более интересный вариант - вытравливать трос и в противоположную сторону, от Земли. Он тоже распрямится и натянется. Но уже не под собственным весом, а из-за центробежной силы.

Второй трос будет полезнее простого балласта. Дешёвая, безракетная доставка грузов на геостационарную орбиту - это полезно, но само по себе не окупит затраты на лифт. Станция на высоте 36 000 километров станет лишь перевалочным пунктом. Далее, уже без затрат энергии, ускоряясь центробежной силой, грузы двинутся по второму тросу. На расстоянии 144 000 километров от Земли их скорость превысит вторую космическую. Лифт превратится в катапульту, отправляющую снаряды к Луне, Венере и Марсу за счёт энергии вращения планеты.

Проблема в тросе, который должен не оборваться под собственным весом, несмотря на фантастическую длину. Со стальным канатом это произойдёт уже при длине 60 километров (а возможно, намного раньше, так как при плетении неизбежны дефекты). Избежать разрыва можно, если толщина каната будет экспоненциально возрастать с высотой - ведь каждый последующий участок должен выдерживать свой вес плюс вес всех предыдущих. Но мысленный эксперимент придётся прервать: ближе к верхнему концу трос достигнет такой толщины, что запасов железа в земной коре на него просто не хватит.

Не подходит даже прочнейший полиэтилен «дайнима» (Dyneema), из которого делают бронежилеты и стропы парашютов. Он имеет низкую плотность, при поперечном сечении в один квадратный миллиметр выдерживает нагрузку в две тонны и рвётся под собственным весом лишь при длине 2500 километров. Но и трос из «дайнимы» должен иметь массу около 300 000 тонн и толщину 10 метров на верхнем конце. Доставить такой груз на орбиту почти нереально, - а лифт можно строить только сверху.

Надежду вселяют открытые в 1991 году углеродные нанотрубки, теоретически способные превосходить кевлар по прочности в 30 раз (на практике полиэтиленовый трос пока прочнее). Если подтвердятся оптимистичные оценки их потенциала, можно будет изготовить постоянную по сечению ленту длиной 36 000 км, весом 270 тонн и грузоподъёмностью 10 тонн. А если подтвердятся хотя бы пессимистичные оценки, лифт с тросом толщиной 1 миллиметр у Земли и 25 сантиметров на орбите (масса 900 тонн без учёта противовеса) уже не будет фантастикой.

Подъёмник

Создать подъёмник для космического лифта - задача нетривиальная. Для изготовления троса нужно лишь отработать новую технологию. Механизм же, способный взбираться по этому тросу и доставлять грузы на орбиту, ещё предстоит изобрести. «Земной» способ, когда кабина крепится к наматывающемуся на барабан канату, не выдерживает критики: масса груза окажется пренебрежимо малой по сравнению с массой каната. Подъёмнику предстоит взбираться самостоятельно.

Казалось бы, и это несложно реализовать. Трос зажимается между роликами, и машина ползёт вверх, удерживаясь за счёт силы трения. Но это только в фантастике космический лифт - башня или могучая колонна, внутри которой движется кабина. В реальности поверхности Земли достигнет едва видимая нить, в лучшем случае: узкая лента. Площадь соприкосновения роликов с опорой будет ничтожной, а значит, и трение не может быть велико.

Есть и ещё одно ограничение - механизм не должен повреждать трос. Увы, хотя наноткань невероятно прочна на разрыв, это не значит, что её трудно перерезать или перетереть. Заменить же порванный трос будет очень трудно. А если он лопнет на большой высоте, центробежная сила унесёт станцию далеко в космос, погубив весь проект. Чтобы в аварийной ситуации удержать центр тяжести системы на орбите, по всей длине троса придётся разместить небольшие мины. При обрыве одной из ветвей они немедленно отстрелят равную по массе часть противоположной.

Нужно решить и массу других интересных задач. Например, расхождение подъёмников, движущихся навстречу друг другу, и спасение пассажиров из «застрявших» кабин.

Самая сложная проблема - питание подъёмника. Энергия для двигателя потребуется немаленькая. Ёмкости аккумуляторов, как существующих, так и разрабатываемых, недостаточно. Запас же химического горючего и окислителя превратит подъёмник в многоступенчатую систему из баков и двигателей. Этой замечательной конструкции, кстати, не нужен и дорогостоящий трос - она существует прямо сейчас и называется «ракета-носитель».

Проще всего встроить в трос контактные провода. Но веса металлической проводки трос не выдержит, а значит, придётся «научить» нанотрубки проводить электрический ток. Автономное питание в виде солнечных батарей или радиоизотопного источника слабовато: по самой оптимистичной оценке, подъём с ними займёт десятки лет. Ядерный реактор, у которого лучше с отношением массы к мощности, доставит кабину на орбиту за годы. Но сам он слишком тяжёл и к тому же потребует двух-трёх дозаправок по дороге.

Пожалуй, лучший вариант - это передача энергии с помощью лазера или микроволновой пушки, облучающих приёмное устройство подъёмника. Но и он не лишён недостатков. На современном уровне технологий лишь меньшая часть получаемой энергии может быть преобразована в электрическую. Остальное перейдёт в тепло, отвести которое в условиях безвоздушного пространства окажется весьма проблематично.

Если кабель повредится, доставить ремонтников к повреждённому участку будет непросто. А если оборвётся - то и поздно (кадр из игры Halo 3: ODST)

Радиационная защита

Неприятная новость для желающих прокатиться налегке: лифт будет проходить через радиационные пояса Земли. Магнитное поле планеты захватывает частицы солнечного ветра - протоны и электроны - и не даёт опасным излучениям достичь поверхности. В результате Землю в экваториальной плоскости окружают два колоссальных тора, внутри которых сконцентрированы заряженные частицы. Даже космические аппараты стараются избегать этих областей.

Первый пояс, ловушка для протонов, начинается на высоте 500–1300 километров и заканчивается на высоте 7000 километров. За ним примерно до высоты 13 000 километров располагается сравнительно безопасная область. Но ещё дальше, между 13 и 20 тысячами километров, протирается внешний радиационный пояс из обладающих большой энергией электронов.

Орбитальные станции вращаются ниже радиационных поясов. Пилотируемые космические корабли пересекали их лишь во время лунных экспедиций, потратив на это всего несколько часов. Но подъёмнику потребуется около суток на преодоление каждого из поясов. Значит, кабину придётся снабжать серьёзной противорадиационной защитой.

Причальная башня

Основание космического лифта обычно представляют как комплекс наземных сооружений, расположенный где-нибудь в Эквадоре, джунглях Габона или на атолле в Океании. Но самое очевидное решение не всегда лучшее. Спущенный с орбиты трос можно закрепить на палубе корабля или на вершине колоссальной башни. Морское судно будет уклоняться от ураганов, способных если и не оборвать обладающий немалой парусностью лифт, то сбросить с него подъёмники.

А башня высотой 12-15 километров позволит защитить трос от буйства атмосферы, к тому же несколько сократит его длину. На первый взгляд выгода кажется ничтожной, но если масса троса будет зависеть от его длины экспоненциально, то даже крошечный выигрыш позволит достичь заметной экономии. Кроме того, причальная башня позволяет примерно вдвое повысить грузоподъёмность системы за счёт отказа от самого тонкого и уязвимого участка нити.

Впрочем, возвести здание такой высоты возможно только на страницах фантастических романов. Теоретически такую башню можно соорудить из материала, обладающего твёрдостью алмаза. Практически же никакой фундамент не выдержит её вес.

Тем не менее построить причальную вышку на многокилометровой высоте возможно. Только строительным материалом должен служить не бетон, а газ: наполненные гелием шары. Такая башня будет представлять собой «поплавок», нижняя часть которого погружена в атмосферу и за счёт архимедовой силы поддерживает верхнюю, находящуюся уже в почти безвоздушном пространстве. Строиться это сооружение может снизу, из отдельных, имеющих небольшие размеры и вполне заменимых блоков. Нет принципиальных препятствий тому, чтобы «надувная башня» достигала высоты в 100 или даже 160 километров.

Даже без космического лифта «парящая башня» имеет смысл. Как электростанция - если внешнюю оболочку покрыть солнечными батареями. Как ретранслятор, обслуживающий территорию радиусом в полторы тысячи километров. Наконец, как обсерватория и база для исследования верхних слоёв атмосферы.

А если не замахиваться на высоту в сотни километров, можно использовать в качестве причальной станции кольцевидный аэростат, «заякоренный» на высоте 40 километров. Гигантский дирижабль (или несколько дирижаблей, расположенных один над другим) разгрузят трос лифта, приняв на себя его вес на последних десятках километров.

Но самые значительные преимущества дала бы движущаяся платформа в виде высотного дирижабля, летящего над экватором со скоростью 360 км/ч (что вполне достижимо при питании двигателя от солнечных батарей и ядерного реактора). В таком случае и спутнику не нужно висеть над одной точкой. Его орбита будет располагаться на 7 000 километров ниже геостационарной, что позволит уменьшить длину троса на 20%, а массу в 2,5 раза (учитывая и выигрыш от применения «причальной башни»). Останется решить проблему доставки грузов на сам дирижабль.

Гравитационная катапульта

Космический лифт - самый амбициозный, но не единственный проект использования тросов для запуска космических аппаратов. Некоторые другие замыслы можно воплотить уже на нынешнем уровне технологий.

Что, например, будет, если привязанный тросом груз вытолкнуть из зависшего на орбите шаттла «вверх», прочь от Земли? По закону сохранения импульса сам корабль сместится на более низкую орбиту. И начнёт падать. Груз же, увлекая за собой разматывающийся трос, сначала отклонится кориолисовой силой назад, но затем устремится «вверх». Ведь с увеличением радиуса вращения гравитация ослабеет, а центробежная сила увеличится. Система сработает как требушет - древняя метательная машина. Роль клети с камнями возьмёт на себя челнок, трос превратится в пращу, осью же станет общий центр масс системы, пребывающий в состоянии невесомости на первоначальной орбите корабля. Качнувшись относительно оси, трос распрямится в вертикальном направлении, натянется и выбросит груз.

Разница между гравитационной катапультой и космическим лифтом в том, что роль «клети» в лифте выполняет сама планета, «падающая» на неразличимо малую высоту относительно центра масс системы «Земля-снаряд». В данном же случае будет затрачена кинетическая энергия челнока. Корабль передаст часть своего импульса грузу - скажем, автоматической межпланетной станции, - потеряет скорость и высоту и войдёт в плотные слои атмосферы. Что тоже хорошо, так как обычно для схождения с орбиты челноку приходится тормозить двигателями, сжигая горючее.

С помощью тросовой катапульты шаттл сможет отправить к Марсу или Венере в 2-3 раза больший груз, чем традиционным путём. Что, впрочем, всё равно не позволит челночной системе состязаться с обычной ракетой-носителем в экономичности. Ведь на орбиту для «катапультного» запуска потребуется вывести не только полезную нагрузку, но и исполинский трос с «противовесом». Другое дело, что противовес для катапульты можно найти прямо на орбите - подойдёт, например, выполнивший свою миссию транспортный корабль. Кроме того, вокруг нашей планеты вращается масса «космического мусора», который придётся собирать уже в обозримом будущем.

* * *

Проблемы, связанные с сооружением космического лифта, далеки от разрешения. Экономически эффективная альтернатива ракетам и челнокам появится ещё нескоро. Но на данный момент «лестница в пустоту» - самый фантастичный и масштабный проект, над которым работает наука. Даже если сооружение, длина которого в дюжину раз превосходит диаметр планеты, окажется неэффективным, оно ознаменует начало нового этапа в истории человечества. Тот самый «выход из колыбели», о котором более века назад говорил Константин Эдуардович Циолковский.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция

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

Основание

Основание космического лифта - это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.

Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту.

Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом , и прочностью около 65-120 гигапаскалей .

Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим [на сколько? ] выше.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

По заявлениям некоторых учёных , даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

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

Утолщение троса

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

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

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

В формуле используются следующие константы:

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

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

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

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

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

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида , космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости . Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).

Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину.

В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.

К моменту достижения грузом ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту.

При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Запуск в космос

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

Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

Строительство

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

Экономия от использования космического лифта

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

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

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

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

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

Достижения

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

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

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

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

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

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

Схожие проекты

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

Космический лифт в различных произведениях

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

В манге и аниме

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

См. также

• Космический лифт: 2010 (англ.) русск.

Примечания

Литература

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

По теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу . Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ, НАШ БИЛЕТ В КОСМОС!

✪ Космический лифт на Луну | Большой скачок

✪ Космический лифт. Мечта и реальность. Или фантастика?

✪ В Канаде построят 20-километроый космический лифт

✪ Космический лифт (читает Александр Котов)

Субтитры

Конструкция

Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

По заявлениям некоторых учёных , даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

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

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:

A (r) = A 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] {\displaystyle A(r)=A_{0}\ \exp \left[{\frac {\rho }{s}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}(1-{\frac {r_{0}}{r}})\right]\right]}

Здесь A (r) {\displaystyle A(r)} - площадь сечения троса как функция расстояния r {\displaystyle r} от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

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

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть: A (r G E O) A 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] {\displaystyle {\frac {A(r_{\mathrm {GEO} })}{A_{0}}}=\exp \left[{\frac {\rho }{s}}\times 4,832\times 10^{7}\,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \right]}

Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, мы получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Следует учесть, что расчет велся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки - поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причем эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).

Диаметр троса на ГСО, в зависимости от его диаметра на уровне Земли,
для различных материалов (рассчитана по последней формуле), м

Материал	Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3	Предел прочности s {\displaystyle s} , Па	Диаметр троса на уровне Земли
			1 мм	1 см	10 см	1м
Сталь Ст3 горячекатаная	7760	0.37·10 9	1.31·10 437	1.31·10 438	1.31·10 439	1.31·10 440
Сталь высоколегированная 30ХГСА	7780	1.4·10 9	4.14·10 113	4.14·10 114	4.14·10 115	4.14·10 116
Паутина	1000	2.5·10 9	0.248·10 6	2.48·10 6	24.8·10 6	248·10 6
Современное углеволокно	1900	4·10 9	9.269·10 6	92.69·10 6	926.9·10 6	9269·10 6
Углеродные нанотрубки	1900	90·10 9	2.773·10 -3	2.773·10 -2	2.773·10 -1	2.773

Таким образом, построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход - искать материалы с более низкой плотностью и/или очень высокой прочностью.

Например, в таблицу включена паутина (паучий шелк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах» . В последнее время появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко геномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно. Но, по словам прессы, такие разработки ведутся

Ещё одно перспективное направление - углеволокно и углеродные нанотрубки . Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий . Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.

Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:

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 (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на существенно 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 подъёме, 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.

На других планетах

Космический лифт можно строить и на других планетах. Причём чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.

Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной (например, между Плутоном и Хароном или между компонентами двойного астероида (90) Антиопа . Однако поскольку их орбиты не являются точным кругом, потребуется устройство для постоянного изменения длины такого лифта. Лифт в этом случае можно использовать не только для вывода грузов в космос, но и для «межпланетных поездок».

Строительство

Строительство ведётся с геостационарной станции. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, - в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть доставлены на геостационарную орбиту традиционным способом. То есть стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.

Экономия от использования космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к расширению рынка.

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

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

Достижения

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

В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с скорость которой нужно добиться 10 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.

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

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

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

В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель - подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.

Схожие проекты

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

Проект Stratosphere Network of Skyscrapers (Стратосферная сеть небоскрёбов). Проект представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединённых в шестигранники, покрывающую всю планету. При переходе на следующие этапы строительства, опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нём стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.

Космический лифт в различных произведениях

• В книге Роберта Хайнлайна «Фрайди» используется космический лифт, названный «бобовый стебель »
• В фильме СССР 1972 года «Петька в космосе» главный герой изобретает космический лифт.
• Одно из знаменитых произведений Артура Кларка , «Фонтаны рая », основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
• В сериале «Звёздный путь: Вояджер » в эпизоде 3.19 «Подъём» космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
• В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он - одно из поздних «Больших чудес».
• В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить суперволокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
• В фантастическом романе Франка Шетцинга «Limit» космический лифт действует как основное звено политической интриги в ближайшем будущем.
• В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки » одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
• В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War ) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
• В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
• В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).
• В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» - сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве космического лифта.
• В фантастическом романе Грема Макнилла «Механикум» космические лифты присутствуют на Марсе и названы Башнями Циолковского
• Упоминается в песне группы Звуки Му «Лифт на небо».
• В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз поднимаются на космическом лифте, чтобы попасть в Парк Доктора Эггмана.
• В книге Александра Зорича «Сомнамбула 2» из серии Этногенез , главный герой Матвей Гумилев (после подсадки суррогатной личности - Максим Верховцев, личный пилот товарища Альфы, главы «Звездных борцов») путешествует на орбитальном лифте.
• В повести «Змееныш» писателя-фантаста Александра Громова герои пользуются космическим лифтом «по дороге» с Луны на землю.
• В цикле фантастических романов Джорджа Мартина «Путешествия Тафа» на планете С’атлем орбитальный лифт ведет к планетоиду, обустроенному как космопорт.
• В компьютерной игре