Можно ли построить лифт на Луну? Без проблем: на Луне. Космический лифт в различных произведениях

Космический лифт

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

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

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

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

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

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

принципиально невозможно.

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

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

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

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

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

ученый Г.Поляков.

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

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

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

бежной и центростремительной.

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

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

Рис 24. Космический лифт в представлении художника Пэта Ролингса*

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

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

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

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

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

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.

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

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

Сколько же призовой фонд этого проекта?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вопросы безопасности

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

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

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

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

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

Плавающий якорь

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

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

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

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

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

Алмазные тросы

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

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

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

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

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

Снижение рисков

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

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

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

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

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

1. Нет достаточно прочного материала для троса

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

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

2. Восприимчивость к опасным вибрациям

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

3. Сила Кориолиса

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

4. Спутники и космический мусор

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

5. Социальные и экологические риски

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

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

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

источники

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».

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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