Космический лифт и космические сложности

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.

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?"

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 см2. 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.

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
Эффект Кориолиса тоже может помешать строительству космического лифта. При подъёме сила Кориолиса будет тянуть его вместе с тросом в направлении, обратном направлению вращения Земли. Это изменит положение лифта и заставит его колебаться, подобно маятнику. Раскачивание троса скажется на скорости. Данный эффект проявляется тем сильнее, чем выше поднимается лифт. Как вариант решения этой проблемы инженер-механик Арун Мисра из Университета Макгилла предлагает снизить скорость подъёма лифта. Во-первых, пока не совсем ясно, действительно ли это поможет, а во-вторых, это увеличит срок путешествия до пятнадцати дней. Также непонятно, как учёные предполагают преодолеть деформацию и растяжение троса, которые будут происходить за счёт данного физического явления.

Решения
Конечно, ищутся и пути преодоления препятствий. Более других активность проявляет НАСА. Во-первых, сотрудники исследовательских центров американского агентства пишут теоретические работы. В целом их разработки почти не отличаются от того, что уже описано выше. Некоторые из них есть в открытом доступе, так что при желании их можно прочитать: The Space Elevator NIAC Phase II Final Report, The Space Elevator.

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.



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.

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.