На лифте в космос

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.

Авторы доклада добавляют, что противовес должен быть в состоянии выдерживать радиацию, удары небольших метеоритов и перепады температур.

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.

Источник