Канат на орбіту Що насправді робить ... космічний ліфт спектру науки
Канат на орбіту: що насправді робить ... космічний ліфт?
Починаючи з тропічного острова посеред Тихого океану, проходить тонка пластина, яка, здається, загубилася десь у безхмарному блакитному небі: це мотузка, що тягнеться в космос. По цій мотузці в небо піднімаються капсули, які неквапливо транспортують вантажі та людей на геостаціонарну орбіту. Ні зворотного відліку, ні паруючих ракетних двигунів, замість цього безшумний ліфт: це бачення майбутнього надихало авторів наукової фантастики протягом десятиліть, оскільки це зробило б космічні подорожі набагато дешевшими та відкрило б абсолютно нові галузі економіки в космосі.
Але інженери лише зрідка починають вирішувати проблеми, які потрібно вирішити. Одним з них є Йосікі Ямагіва з Японського університету Сідзуока, який зі своїми студентами 22 вересня 2018 року на борту безпілотного космічного корабля HTV вистрілив до Міжнародної космічної станції (МКС) крихітного космічного ліфта. Це CubeSat завширшки десять сантиметрів і довжиною 23 сантиметри, який протягом найближчих тижнів повинен бути витіснений з космосу для випробування першого ліфта в космосі. Однак навряд чи можна буде усунути технічні перепони цієї технології.
Надія на вуглецеві нанотрубки
Ще в 1895 р. Російський піонер космічних подорожей Костянтин Зіолковський сформулював ідею ще більшої споруди, яка могла б сягати в космос, під враженням від нещодавно зведеної Ейфелевої вежі. Але майже 100 років просто не було відомого матеріалу, який би для цього підходив. Наприклад, сталь зламалася б на висоті ледве 30 кілометрів через власну вагу, незалежно від того, наскільки стійким був побудований сталевий трос.
Хоча цю концепцію неодноразово брали на озброєння фантасти, лише після 1991 року інженери почали серйозніше займатися ліфтом у космос. Того року японський вчений Суміо Іідзіма відкрив вуглецеві нанотрубки. Цей матеріал у 100 разів міцніший за сталь, але лише наполовину важчий за алюміній. Математично мотузку з вуглецевих нанотрубок можна було натягнути далеко позаду геостаціонарної орбіти, і це все одно було б настільки легко, що сьогоднішня важка ракета могла б вивести її в космос, звідки її можна було б скотити.
Дослідження NASA у 2000 р. Вивчило технічні вимоги до такої мотузки: з острова чи платформи в менш бурхливих тропічних широтах Тихого океану мотузка сягала б до космосу 144 000 кілометрів - до третини відстані від Місяця. Тут противага утримає мотузку підтягнутою через відцентрову силу, тоді як платформа на висоті 34000 кілометрів може вмістити космічну станцію в невагомості. Таким чином можна було б потім транспортувати вантажі та людей на орбіту і, таким чином, робити ракети зайвими. Кілограм, розміщений у космосі, коштував би трохи більше 200 доларів замість 20 000 доларів сьогодні.
Прихильники технологій мріють про величезні готелі в космосі, сонячні електростанції на орбіті та шахти на астероїдах. Відцентрова сила на кінці мотузки навіть забезпечила б можливість міжпланетного руху із значно меншим використанням палива. Але найважливішою проблемою залишається матеріал: до цього часу вуглецеві нанотрубки довели свою величезну міцність лише в лабораторних масштабах; Технологій виготовлення мотузок довжиною у метри чи навіть кілометри до сьогодні не існує.
Ліфт сірникової коробки
Японський «Прив’язаний до космосу автономний робототехнічний супутник - міні-ліфт» (STARS-ME), який важить лише 2,7 кілограма, - це CubeSat, один із багатьох невеликих супутників, які зараз запускаються в космос для випробування нових і технічно ризикованих процесів космічних подорожей. STARS-ME несе кевларову мотузку, яка ще не підходить для підйому з землі в космос. Коли CubeSat покинув космічну станцію і вільно кружляє землею, кубоїд ділиться на два кубоподібних CubeSats, які залишаються з'єднаними між собою мотузкою завдовжки всього 14 метрів. Крихітний робот із власним приводом повинен ковзати між ними. Це був би перший ліфт у космосі, але розміром із сірникову коробку, досить малий.
Така прогулянка ліфтом по орбіті не є особливо вимогливим досягненням для Маркуса Ландграфа: "Люди поспішають вирішувати прості проблеми, а не вирішувати справді складні", - говорить інженер, який планує місячні зонди в Європейському космічному агентстві, але приватно має слабкість до космічних ліфтів Має. За його словами, привід капсули ліфта є однією з вирішуваних проблем космічного ліфта: він повинен працювати зовсім інакше, ніж звичайний будівельний ліфт; тому що, поки його підтягують мотузками, космічний ліфт повинен був би просуватись самостійно. З міркувань ваги капсула повинна отримувати енергію з землі, ймовірно, за допомогою потужного лазера, що опромінює сонячні елементи на капсулі ліфта.
З 2005 року в США, Японії, Німеччині та Ізраїлі проводяться змагання, в яких підйомний робот, розроблений студентами, повинен якомога швидше піднятися на канат, утримуваний вертольотом. Хоча в перші роки альпіністський робот не завжди досягав верхнього кінця мотузки, нещодавно японській команді вдалося підняти 100 кілограмів корисного навантаження до 1200 метрів. Однак, як і місія STARS-ME, ці змагання все ще далекі від розмірів орбітальної мотузки: "Вони, безумовно, відіграють певну роль у ознайомленні студентів з динамічними ефектами космічних подорожей", - говорить Маркус Ландграф. "Але вони більше не підуть на космічний ліфт".
Диявол криється в подробицях
Організації, які самі здійснюють космічні подорожі, такі як Європейське космічне агентство ESA - роботодавець Маркуса Ландграфа - до цього часу не надавали значення бюджетам космічних ліфтів. Фелікс Хубер також скептично ставиться до фундаментальних міркувань: "Нелегко тримати таку мотузку стабільною на орбіті", - говорить директор з космічних операцій та підготовки астронавтів у Німецькому аерокосмічному центрі в Оберпфаффенхофені. Хубер посилається на різні спроби в минулому, коли два супутники кружляли навколо Землі, з'єднані кілометрами кабелів.
Багато з цих місій зазнали невдачі через ненавмисне високе напруження, застрягання мотузок або через заплутання мотузок через незначні виробничі помилки. Крім того, мотузки легко розгойдуються на орбіті. Однак космічний ліфт не лише досягав вакууму, але й атмосфери, яка також тягне його, наприклад під час тропічних штормів. "Навіть коли ліфт запускається, він тягне мотузку", - говорить Хубер. "Це одне дозволяє вібраціям поширюватися і нарощуватись".
Канат довжиною в десятки тисяч кілометрів мав би боротися з іншими проблемами: на висоті від 200 до 900 кілометрів він проходив би через зону, в якій ультрафіолетове випромінювання Сонця містило атомарний кисень, який окислює органічні матеріали, такі як мотузка з вуглецевих нанотрубок і розкладався б. Космічне сміття також може зруйнувати мотузку - особливо на геостаціонарній орбіті цвинтаря: це вузька і майже лінійна зона над геостаціонарними орбітами, в якій утилізуються застарілі супутники - і яку доведеться перетинати орбітальною мотузкою. Крім того, на глибоких орбітах і мікрометеоритах швидко обертається космічне сміття, яке може пробити діри в мотузці або, в гіршому випадку, зруйнувати її.
Мрія живе далі
Маркус Ландграф, який має досвід роботи в динаміці польоту, вважає, що всі ці проблеми в принципі вирішувані: теоретично динаміка таких канатів давно зрозуміла. І конструктори могли просто встановити нижній кінець космічної мотузки таким чином, щоб він гасив вібрації протилежними обертовими рухами. Більші шматки на орбіті Землі можна обійти цільовими вібраціями.
З іншого боку, потрібно було б відремонтувати менші рвані отвори. Сміття на кладовищній орбіті вже досить повільне відносно мотузки. А мотузку просто потрібно було б покрити, щоб захистити від випромінювання та атомарного кисню. Дослідження NASA 2000 року, засноване на первинних експериментах, передбачає, що на зовнішній стороні мотузки буде розвиватися окислений шар, який служить природним захистом для глибших шарів.