Космічний ліфт зробив би революцію в космічних подорожах
З цієї ідеї легко висміяти: сотня тисяч кілометрів мотузки, натягнутої між поверхнею землі і супутником, витягує людей і матеріал у космос. Звичайно, також легко відповісти кожному, хто вважає, що це науково-фантастична нісенітниця, що деякі пізніші ключові технології спочатку також сприймали як фантазію. Подумайте лише про літак, знаменитий фізик Вільям Томсон, 1-й барон Кельвін, публічно заявив у 1895 році, що таке неможливо, і через вісім років брати Райт злетіли. Але, як і багато технічних мрій, від виготовлення золота до таблеток проти раку, ніколи не збувалися?
Спільне у «Космічного ліфта» з цими двома прикладами полягає в тому, що для його здійснення не потрібні жодні порушення відомих законів природи - на відміну, наприклад, від польотів у космосі зі швидкістю, ніж світло. Насправді це був не хто інший, як російський вчитель математики Костянтин Едуардович Зіолковський (1857-1935), один з відкривачів теорії ракет, який того ж року, коли лорд Кельвін збентежив себе історією техніки, почав думати про 36-кілометрову вежу. Її вершиною буде те, де звільнене тіло обертається навколо Землі за один день, так звана геостаціонарна орбіта, на якій сьогодні орбіти погоди або телевізійні супутники обертаються так, щоб вони завжди знаходились над однією точкою на земній поверхні. Той, хто піднімався на таку споруду, як би довго це не було, подолав би земну гравітацію, зробивши це самостійно.
Звичайно, така вежа створила б для інженерів-будівельників проблеми, які були насправді нерозв'язними. Але в 1960 році співвітчизник Зіолковського Юрій Арзутанов, 1929 року народження, зрозумів, що замість цього підійде легкий, але досить міцний канат, який буде опущений із супутника, запущеного на геостаціонарну орбіту, і закріпленого на земній поверхні. Це все ще звучить досить божевільно. Арзутанов лише описав цю ідею в газетній статті в "Комсомольській правді", і коли група американців на чолі з інженером і океанографом Джоном Ісааком (1913-1980) надіслала науці двосторінкову статтю з подібною концепцією в 1966 році, вона з'явилася лише з редакційною заміткою що рецензенти мали значні сумніви.
Ракетний двигун у кризі
Однак сьогодні ряд фізиків та інженерів дуже серйозно стурбовані цією ідеєю. В основному, крім великих космічних організацій, що фінансуються державою, вони організовують технологічні змагання та спеціалізовані конференції; остання відбулася чотири тижні тому в Сіетлі, головним спонсором якої стала Microsoft. У 2008 році був сформований Міжнародний консорціум космічних ліфтів (ISEC), а в жовтні 2013 року шаноблива Міжнародна академія космонавтики (IAA) опублікувала 350-сторінковий звіт про стан досліджень.
Ця діяльність також є кризовим явищем. Зіолковський мав ідею башти, коли не бачив іншого шляху до космосу - він створив своє ракетне рівняння лише в 1903 році. А перші докладні розрахунки були опубліковані американським інженером ВПС Джеромом Пірсоном, 1938 року народження, у спеціалізованому журналі IAA Acta Astronautica в 1975 році. У попередні роки програма "Аполлон" закінчилася передчасно, а американська програма розвитку атомних космічних рухових систем була припинена. Космічні подорожі впали в справжню кризу. Остання хвиля інтересу до космічних ліфтів нарешті розпочалася на рубежі тисячоліть, коли було видно кінець програми космічних шаттлів
Через багаторазовість космічний човник спочатку задумувався як особливо недорогий шлях у космос. Але тепер виявилося, що розвиватися космічним подорожам заважав не стільки принцип одностороннього руху, скільки ідея самої ракети.Щоб подолати гравітацію, ракети повинні тягнути за собою паливо. Для корисного навантаження транспортних засобів з хімічним приводом залишається менше п'яти відсотків злітної маси, для космічного човника - лише 1,2 відсотка. Перевезення кілограма на геостаціонарну орбіту за допомогою ракет-носіїв, таких як американський Атлас або Дельта, коштує 80 000 доларів, а на таких орбітах, як Міжнародна космічна станція, все ще 10 000 доларів. "І це, незважаючи на 50-річний досвід та оптимізацію витрат на ракети", - говорить нюрнберзький фізик Мартін Ладес, який займається ISEC. "Це вже не набагато дешевше".
Коли ліфт працює, мрії наукової фантастики збуваються
Ця величезна залежність стартових витрат від кількості матеріалу, який потрібно розпочати, на сьогоднішній день є найбільшим псуванням у космічних подорожах. Це не тільки уповільнює економічне використання космосу - і, таким чином, запобігає технічному розвитку, оскільки вони завжди трапляються лише тоді, коли хтось може заробити на них багато грошей, але також є справжнім аргументом усіх критиків пілотованих космічних подорожей. Якби космос справді не був місцем для людей, це були б не високі гори, полярні регіони і навіть відкрите море. Homo sapiens відсутній на Місяці або Марсі в наші дні не тому, що він там не належав, а тому, що в даний час просто надто дорого виривати комфортні космічні кораблі та пов'язані з ними системи життєзабезпечення від земної гравітації.
Але якби можна було протягнути таку мотузку в космос і дати ліфтам піднятися по ній, кінцевий результат був би зовсім іншим. Але що тобі було потрібно?
Коли сьогодні люди думають про космічні ліфти, це в основному базується на сценарії американця Бредлі Едвардса з 2003 року. Згідно з цим, космічний ліфт має п'ять компонентів.
Сто тисяч кілометрів кроку
Спочатку йде мотузка, центр ваги якої кружляє на геостаціонарній орбіті на висоті майже 36 000 кілометрів. Його можна було б викотити із супутника, який там випускався звичайними ракетами. Цей супутник піднімався все вище і вище, приблизно до 100 000 кілометрів, і там, як противага, другий компонент утримував мотузку в напрузі через свою відцентрову силу. Чим більше маса дається цієї противаги, тим меншою може бути загальна довжина. "Якщо ви берете мотузку довжиною 144 000 кілометрів, вам не потрібна противага", - пояснює фізик Маркус Ландграф з Європейського космічного агентства. «Тоді частина мотузки над геостаціонарною орбітою служить противагою. Додатковою перевагою верхньої частини мотузки є те, що звідти ви можете летіти в Сонячну систему, не рухаючись, до Сатурна ".
Однак для вантажних перевезень та пасажирів, що прямують на земну орбіту, геостаціонарною базою, компонентом номер три, буде кінцева станція. Четвертим компонентом тоді буде наземна станція. Поточні концепції, включаючи ті, що містяться у звіті IAA, уже мають дуже конкретні уявлення про місце розташування. Плаваюча платформа в Тихому океані, за тисячу кілометрів на захід від Галапагоських островів, була б ідеальною. Море там переважно спокійне, ризик тропічних циклонів низький, грози трапляються не так часто.
Проблема енергозабезпечення
По-п'яте, є власне ліфтовий кабіну, яку інженери зазвичай називають "альпіністом". Альпініст мав власний привід і колеса, а точніше ролики, оскільки сьогоднішні концептуальні дослідження, як і ті, що представлені у звіті IAA, базуються на стрічці шириною близько одного метра замість мотузки з круглим перерізом. Однією з двох основних проблем космічного ліфта є живлення цього приводу. Привезти паливо для 36 000-кілометрової подорожі не має сенсу - тоді у вас будуть такі самі проблеми, як із ракетою. Натомість альпініст міг живитись потужним лазерним променем. Потужні фотоелементи на борту альпініста перетворювали б лазерну енергію в електрику.
Такі приводи - але також "силове сяйво" за допомогою сильних фар або лазерів в діапазоні декількох кіловат потужності - протягом декількох років вивчалися на модельних системах у вигляді так званих "викликів", тобто змагань, в яких (часто студентські) команди змагаються між собою та Повинен відповідати певним вимогам, щоб перемогти. На останній події в Японії на початку серпня було поставлено завдання побудувати альпіністів, які б підкорили мотузку довжиною 1200 метрів, утримувану повітряною кулею. У 2012 році на кафедрі космічних технологій Мюнхенського технічного університету в Гархінгу відбувся другий «Європейський виклик космічних ліфтів». Але спонсорських грошей ще недостатньо, щоб запропонувати більше, ніж символічні суми, ніж призи. Трохи більше новаторський дух, особливо в громадських космічних установах, міг би зробити тут набагато більше, вважає Мартін Ладес.
Альпініст готового космічного ліфта, такий, як уявляється у звіті IAA, зазвичай важить 20 тонн, з яких 14 тонн є корисним навантаженням, і до геостаціонарної космічної станції знадобиться близько восьми днів. На мотузці одночасно було б до семи альпіністів; Чи справді їх енергія може бути забезпечена лазерним світлом, - це питання, яке гостро дискутується на сцені космічного ліфта. "Лазери потребують величезної інфраструктури на місцях", - говорить Пітер Свон, президент ISEC і головний редактор звіту IAA. «Вам потрібні було сім балок, по одному на кожного альпініста, а також адаптивна оптика та цільові системи. Енергія для цих величезних лазерів повинна була б забезпечуватися генераторами у відкритому морі - і ми говоримо про кілька гігават! "
Екологічне сходження з використанням сонячної енергії
Отже, у звіті IAA в центрі його міркувань розміщується альтернативне джерело енергії: "Завдяки останнім досягненням та передбачуваним розвитком фотоелектрики тепер можна сконцентруватися на конструкціях альпіністів, які отримують всю свою енергію безпосередньо від сонячного світла", це у звіті. Інженери можуть уявити, як Альпініст перетягує кілька поверхонь із сонячними елементами за собою.
Однак чистий сонячний рух реалістичний лише з висоти 40 кілометрів. Хмари не тільки загрожують погіршити енергопостачання, тендітні сонячні панелі також піддаються впливу вітру та негоди.
Можливим, хоч і гігантським рішенням цієї проблеми було б побудувати нижній кінець ліфта не на землі, а як "високий ступінь" на висоті 40 кілометрів. Для цього, мабуть, можна було б повернутися до ідеї так званих петель Lofstrom - набору вакуумних трубок довжиною в сотні кілометрів, у яких нескінченні ремені рухаються так швидко, що їх відцентрове прискорення створює висхідну силу. Транспорт від земної поверхні до “Високої стадії перший” міг здійснюватися електромагнітно вздовж вакуумних трубок.
Було б простіше фактично розпочати вертикальний підйом на землю і сховати сонячні панелі, складені в захисний кожух, протягом перших 40 кілометрів. Тоді енергію потрібно було б подавати із землі на цьому першому етапі або лазерами, або за допомогою натягнутого разом із ним силового кабелю, або - і це, безумовно, найелегантніше рішення - за допомогою мотузки (або стрічки) на наземній станції з витратою енергії накручує потрібну довжину, лише тоді прикріплює верхолаз і нарешті відпускає шпульку. Як результат, відцентрова сила мотузки та противаги тягнуть альпініста у високу атмосферу, доки сонце не зможе взяти на себе енергію.
Прогрес у матеріальному питанні
Чи можливо це значно залежить від того, який матеріал доступний для мотузки або стрічки. І цей момент є другим і найважливішим викликом, з яким стикаються мешканці космічних ліфтів. Тому що на сьогоднішній день немає жодного матеріалу, який би був стабільним і в той же час достатньо легким, щоб його можна було використати для побудови космічного ліфта. Отже, мова йде про специфічну міцність, для якої дослідники космічних ліфтів ввели окрему фізичну одиницю і назвали її “Мегаюрі”, або коротше МЮрі, на честь Юрія Арзутанова. Мегаюрі дорівнює одному гігапаскалю на грам і кубічний сантиметр. Стрічка космічного ліфта повинна бути принаймні 20 мегаюрі, краще буде 50. У трохи більше половини мегаюрі сталь до сотні разів є слабкою, і вже в 1975 році, коли Джером Пірсон представив свої розрахунки, матеріалу не було видно чия питома міцність була б достатньою.
Але саме це змінилося тим часом. У 1991 році японські вчені відкрили форму вуглецю, яку вже спостерігали в Росії десятиліттями раніше, не знаючи про це на Заході: вуглецеві нанотрубки, які з тих пір інтенсивно вивчаються, оскільки вони також мають цікаві електронні властивості. Ці трубки - це молекулярні мотузки з фантастичною міцністю. Вони дали вирішальний імпульс баченню космічного ліфта, особливо коли в 2000 році в окремих таких нановолокнах спостерігалися специфічні сили понад 20 мегаюрі. Попередній рекорд - вуглецева нанотрубка довжиною десять сантиметрів, яка у 2011 році вимірювала понад 100 мегаюрі.
Зараз вони гарячково працюють над тим, щоб прясти диво-волокно в пряжу порівнянної міцності, з якої можна зробити мотузки або стрічки будь-якої довжини. Досить кількох сотень метрів, якщо тільки для пряжі з нановолокна, оптимізованої для легких електричних кабелів. Пряжа довжиною понад 20 мегаюрі може бути представлена вже в 2015 році, згідно з доповіддю IAA. Скільки часу з цього часу можна створювати структури, також залежить від того, наскільки дослідники контролюють проблему дефектів молекул трубки. Теоретично, один відсутній атом вуглецю в інакше ідеальній 30000-кілометровій трубці зменшить міцність на 20 відсотків.
Корозія та космічне сміття
Проте автори IAA впевнені: якщо поточна тенденція збережеться, вони пишуть, що нанотрубки довжиною в кілометри будуть доступні приблизно в 2022 році. Із них нарешті слід сплести стрічку до зірок.
Але навіть тоді потрібно було б пояснити подальші питання, перш ніж космічний ліфт нарешті можна буде класифікувати як технічно здійсненний. Наприклад, чи можна також нанести чудо-волокно на покриття, щоб протистояти корозії в хімічно агресивних зонах верхніх шарів атмосфери.
Інше занепокоєння - космічне сміття. Не можна передбачити попадання дрібного сміття розміром менше 10 сантиметрів, каже Мартін Ладес, і статистично вони будуть відбуватися кожні десять днів. Тому стрічка повинна бути спроектована так, щоб вона все ще тримала один або кілька отворів. Крім того, він буде злегка вигнутим, так що навіть один мікробрухт, який потрапить точно по краю, не зможе повністю прорізати його. Загалом, альпіністам, що обслуговують, доведеться регулярно оглядати ремінь і, де це необхідно, виправляти його. Однак кілька разів на рік пояс потрапляв на шматки брухту розміром із його ширину. Однак ви можете стежити за ними за допомогою радіолокатора та уникати їх, наприклад, переміщуючи плавучу наземну станцію.
Але що, якщо речі стають дурними, а стрічка ліфта все одно порветься? Найбільша ймовірність цього - близько 800 кілометрів над рівнем моря, де щільність літаючого брухту найвища. Але будь-яке відокремлення нижче геостаціонарної станції виштовхувало б її і фрагмент верхньої смуги на вищу орбіту, тоді як нижня падала на Землю, швидко нахиляючись від вертикалі. Тоді найбільшою частиною фрагмента нижньої смуги в короткостроковій перспективі був би дуже довгий шматок космічного сміття, який міг би становити загрозу для навколоземних супутників та космічних станцій, але незабаром повністю вигорів би в атмосфері. Тільки нижчі сотні кілометрів випали на поверхню землі. Сто кілометрів тонкої вуглецевої стрічки важить менше ста кілограмів і навряд чи завдасть великої шкоди на просторах Тихого океану.
Така аварія найбільше дратувала б космонавтів, які зараз перебувають у ліфті. Спеціальні космічні кораблі, мабуть, потрібно було б підтримувати в готовності для відновлення вашого альпініста, але це має бути фінансово можливим з огляду на той факт, що, згідно з поточними підрахунками, вартість космічного фрахту впала до 500 доларів за кілограм. Однак ні за яких обставин ви не хотіли б брати із музею хімічну пускову установку, щоб відбудувати космічний ліфт. «Перше, що ми зробимо, коли побудуємо космічний ліфт, - це побудуємо другий. І третя », - говорить Пітер Свон. "Ніколи більше ми не хочемо бути замкненими в гравітаційному полі Землі".