Космический лифт. Основные проблемы

Сегодня освоение космоса – не просто всемирная идея, это цель, к которой стремится каждое отдельное государство и их коалиции в целом. Для дальнейшего изучения космоса, а также успешной колонизации планет, требуется интенсивное развитие технологий, которые могут за собой повлечь возникновение новых инструментов, средств и методов передвижения в космическом пространстве. Эксперименты, способствующие развитию подобных технологий, проводятся на орбитальных станциях вроде МКС или Тяньгун.

По этой причине, внушительная часть сегодняшних исследований в области космонавтики, направлена на повышение продуктивности работы этих станций и их экипажа, а также на снижение стоимости эксплуатации станций и обслуживания человеческого ресурса. Далее, нами рассматривается один из наиболее амбициозных и масштабных проектов в этой области – космический лифт.

Основная цель постройки космического лифта заключается в снижении стоимости доставки грузов на орбиту Земли. Дело в том, что доставка какого-либо груза на орбитальную станцию, при помощи транспортных космических аппаратов, залача достаточно затратная. Например, один из транспортных кораблей НАСА, разработанный компанией SpaceX – Dragon, требует для своего запуска затраты в размере около 133 млн. долларов, при этом во время последней миссии («SpaceX CRS-9») корабль был загружен на 5000 фунтов (2268 кг). Таким образом, если подсчитать стоимость одного фунта, то она составит 58,6 тыс. долларов за 1 кг.

Космический лифт в представлении художника

Поездка на космическом лифте, наверное, будет напоминать полёт на монгольфьере - без рёва дюз, без шлейфа яростного пламени. Плавно уходит вниз Земля. Меньше становятся дома, дороги превращаются в едва заметные нити, истончаются серебристые ленты рек. Наконец, нижний суетный мир скрывается в облаках и открывается мир верхний, заоблачный. Пройдена атмосфера, за стеклом - космическая чернота. А кабина скользит выше и выше по тросу, невидимому на синезелёном фоне планеты и уходящему в бездонную пустоту.

Ещё Циолковский описывал конструкцию, которая могла бы связать орбиту с поверхностью Земли. В начале 1960-х годов идею развил Юрий Арцутанов, а Артур Кларк использовал её в романе «Фонтаны рая». «Мир фантастики» возвращается к теме космического лифта и пробует представить, как он должен работать и что для этого нужно.

Геостационарная орбита

Возможно ли, чтобы спутник неподвижно замер над головой наблюдателя? Будь Земля неподвижной, как в птолемеевской системе мира, ответ был бы «нет» - ведь без центробежной силы спутник не удержится на орбите. Но, как мы знаем, и сам наблюдатель не неподвижен, а вращается вместе с планетой. Если период обращения спутника будет равняться сидерическим суткам (23 часа 56 минут 4 секунды), а его орбита окажется в плоскости экватора, аппарат зависнет над так называемой «точкой стояния».

Орбита, на которой спутник неподвижен относительно точки стояния, называется геостационарной. И для освоения космоса она чрезвычайно важна. Именно на ней находится большинство спутников связи, а связь - основное направление коммерческого использования космоса. Передачи через висящий над экватором ретранслятор можно принимать на неподвижные «тарелки».

Существует и идея разместить на геостационарной орбите обитаемую станцию. Зачем? Во-первых, для обслуживания и ремонта спутников связи. Чтобы спутники прослужили ещё несколько лет, часто требуется лишь дозаправить топливом микродвигатели, обеспечивающие ориентацию солнечных батарей и антенны. Пилотируемая станция сможет маневрировать вдоль геостационарной орбиты, опускаться (при этом её угловая скорость станет выше, чем у «стоящих» спутников), догонять требующий обслуживания аппарат и снова подниматься. Горючего на это уйдёт не больше, чем расходует низкоорбитальная станция, когда преодолевает трение о разреженную атмосферу.

Казалось бы, выгода огромная. Но снабжение столь удалённого форпоста обойдётся слишком дорого. Для смены экипажа и отправки транспортных кораблей потребуются впятеро более тяжёлые ракеты-носители, чем те, что применяются сейчас. Куда привлекательнее идея использовать высотную станцию для строительства космического лифта.

Тросы

Что будет, если с геостационарного спутника выбросить трос вниз, в направлении Земли? Сначала кориолисова сила увлечёт его вперёд. Ведь он получит ту же скорость, что и спутник, но окажется на более низкой орбите, а значит, его угловая скорость будет выше. Но через некоторое время трос приобретёт вес и повиснет вертикально. Радиус вращения сократится, и центробежная сила больше не сможет уравновешивать силу притяжения. Если продолжать вытравливать канат, рано или поздно он достигнет поверхности планеты.

Чтобы центр тяжести системы не сместился, необходим противовес. В качестве балласта некоторые предлагают использовать отработавшие спутники или даже небольшой астероид. Но есть и более интересный вариант - вытравливать трос и в противоположную сторону, от Земли. Он тоже распрямится и натянется. Но уже не под собственным весом, а из-за центробежной силы.

Второй трос будет полезнее простого балласта. Дешёвая, безракетная доставка грузов на геостационарную орбиту - это полезно, но само по себе не окупит затраты на лифт. Станция на высоте 36 000 километров станет лишь перевалочным пунктом. Далее, уже без затрат энергии, ускоряясь центробежной силой, грузы двинутся по второму тросу. На расстоянии 144 000 километров от Земли их скорость превысит вторую космическую. Лифт превратится в катапульту, отправляющую снаряды к Луне, Венере и Марсу за счёт энергии вращения планеты.

Проблема в тросе, который должен не оборваться под собственным весом, несмотря на фантастическую длину. Со стальным канатом это произойдёт уже при длине 60 километров (а возможно, намного раньше, так как при плетении неизбежны дефекты). Избежать разрыва можно, если толщина каната будет экспоненциально возрастать с высотой - ведь каждый последующий участок должен выдерживать свой вес плюс вес всех предыдущих. Но мысленный эксперимент придётся прервать: ближе к верхнему концу трос достигнет такой толщины, что запасов железа в земной коре на него просто не хватит.

Не подходит даже прочнейший полиэтилен «дайнима» (Dyneema), из которого делают бронежилеты и стропы парашютов. Он имеет низкую плотность, при поперечном сечении в один квадратный миллиметр выдерживает нагрузку в две тонны и рвётся под собственным весом лишь при длине 2500 километров. Но и трос из «дайнимы» должен иметь массу около 300 000 тонн и толщину 10 метров на верхнем конце. Доставить такой груз на орбиту почти нереально, - а лифт можно строить только сверху.

Надежду вселяют открытые в 1991 году углеродные нанотрубки, теоретически способные превосходить кевлар по прочности в 30 раз (на практике полиэтиленовый трос пока прочнее). Если подтвердятся оптимистичные оценки их потенциала, можно будет изготовить постоянную по сечению ленту длиной 36 000 км, весом 270 тонн и грузоподъёмностью 10 тонн. А если подтвердятся хотя бы пессимистичные оценки, лифт с тросом толщиной 1 миллиметр у Земли и 25 сантиметров на орбите (масса 900 тонн без учёта противовеса) уже не будет фантастикой.

Подъёмник

Создать подъёмник для космического лифта - задача нетривиальная. Для изготовления троса нужно лишь отработать новую технологию. Механизм же, способный взбираться по этому тросу и доставлять грузы на орбиту, ещё предстоит изобрести. «Земной» способ, когда кабина крепится к наматывающемуся на барабан канату, не выдерживает критики: масса груза окажется пренебрежимо малой по сравнению с массой каната. Подъёмнику предстоит взбираться самостоятельно.

Казалось бы, и это несложно реализовать. Трос зажимается между роликами, и машина ползёт вверх, удерживаясь за счёт силы трения. Но это только в фантастике космический лифт - башня или могучая колонна, внутри которой движется кабина. В реальности поверхности Земли достигнет едва видимая нить, в лучшем случае: узкая лента. Площадь соприкосновения роликов с опорой будет ничтожной, а значит, и трение не может быть велико.

Есть и ещё одно ограничение - механизм не должен повреждать трос. Увы, хотя наноткань невероятно прочна на разрыв, это не значит, что её трудно перерезать или перетереть. Заменить же порванный трос будет очень трудно. А если он лопнет на большой высоте, центробежная сила унесёт станцию далеко в космос, погубив весь проект. Чтобы в аварийной ситуации удержать центр тяжести системы на орбите, по всей длине троса придётся разместить небольшие мины. При обрыве одной из ветвей они немедленно отстрелят равную по массе часть противоположной.

Нужно решить и массу других интересных задач. Например, расхождение подъёмников, движущихся навстречу друг другу, и спасение пассажиров из «застрявших» кабин.

Самая сложная проблема - питание подъёмника. Энергия для двигателя потребуется немаленькая. Ёмкости аккумуляторов, как существующих, так и разрабатываемых, недостаточно. Запас же химического горючего и окислителя превратит подъёмник в многоступенчатую систему из баков и двигателей. Этой замечательной конструкции, кстати, не нужен и дорогостоящий трос - она существует прямо сейчас и называется «ракета-носитель».

Проще всего встроить в трос контактные провода. Но веса металлической проводки трос не выдержит, а значит, придётся «научить» нанотрубки проводить электрический ток. Автономное питание в виде солнечных батарей или радиоизотопного источника слабовато: по самой оптимистичной оценке, подъём с ними займёт десятки лет. Ядерный реактор, у которого лучше с отношением массы к мощности, доставит кабину на орбиту за годы. Но сам он слишком тяжёл и к тому же потребует двух-трёх дозаправок по дороге.

Пожалуй, лучший вариант - это передача энергии с помощью лазера или микроволновой пушки, облучающих приёмное устройство подъёмника. Но и он не лишён недостатков. На современном уровне технологий лишь меньшая часть получаемой энергии может быть преобразована в электрическую. Остальное перейдёт в тепло, отвести которое в условиях безвоздушного пространства окажется весьма проблематично.

Если кабель повредится, доставить ремонтников к повреждённому участку будет непросто. А если оборвётся - то и поздно (кадр из игры Halo 3: ODST)

Радиационная защита

Неприятная новость для желающих прокатиться налегке: лифт будет проходить через радиационные пояса Земли. Магнитное поле планеты захватывает частицы солнечного ветра - протоны и электроны - и не даёт опасным излучениям достичь поверхности. В результате Землю в экваториальной плоскости окружают два колоссальных тора, внутри которых сконцентрированы заряженные частицы. Даже космические аппараты стараются избегать этих областей.

Первый пояс, ловушка для протонов, начинается на высоте 500–1300 километров и заканчивается на высоте 7000 километров. За ним примерно до высоты 13 000 километров располагается сравнительно безопасная область. Но ещё дальше, между 13 и 20 тысячами километров, протирается внешний радиационный пояс из обладающих большой энергией электронов.

Орбитальные станции вращаются ниже радиационных поясов. Пилотируемые космические корабли пересекали их лишь во время лунных экспедиций, потратив на это всего несколько часов. Но подъёмнику потребуется около суток на преодоление каждого из поясов. Значит, кабину придётся снабжать серьёзной противорадиационной защитой.

Причальная башня

Основание космического лифта обычно представляют как комплекс наземных сооружений, расположенный где-нибудь в Эквадоре, джунглях Габона или на атолле в Океании. Но самое очевидное решение не всегда лучшее. Спущенный с орбиты трос можно закрепить на палубе корабля или на вершине колоссальной башни. Морское судно будет уклоняться от ураганов, способных если и не оборвать обладающий немалой парусностью лифт, то сбросить с него подъёмники.

А башня высотой 12-15 километров позволит защитить трос от буйства атмосферы, к тому же несколько сократит его длину. На первый взгляд выгода кажется ничтожной, но если масса троса будет зависеть от его длины экспоненциально, то даже крошечный выигрыш позволит достичь заметной экономии. Кроме того, причальная башня позволяет примерно вдвое повысить грузоподъёмность системы за счёт отказа от самого тонкого и уязвимого участка нити.

Впрочем, возвести здание такой высоты возможно только на страницах фантастических романов. Теоретически такую башню можно соорудить из материала, обладающего твёрдостью алмаза. Практически же никакой фундамент не выдержит её вес.

Тем не менее построить причальную вышку на многокилометровой высоте возможно. Только строительным материалом должен служить не бетон, а газ: наполненные гелием шары. Такая башня будет представлять собой «поплавок», нижняя часть которого погружена в атмосферу и за счёт архимедовой силы поддерживает верхнюю, находящуюся уже в почти безвоздушном пространстве. Строиться это сооружение может снизу, из отдельных, имеющих небольшие размеры и вполне заменимых блоков. Нет принципиальных препятствий тому, чтобы «надувная башня» достигала высоты в 100 или даже 160 километров.

Даже без космического лифта «парящая башня» имеет смысл. Как электростанция - если внешнюю оболочку покрыть солнечными батареями. Как ретранслятор, обслуживающий территорию радиусом в полторы тысячи километров. Наконец, как обсерватория и база для исследования верхних слоёв атмосферы.

А если не замахиваться на высоту в сотни километров, можно использовать в качестве причальной станции кольцевидный аэростат, «заякоренный» на высоте 40 километров. Гигантский дирижабль (или несколько дирижаблей, расположенных один над другим) разгрузят трос лифта, приняв на себя его вес на последних десятках километров.

Но самые значительные преимущества дала бы движущаяся платформа в виде высотного дирижабля, летящего над экватором со скоростью 360 км/ч (что вполне достижимо при питании двигателя от солнечных батарей и ядерного реактора). В таком случае и спутнику не нужно висеть над одной точкой. Его орбита будет располагаться на 7 000 километров ниже геостационарной, что позволит уменьшить длину троса на 20%, а массу в 2,5 раза (учитывая и выигрыш от применения «причальной башни»). Останется решить проблему доставки грузов на сам дирижабль.

Гравитационная катапульта

Космический лифт - самый амбициозный, но не единственный проект использования тросов для запуска космических аппаратов. Некоторые другие замыслы можно воплотить уже на нынешнем уровне технологий.

Что, например, будет, если привязанный тросом груз вытолкнуть из зависшего на орбите шаттла «вверх», прочь от Земли? По закону сохранения импульса сам корабль сместится на более низкую орбиту. И начнёт падать. Груз же, увлекая за собой разматывающийся трос, сначала отклонится кориолисовой силой назад, но затем устремится «вверх». Ведь с увеличением радиуса вращения гравитация ослабеет, а центробежная сила увеличится. Система сработает как требушет - древняя метательная машина. Роль клети с камнями возьмёт на себя челнок, трос превратится в пращу, осью же станет общий центр масс системы, пребывающий в состоянии невесомости на первоначальной орбите корабля. Качнувшись относительно оси, трос распрямится в вертикальном направлении, натянется и выбросит груз.

Разница между гравитационной катапультой и космическим лифтом в том, что роль «клети» в лифте выполняет сама планета, «падающая» на неразличимо малую высоту относительно центра масс системы «Земля-снаряд». В данном же случае будет затрачена кинетическая энергия челнока. Корабль передаст часть своего импульса грузу - скажем, автоматической межпланетной станции, - потеряет скорость и высоту и войдёт в плотные слои атмосферы. Что тоже хорошо, так как обычно для схождения с орбиты челноку приходится тормозить двигателями, сжигая горючее.

С помощью тросовой катапульты шаттл сможет отправить к Марсу или Венере в 2-3 раза больший груз, чем традиционным путём. Что, впрочем, всё равно не позволит челночной системе состязаться с обычной ракетой-носителем в экономичности. Ведь на орбиту для «катапультного» запуска потребуется вывести не только полезную нагрузку, но и исполинский трос с «противовесом». Другое дело, что противовес для катапульты можно найти прямо на орбите - подойдёт, например, выполнивший свою миссию транспортный корабль. Кроме того, вокруг нашей планеты вращается масса «космического мусора», который придётся собирать уже в обозримом будущем.

* * *

Проблемы, связанные с сооружением космического лифта, далеки от разрешения. Экономически эффективная альтернатива ракетам и челнокам появится ещё нескоро. Но на данный момент «лестница в пустоту» - самый фантастичный и масштабный проект, над которым работает наука. Даже если сооружение, длина которого в дюжину раз превосходит диаметр планеты, окажется неэффективным, оно ознаменует начало нового этапа в истории человечества. Тот самый «выход из колыбели», о котором более века назад говорил Константин Эдуардович Циолковский.

Какой же мальчишка не мечтает стать космонавтом? Однако осуществить эту мечту удается лишь единицам людей во всем мире, а отправиться в частный космический полет могут только очень богатые люди. Но в 2050 году на орбиту сможет попасть практически любой желающий. Ведь Япония обещает к этому времени запустить первый в мире лифт в Космос .

Среди множества по освоению космического пространства можно отдельно выделить инициативу японской строительной корпорации Obayashi по созданию орбитального лифта. Это транспортное средство, по замыслу авторов, должно появиться уже к 2050 году. Оно обещает стать самым дешевым способом доставлять в Космос людей и грузы.

Лифт будет передвигаться со скоростью 200 километров в час по сверхкрепкому и сверхлегкому тросу, ведущему от земной поверхности на отдаленную орбитальную стацию, где будет расположена не только научная лаборатория, но также отель для космических туристов, коих с появлением этого вида транспорта станет в сотни или даже тысячи раз больше, чем существует в наше время.

Делать столь смелые обещания корпорации Obayashi позволяет разработка новых материалов, позволяющих создавать волокна, которые являются в сто раз более крепкими, чем сталь. И технологии эти развиваются с каждым новым годом, с каждым новым месяцем.

Существуют также ежегодные международные технические конкурсы, участники которых работают над идеями по реализации космического лифта. Они разрабатывают новые материалы и инновационные технологии по доставке грузов на орбиту. При этом с каждым годом идеи становятся все более четкими и перспективными.

Сочетание описанных выше факторов как раз и позволяет корпорации Obayashi делать ошеломляющие заявления о возможности запуска орбитального лифта к 2050 году.

Сегодня для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег.

Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом».

Что это вообще такое

Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:

«Космический лифт – это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке – в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы» для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции".

Рис. 1. Космический лифт от компании LiftPort Inc.

Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов. Компания LiftPort Inc. приводит список наиболее распространенных вопросов и своих ответов на них.

Как вы собираетесь сохранять угловой момент постоянным?

Большей частью мы полагаемся на то, что это сделает Земля. Но мы предусмотрели тяжелые «якоря» на обоих концах лифта для того, чтобы увеличить инерцию системы и, таким образом, держать ее в равновесии.

Что случится, если порвется лента?

Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане. Но все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.

Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?

Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.

Рис. 2. Вид базовых станций (наземной и космической)

Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?

В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.

1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.

2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.

Будут ли различные объекты задевать ленту?

Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit – LEO), будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort.

Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.

Рис. 3. Один из проектов космического лифта

Причем тут нанотехнологии

Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.

Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.

Рис. 4. Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью

Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.

Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.

Компания настроена вполне оптимистично, так как недавно стало известно о новых технологиях в производстве нанотрубок. Так, ученые из Кембриджского университета разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок. Алан Уиндл (Alan Windle) и его коллеги из Кембриджа для изготовления пряжи использовали свежеприготовленные нанотрубки.

Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.

Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.

Рис. 5. Модельный прототип капсулы лифта

В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором говорилось что предварительные исследования по построению космического лифта проделаны. Далее Мишелем Лэйном в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Как планирует компания LiftPort Inc., космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся годы будет проходить непосредственно постройка.

Здесь можно найти видеоролик в формате Real Player, презентующий одну из концепций космического лифта (5 Мб): http://wid.ap.org/…/elevator.rm

потому-что те люди, которые писали про этот лифт (я имею ввиду LiftPort Inc., авторов оригинальной публикации, перевода или компиляции – уж не знаю, чей «вклад» тут больше) не пробовали прикинуть на бумаге эффективность этого лифта, попробовать применить известные формулы, взять парочку несложных интегралов (или построить графиков). В общем хотя бы для себя (не наночайников) перевести текст в цифры, Ведь в заявлениях ошибиться проще, чем в расчетах… Я предполагаю, что где-то может быть нормальная модель лифта, но уж точно не то, что предложно в этой статье. Некоторые заявления в этой заметке просто не проходили элементарную проверку. Будет время, могу написать сомнительные моменты статьи в формулах и графиках. Просто сейчас в комадировке, без русской клавиатуры текст набирать сложно (уже половина есть). А текста будет достаточно, т.к. формат для «чайников» останется, но текст полный, для возможности проверки, возможно я ошибаюсь где-то. Написаный текст с анализом «лифта» из этой заметки выложу где-нибудь в виде файла Word.

Построят, вот только когда?.. доживем до этого события? И кста, модель лифта из одной трубы с противовесом мне не внушает доверия. Боюсь даже представить что произойдет когда верхняя часть трубки столкнется с другим обьектом(астероид). Нужны дополнительные крепления, по типу креплений высоких башень или вышек(3–4 штуки).

Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы.

Какая-то популистская фраза. В принципе верна, но центробежная сила превышает силу тяжести только выше геостационарной орбиты. А вывод на эту высоту потребует более 80% от энергии, требуемой для вывода в бесконечно удаленную точку. И еще у авторов не указано куда они девают силу Кориолиса. Зато уже понятно что будут добывать ископаемые с астероидов, очень «веский» факт за лифт.

По теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу . Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ, НАШ БИЛЕТ В КОСМОС!

✪ Космический лифт на Луну | Большой скачок

✪ Космический лифт. Мечта и реальность. Или фантастика?

✪ В Канаде построят 20-километроый космический лифт

✪ Космический лифт (читает Александр Котов)

Субтитры

Конструкция

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. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

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:

A (r) = A 0 exp ⁡ [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] {\displaystyle A(r)=A_{0}\ \exp \left[{\frac {\rho }{s}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}(1-{\frac {r_{0}}{r}})\right]\right]}

Здесь A (r) {\displaystyle A(r)} - площадь сечения троса как функция расстояния r {\displaystyle r} от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

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: A (r G E O) A 0 = exp ⁡ [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] {\displaystyle {\frac {A(r_{\mathrm {GEO} })}{A_{0}}}=\exp \left[{\frac {\rho }{s}}\times 4,832\times 10^{7}\,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \right]}

Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, мы получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Следует учесть, что расчет велся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки - поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причем эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).

Диаметр троса на ГСО, в зависимости от его диаметра на уровне Земли,
для различных материалов (рассчитана по последней формуле), м

Материал	Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3	Предел прочности s {\displaystyle s} , Па	Диаметр троса на уровне Земли
			1 мм	1 см	10 см	1м
Сталь Ст3 горячекатаная	7760	0.37·10 9	1.31·10 437	1.31·10 438	1.31·10 439	1.31·10 440
Сталь высоколегированная 30ХГСА	7780	1.4·10 9	4.14·10 113	4.14·10 114	4.14·10 115	4.14·10 116
Паутина	1000	2.5·10 9	0.248·10 6	2.48·10 6	24.8·10 6	248·10 6
Современное углеволокно	1900	4·10 9	9.269·10 6	92.69·10 6	926.9·10 6	9269·10 6
Углеродные нанотрубки	1900	90·10 9	2.773·10 -3	2.773·10 -2	2.773·10 -1	2.773

Таким образом, построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход - искать материалы с более низкой плотностью и/или очень высокой прочностью.

Например, в таблицу включена паутина (паучий шелк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах» . В последнее время появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко геномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно. Но, по словам прессы, такие разработки ведутся

Ещё одно перспективное направление - углеволокно и углеродные нанотрубки . Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий . Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.

Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:

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 (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на существенно 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 подъёме, 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.

На других планетах

Космический лифт можно строить и на других планетах. Причём чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.

Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной (например, между Плутоном и Хароном или между компонентами двойного астероида (90) Антиопа . Однако поскольку их орбиты не являются точным кругом, потребуется устройство для постоянного изменения длины такого лифта. Лифт в этом случае можно использовать не только для вывода грузов в космос, но и для «межпланетных поездок».

Строительство

Строительство ведётся с геостационарной станции. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, - в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть доставлены на геостационарную орбиту традиционным способом. То есть стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.

Экономия от использования космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к расширению рынка.

Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.

Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.

Достижения

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

В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с скорость которой нужно добиться 10 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.

Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.

В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 граммов, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.

В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату , натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъёмником на сайте Kickstarter . В зависимости от собранной суммы планируется подъём робота на 2 или более километров .

В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель - подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.

Схожие проекты

Космический лифт является не единственным из проектов, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Одним из таких проектов является Orbital Skyhook (орбитальный крюк). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите, и быстро вращается вокруг своей средней части. За счет этого один конец троса движется относительно Земли со сравнительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов. При этом конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетической энергии. Достоинством проекта Skyhook является её реализуемость уже при существующих технологиях. Недостатком является то, что на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.

Проект Stratosphere Network of Skyscrapers (Стратосферная сеть небоскрёбов). Проект представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединённых в шестигранники, покрывающую всю планету. При переходе на следующие этапы строительства, опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нём стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.

Космический лифт в различных произведениях

• В книге Роберта Хайнлайна «Фрайди» используется космический лифт, названный «бобовый стебель »
• В фильме СССР 1972 года «Петька в космосе» главный герой изобретает космический лифт.
• Одно из знаменитых произведений Артура Кларка , «Фонтаны рая », основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
• В сериале «Звёздный путь: Вояджер » в эпизоде 3.19 «Подъём» космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
• В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он - одно из поздних «Больших чудес».
• В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить суперволокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
• В фантастическом романе Франка Шетцинга «Limit» космический лифт действует как основное звено политической интриги в ближайшем будущем.
• В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды - холодные игрушки » одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению - для помощи при проведении родов.
• В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War ) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
• В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства - источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
• В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).
• В фантастическом романе Терри Пратчетта «Страта» присутствует «Линия» - сверхдлинная искусственная молекула, используемая в качестве космического лифта.
• В фантастическом романе Грема Макнилла «Механикум» космические лифты присутствуют на Марсе и названы Башнями Циолковского
• Упоминается в песне группы Звуки Му «Лифт на небо».
• В самом начале игры Sonic Colors, можно видеть, как Соник и Теилз поднимаются на космическом лифте, чтобы попасть в Парк Доктора Эггмана.
• В книге Александра Зорича «Сомнамбула 2» из серии Этногенез , главный герой Матвей Гумилев (после подсадки суррогатной личности - Максим Верховцев, личный пилот товарища Альфы, главы «Звездных борцов») путешествует на орбитальном лифте.
• В повести «Змееныш» писателя-фантаста Александра Громова герои пользуются космическим лифтом «по дороге» с Луны на землю.
• В цикле фантастических романов