Космический лифт: перспективы и возможности


Правообладатель иллюстрации Science Photo Library Благодаря космическим лифтам, способным доставлять людей и грузы с поверхности Земли на орбиту, человечество смогло бы отказаться от использования экологически вредных ракет. Но создать подобное устройство непросто, как выяснил корреспондент BBC Future.

Когда речь заходит о прогнозах по поводу развития новых технологий, многие считают авторитетом миллионера Элона Маска — одного из лидеров сектора негосударственных научно-исследовательских работ, которому пришла в голову идея «Гиперпетли» — проекта высокоскоростного трубопроводного пассажирского сообщения между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско (время в пути займет всего 35 минут). Но есть проекты, которые даже Маск считает практически не осуществимыми. Например, проект космического лифта.

«Это слишком технически сложная задача. Вряд ли космический лифт можно создать в реальности», — заявил Маск на конференции в Массачусетском технологическом институте прошлой осенью. По его мнению, проще соорудить мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту.

(Похожие статьи из раздела «Журнал»)

Идея отправлять людей и грузы в космос внутри капсул, скользящих вверх вдоль гигантского троса, который удерживается на месте благодаря вращению Земли, не нова. Подобные описания можно встретить в работах таких писателей-фантастов, как Артур Кларк. Однако осуществимой на практике эту концепцию до сих пор не считали. Может быть, уверенность в том, что нам по силам решить эту чрезвычайно сложную техническую задачу, — на самом деле лишь самообман?

Энтузиасты космического лифта считают, что построить его вполне возможно. По их мнению, ракеты, работающие на токсичном топливе, представляют собой устаревший, опасный для человека и природы и чрезмерно дорогостоящий вид космического транспорта. Предлагаемая альтернатива по сути является железнодорожной веткой, проложенной на орбиту — суперпрочный трос, один конец которого закреплен на поверхности Земли, а другой — к противовесу, находящемуся на геосинхронной орбите и потому постоянно висящему над одной точкой земной поверхности. В качестве лифтовых кабинок использовались бы электрические аппараты, движущиеся вверх и вниз вдоль троса. Благодаря космическим лифтам стоимость отправки грузов в космос удалось бы снизить до 500 долларов за килограмм — согласно недавнему отчету Международной академии астронавтики (IAA), сейчас эта цифра составляет приблизительно 20000 долларов за килограмм.

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Энтузиасты космических лифтов указывают на вредность технологий запуска ракет на орбиту

«Данная технология открывает феноменальные возможности, она обеспечит человечеству доступ к Солнечной системе, — говорит Питер Суон, президент Международного консорциума по созданию космического лифта ISEC и соавтор отчета IAA. — Я думаю, что первые лифты будут работать в автоматическом режиме, а спустя 10-15 лет в нашем распоряжении уже будет от шести до восьми таких устройств, достаточно безопасных, чтобы транспортировать людей».

Истоки идеи

Сложность в том, что высота подобного сооружения должна составлять до 100 000 км — это больше, чем два земных экватора. Соответственно, конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать собственный вес. На Земле просто нет материала с необходимыми прочностными характеристиками.

Но некоторые ученые думают, что эту проблему можно будет решить уже в текущем столетии. Крупная японская строительная компания объявила о том, что собирается соорудить космический лифт к 2050 г. А американские исследователи недавно создали новый алмазоподобный материал на основе нанонитей из сжатого бензола, расчетная прочность которого может сделать космический лифт реальностью еще при жизни многих из нас.

Впервые концепция космического лифта была рассмотрена в 1895 г. Константином Циолковским. Российский ученый, вдохновленный примером недавно построенной Эйфелевой башни в Париже, занялся исследованием физических аспектов строительства гигантской башни, при помощи которой можно было бы доставлять космические корабли на орбиту без использования ракет. Позднее, в 1979 г., эту тему упомянул писатель-фантаст Артур Кларк в романе «Фонтаны рая» — его главный герой строит космический лифт, схожий по конструкции с обсуждаемыми сейчас проектами.

Вопрос в том, как воплотить идею в жизнь. “Мне нравится дерзость концепции космического лифта, — говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. — Я могу понять, почему она кажется людям такой привлекательной: возможность добираться до низких орбит Земли недорого и безопасно открывает для нас всю внутреннюю область Солнечной системы».

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.

Нижний трос лифта должен иметь массу втрое больше, чем требуют соображения прочности. Ведь он будет уравновешивать 108 тысяч километров «верхнего» троса

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.

В околоземном пространстве трос лифта будет постоянно повреждаться микрометеоритами и подвергаться опасности столкновения с «космическим мусором» (кадр из аниме Gundam 00)

Проблемы безопасности

Однако построить космический лифт будет непросто. «Начать с того, что трос необходимо изготовить из суперпрочного, но гибкого материала, обладающего необходимыми весовыми и плотностными характеристиками, чтобы поддерживать вес движущихся по нему аппаратов, и одновременно способного выдерживать постоянные поперечные воздействия. Сейчас такого материала просто не существует, — говорит Фонг. — Кроме того, строительство такого лифта потребует самого интенсивного использования космических кораблей и самого большого количества выходов в открытый космос за всю историю человечества».

По его словам, нельзя сбрасывать со счетов и проблемы безопасности: «Даже если нам удастся преодолеть огромные технические сложности, связанные с постройкой лифта, получившаяся конструкция будет представлять собой гигантскую натянутую струну, сводящую космические аппараты с орбит и постоянно подвергающуюся бомбардировке космическим мусором».

Правообладатель иллюстрации Nasa Image caption Смогут ли когда-нибудь туристы воспользоваться лифтом, чтобы отправиться в космос?

За последние 12 лет в мире опубликованы три подробных проекта космического лифта. Первый описан Брэдом Эдвардсом и Эриком Уэстлингом в книге «Космические лифты», вышедшей в 2003 г. Этот лифт предназначен для транспортировки 20-тонных грузов за счет энергии расположенных на Земле лазерных установок. Расчетная себестоимость перевозки — 150 долларов за килограмм, а стоимость проекта оценивается в 6 млрд долларов.

В 2013 г. академия IAA развила эту концепцию в собственном проекте, обеспечивающем повышенную защиту лифтовых кабинок от атмосферных явлений до высоты в 40 км., при достижении которой движение кабинок на орбиту должно происходить уже за счет солнечной энергии. Себестоимость транспортировки — 500 долларов за килограмм, а стоимость постройки первых двух таких лифтов — 13 млрд долларов.

В ранних концепциях космического лифта приводились разнообразные возможные решения проблемы космического противовеса, призванного удерживать трос в натянутом положении — в том числе предлагалось использовать в этих целях захваченный и доставленный на нужную орбиту астероид. В отчете IAA отмечается, что когда-нибудь такое решение, может быть, и удастся реализовать, но в ближайшем будущем это невозможно.

Башни, канаты и пауки

Идея создания лифта, на котором можно добираться до космического пространства, возникла еще до того, как люди действительно туда попали. Первый проект такого средства передвижения был создан русским ученым, основоположником космонавтики Константином Циолковским в 1895 году. Космический лифт Циолковского напоминал построенную вскоре после этого в Париже Эйфелеву башню, только был в сто тысяч раз выше.

Верхушка такой башни двигалась бы со скоростью 11 километров в секунду — такая скорость получила название второй космической. Именно с такой скоростью летят запущенные с Земли на другие планеты аппараты. А значит, их можно было бы запускать прямо с вершины башни.

Идея Циолковского при всей своей заманчивости была абсолютно нереализуема: даже сделанный из самой прочной стали лифт не смог бы выдержать собственный вес. Второе рождение космический лифт получил в 1960 году, теперь уже не в России, а в Советском Союзе. В интервью газете «Комсомольская правда» ленинградский инженер Юрий Арцутанов изложил новую концепцию «пуповины», связывающей Землю и небо.

Константин Эдуардович Циолковский. Фото с сайта nmspacemuseum.org

Lenta.ru

Арцутанов отказался от громоздких и тяжелых конструкций. По его замыслу, лифт должен был состоять из тонкой нити, один конец которой закреплен на поверхности нашей планеты, а к другому привязан противовес на орбите. В натянутом состоянии нить будет поддерживать центробежная сила: на высоте около 35 тысяч километров она компенсирует силу притяжения Земли, и противовес неподвижно зависнет над одной точкой. Благодаря этому же закону на орбитах удерживаются спутники.

Сборка нити будет осуществляться поэтапно. Сначала спутник, находящийся на геостационарной орбите, выпустит первую нить «тоньше человеческого волоса». Свободный конец нити нужно закрепить на «первом этаже» — на Земле. Чтобы превратить эту тоненькую затравку в полноценный трос, на нить необходимо выпустить специальных роботов-пауков. Двигаясь по нити, они будут навивать на нее дополнительные слои материала.

«Комсомольская правда» не является признанным научным изданием. Кроме того, газета выходит только на русском языке. Эти два обстоятельства не позволили идее Арцутанова получить широкую известность. Международное научное сообщество всерьез задумалось о лифте, ведущем в космос, в 1966 году, когда посвященная этому проекту статья вышла в журнале Science

. Помимо обоснования нитевой конструкции лифта, авторы предложили возможные материалы, из которых можно эту нить «спрясть». В числе прочих упоминались графит, кварц и алмаз.

Далекая от науки, но интересующаяся научной фантастикой публика узнала о космическом лифте и об инженере Арцутанове в 1979 году, когда вышел роман британского ученого и писателя-фантаста Артура Кларка «Фонтаны рая». В предисловии к роману Кларк признавался, что и сам пытался рассчитать параметры лифта на почтовом конверте в 1964 году, но отбросил эту идею как бесперспективную. Позже писатель сокрушался, что у него под рукой не оказалось конверта побольше.

Не считая технических проблем по разработке троса и кабины, космический лифт придется защищать от гроз, спутников и космического мусора. Минимизировать воздействие атмосферных явлений должен помочь правильный выбор места закрепления троса. Наиболее благоприятным считается район экватора. Чтобы лифт мог уворачиваться от летающих по небу мелко- и крупногабаритных предметов, нижний конец троса планируется закрепить не на суше, а на подвижной океанической платформе.

Помимо ведущей в космос нити, и Кларк, и Арцутанов, и авторы статьи в Science

раздумывали над собственно кабиной лифта. Для того чтобы поднять ее на высоту 35 тысяч километров над Землей, предлагалось, например, использовать энергию Солнца, лазеров, микроволновых лучей. Спуск кабины тоже является непростой задачей: если просто отпустить ее вниз, она сгорит от трения об атмосферу, не пройдя и половины пути.

Инженеры и ученые вяло предлагали различные варианты преодоления этих трудностей, но занимались этим, скорее, из академического интереса. До 1991 года у конструкторов лифта не было идей, из чего сделать основную деталь — трос. Без троса все остальные расчеты были просто упражнениями в прикладной математике.

Чтобы выдерживать нагрузки по регулярному подъему и спуску космических грузов, прочность троса должна лежать в пределах от 65 до 120 гигапаскалей. Этот параметр для большинства видов стали (которые, к тому же, очень тяжелые) не превосходит 5 гигапаскалей, для кевлара — 2,5-4 гигапаскалей, у кварцевого волокна чуть превосходит 20 гигапаскалей.

В 1991 году были изобретены нанотрубки — полые цилиндры, стенки которых выполнены из одного слоя атомов углерода. Быстро выяснилось, что нанотрубки могут применяться практически везде, в том числе и в космическом лифтостроении. Теоретически, трос, построенный из нанотрубок, может быть в 3-5 раз прочнее, чем требуется для надежной работы.

Плавучий «якорь»

Чтобы удерживать трос массой в 6300 тонн, противовес должен весить 1900 тонн. Частично его можно сформировать из космических кораблей и других вспомогательных аппаратов, которые будут использоваться для постройки лифта. Возможно также использование находящихся неподалеку отработавших спутников, отбуксировав их на новую орбиту.

Авторы отчета IAA отмечают, что противовес должен быть устойчивым к воздействию радиации, бомбардировке метеорами и перепадам температур.

Они также предлагают выполнить «якорь», крепящий трос к Земле, в виде плавучей платформы размером с крупный нефтеналивной танкер или авианосец, и разместить его неподалеку от экватора, с целью увеличения его несущей способности. В качестве оптимальной точки размещения «якоря» предлагается район в 1000 км на запад от Галапагосских островов, редко подверженный ураганам, торнадо и тайфунам.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Космический мусор можно было бы использовать в противовесе на верхнем конце троса космического лифта

Корпорация Obayashi — одна из пяти крупнейших строительных фирм Японии — в прошлом году объявила о планах по созданию космического лифта более прочной конструкции, по которому перемещались бы автоматические кабинки на магнитной подвеске. Подобная технология применяется на высокоскоростных железных дорогах. Более прочный трос необходим потому, что японский лифт предполагается использовать и для транспортировки людей. Стоимость проекта оценивается в 100 млрд долларов, при этом себестоимость транспортировки грузов на орбиту может составить 50-100 долларов за килограмм.

Хотя технических трудностей при строительстве подобного лифта, несомненно, будет предостаточно, на самом деле единственный элемент конструкции, который пока невозможно создать, — это сам трос, говорит Суон: «Единственная технологическая проблема, которую предстоит решить — подбор подходящего материала для изготовления троса. Все остальное мы можем построить уже сейчас».

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 (например при использовании исследовательской станции в качестве противовеса).

Алмазные нити

На данный момент самым подходящим материалом для троса можно считать углеродные нанотрубки, созданные в лабораторных условиях в 1991 г. Эти цилиндрические структуры имеют предел прочности на разрыв в 63 гигапаскаля, то есть они примерно в 13 раз прочнее самой прочной стали.

Максимально достижимая длина таких нанотрубок постоянно увеличивается — в 2013 г. китайским ученым удалось довести ее до полуметра. Авторы доклада IAA прогнозируют, что к 2022 г. будет достигнута длина в километр, а к 2030 гг. можно будет создавать нанотрубки подходящей длины для использования в космическом лифте.

Тем временем в сентябре прошлого года появился новый сверхпрочный материал: в статье, опубликованной в научном журнале по материаловедению Nature Materials, группа ученых под руководством профессора химии Джона Бэддинга из Университета штата Пенсильвания сообщила о получении в лаборатории супертонких «алмазных нанонитей», которые могут оказаться даже прочнее, чем углеродные нанотрубки.

Ученые сжали жидкий бензол под давлением, превышающим атмосферное в 200 000 раз. Затем давление медленно понизили, и оказалось, что атомы бензола перегруппировались, создав высокоупорядоченную структуру из пирамидальных тетраэдров.

В результате образовались супертонкие нити, очень напоминающие по структуре алмаз. Хотя напрямую измерить их прочность невозможно из-за сверхмалых размеров, теоретические расчеты указывают на то, что эти нити могут оказаться более прочными, чем самые прочные из существующих синтетических материалов.

Мечтать не вредно

Несмотря на активную работу множества исследователей, пока космический лифт является проектом скорее фантастическим, чем научным. Протяженность самых длинных синтезированных на сегодняшний день нанотрубок не превышает нескольких десятков миллиметров. Кроме того, пока тросы, сделанные из нанотрубок, проигрывают в прочности тросам, изготовленным из других материалов. Тем не менее, ученые продолжают трудиться над созданием космического лифта. Попутно они изобретают новые материалы и невольно создают новые технологии. Так что даже если попытки дотянуться до неба и не увенчаются успехом, они принесут реальную пользу на Земле.

Снижение рисков

«Если мы научимся создавать алмазные нанонити или углеродные нанотрубки необходимой длины и с необходимыми качествами, можно быть практически уверенным в том, что они окажутся достаточно прочными для использования в космическом лифте», — говорит Бэддинг.

Впрочем, даже если удастся найти подходящий материал для троса, собрать конструкцию будет весьма непросто. Вероятнее всего, возникнут и трудности, связанные с обеспечением безопасности проекта, необходимого финансирования и грамотного разведения конкурирующих интересов. Однако Суона это не останавливает.

Правообладатель иллюстрации Nasa Image caption Так или иначе, человечество стремится в космос и готово тратить на это большие деньги

«Разумеется, мы столкнемся с большими сложностями, но проблемы приходилось решать и при строительстве первой трансконтинентальной железной дороги [в США], и при прокладке Панамского и Суэцкого каналов, — говорит он. — Потребуется много времени и денег, но, как и в случае с любым крупным проектом, просто нужно решать проблемы по мере их возникновения, одновременно с этим постепенно снижая возможные риски».

Даже Элон Маск не готов категорически отмести возможность создания космического лифта. «Не думаю, что на сегодня эта идея реализуема, но если кто-то сможет доказать обратное, будет здорово», — сказал он на прошлогодней конференции в Массачусеттском технологическом институте.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

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 . 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.

Гравитационная катапульта может быть экономичнее ракеты-носителя, если применить в качестве «клети» не челнок, а орбитальный самолёт, реактивные двигатели которого в качестве окислителя используют кислород из атмосферы (на рисунке советский проект М-19)

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.

Игорь Край Источник: журнал «Мир Фантастики»

Похожее

  • Артур Кларк,
  • Геостационарная орбита,
  • Гравитационная катапульта,
  • Игорь Край,
  • Космический лифт,
  • мир фантастики,
  • Подъёмник,
  • Причальная башня,
  • Радиационная защита,
  • Тросы,
  • Фонтаны рая,
  • Циолковский

Конструкция

Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.

Основание

Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне. Преимущество подвижного основания — возможность совершения манёвров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы — более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избежания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.

Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65—120 гигапаскалей. 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.

Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь прочность на растяжение гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая прочность на растяжение однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30—50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.

В эксперименте учёных из университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм.[4] Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу[5]. 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.[6]

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается. По заявлениям некоторых учёных[7], даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

Утолщение троса

Проверить информацию.

Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

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[{\frac {1}{2}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}\left(1-{\frac {r_{0}}{r}}\right)\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:

  • A 0 {\displaystyle A_{0}} — площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
  • ρ {\displaystyle \rho } — плотность материала троса.
  • s {\displaystyle s} — предел прочности материала троса.
  • ω {\displaystyle \omega } — круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292·10−5 радиан в секунду.
  • r 0 {\displaystyle r_{0}} — расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли — 6378 км.
  • g 0 {\displaystyle g_{0}} — ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².

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

МатериалПлотность ρ {\displaystyle \rho } , кг/м³Предел прочности s {\displaystyle s} , ×109 ПаДиаметр троса на уровне Земли
1 мм1 см10 см1 м
Сталь Ст3 горячекатаная77600,371,31·104371,31·104381,31·104391,31·10440
Сталь высоколегированная 30ХГСА77801,44,14·101134,14·101144,14·101154,14·10116
Паутина10002,50,248·1062,48·10624,8·106248·106
Современное углеволокно190049,269·10692,69·106926,9·1069269·106
Углеродные нанотрубки1900902,773·10-32,773·10-22,773·10-12,773

Из таблицы ясно, что 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»[8]. 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[9]. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно, хотя такие разработки ведутся[10]

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[11]. Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.

Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:

  • Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км[12][неавторитетный источник?
    ], которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.
  • Сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20—25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом[источник не указан 3305 дней
    ] самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха).
  • Вместо троса использовать условные силовые линии магнитного поля Земли Магнитный «Космический лифт» [неавторитетный источник?
    ].
  • Использовать секции с воздушными шарами с интервалом несколько километров для разгрузки троса. Понадобится дополнительная система поддержания давления газа в шарах, однако, такой подход позволит существенно снизить требования к плотности материала троса. Ещё один недостаток такого подхода — небольшая максимальная высота при которой шары могут обеспечивать подъемную силу. Максимальная зарегистрированная высота полёта стратостата составляет 41,4 км.

Противовес

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011 года

.

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

Проверить информацию.

Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011 года

.

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°. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении — 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[источник не указан 1599 дней

], 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 (достичь Второй космической скорости). Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему (Третья космическая скорость). 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.

На Марсе построить космический лифт можно даже с помощью существующих материалов. Однако помехой для марсианского космического лифта могут стать Фобос и Деймос (Фобос находится ниже, а Деймос несколько выше стационарной орбиты). Теоретически можно использовать один из этих спутников в качестве противовеса, однако изменение орбиты таких тяжёлых объектов потребует огромных затрат энергии.

На Луне стационарной орбиты как таковой нет, однако для строительства лифта можно использовать точки Лагранжа L1 и L2, при этом основание лифта должно находиться в центре видимой или обратной стороны Луны соответственно.

На Венере и Меркурии сооружение лифта осложнено из-за их крайне медленного вращения.

Легче всего построить космический лифт на астероиде.

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».

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: