Космический лифт

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.

Задача космического лифта

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.

Стоимость доставки на Международную космическую станцию полулитровой бутылки с водой составила бы 27 тыс. долларов, а кофемашины – пол миллиона долларов. По этой причине лица, организующие космические исследования, тщательно следят за целесообразностью доставляемых грузов. В некоторых случаях приходится ограничивать свои исследования самыми важными образцами, таким образом, возможно, упуская интересные результаты исследований. Сокращение же финансов на доставку грузов на орбиту Земли не только сократит давление на национальную экономику, но и расширит рынок доставляемых грузов, что в дальнейшем может повлиять на научный прогресс в целом.

Хотя постройка космического лифта – довольно затратное предприятие, его эксплуатация в дальнейшем обойдется космическим агентствам в разы меньше, нежели запуски транспортных космических кораблей.

Конструкция и принцип работы

Впервые идею космического лифта высказал основоположник теоретической космонавтики — Константин Эдуардович Циолковский, когда увидел Эйфелеву башню. Тогда он представлял себе лифт, расположенный внутри высочайшей башни. К сегодняшнему дню концепция было значительно доработана и видоизменена. Наиболее популярная концепция космического лифта состоит из четырех основных частей и представляется в следующем виде.

Первая часть – это основание. Это место располагается на поверхности Земли, к нему крепится трос и с него начинается подъем груза. Оно может быть двух видов: подвижным и стационарным. Подвижное основание, к примеру, установленное на океанском судне, способно проводить маневры уклонения троса от природных стихий, вроде ураганов и бурь. Стационарное же основание обойдется значительно дешевле, по причине уменьшения длины троса и более простого доступа к источнику энергии.

Вторая важная часть конструкции, это собственно сам трос, вдоль которого будет происходить перемещение подъемников. Его конец должен проходить через геостационарную орбиту, находясь на которой, любой объект обращается вокруг Земли с той же угловой скоростью, что и сама планета вокруг своей оси. Таким образом колебания троса будут минимальны. Толщина троса должна быть неоднородна, так как в каждой его части нагрузка разнится. То есть ближе к поверхности планеты конструкция будет вынуждена выдерживать свой собственный вес (в том числе и вес подъемников с грузом), тогда как ближе к орбите трос вынужден уравновешивать центробежную силу, направленную от Земли.

Третья часть конструкции – противовес. Его предназначение состоит в натяжении троса. Однако в перспективе его можно будет использовать также для удаленного запуска кораблей и космических грузов на другие планеты. Противовес должен располагаться за геостационарной орбитой на высоте более чем в 144 тыс. км, и представлять собой любой тяжелый объект, например, астероид или даже космический док. Если с поверхности Земли по тросу будет свободно двигаться космический аппарат, то он сможет набрать скорость, достаточную для того, чтобы выйти за пределы Солнечной системы.

Четвертый основной компонент космического лифта – это сам подъемник. Его конструкция может быть представлена большим количеством концептов, среди которых можно выделить основной принцип работы. Как видно из представленной схемы, на подъемник будет действовать две силы: сила притяжения и сила Кориолиса. Вторая возникает в результате вращения Земли и с ее помощью подъемник воздействует на трос, прогибая его. В случае вертикального движения подъемника со скоростью 200 км/ч, трос наклоняется на 1 градус относительно поверхности планеты. Для осуществления этого подъема потребуется сила, направляющая подъемник от Земли, которой будет содействовать и горизонтальная сила Кориолиса. Вероятно, для создания подобной вертикальной силы потребуется использование эффектов электромагнетизма.

Проблемы постройки и их решения

Трос

Одной из основных проблем создания подобной конструкции – трос. Важнейший атрибут требуемого троса, это высокое значение отношения его прочности к удельной плотности. В цифрах, требуемая плотность троса должна быть близка к плотности графита (2,23 г/ см³), а прочность в диапазоне 65-120 гигапаскалей. К сожалению, по сравнению с этой цифрой, прочность известных нам материалов в разы меньше. Так, например, прочность стали – 1-5 ГПа, кевлара 2,6—4,1 ГПа, кварцевого волокна около 20 ГПа. На сегодня, наиболее вероятным претендентом на роль материала для троса выступают углеродные нанотрубки. Теоретически их прочность может превышать даже 120 ГПа, однако в проведенных экспериментах нанотрубки лопались в среднем при нагрузке 30-50 ГПа. Хотя американским ученым из Университета Южной Калифорнии удалось достигнуть прочности в 98,9 ГПа, все же в эксперименте использовались однослойные нанотрубки длиною в 195 мкм. Сплетенный же с нанотрубок трос будет иметь прочность заметно ниже, чем сами нанотрубки.

Помимо троса можно использовать так называемую шину, проводящую электрический ток, приводящий в движение лифт. В роли такой шины может выступать графеновая бумага, недавно созданная в Сиднейском Технологическом университете. Диагональ таких листов графена достигает уже сегодня несколько десятков сантиметров.

Природные и искусственные препятствия

Следует также учитывать фактор природы, который представлен различными погодными изменениями вроде молний и сильных ветров. Возможное решение проблемы может заключаться в совокупности таких качеств троса как прочность и подвижность основания, что позволит избегать значительных природных угроз, и справляться с незначительными.

Сохранности космического лифта могут угрожать и такие искусственные объекты как космический мусор, который во внушительном количестве скопился на орбите Земли. Попадание мельчайшей частички, летящей на огромной скорости, в конструкцию может повлечь за собой значительные повреждения или вовсе разрушить лифт.

Источник энергии

Согласно подсчетам, вывод на низкую околоземную орбиту одной тонны груза можно потребовать мощность до десятков Гигаватт. Для сравнения, крупнейшая в мире АЭС (Касивадзаки-Карива, Япония) выдает мощность 8,2 ГВТ, один из самых мощных реактивных двигателей, советский РД-170 – 14,7 ГВт.

Недавний патент Канадской космической компании Thoth Technology описывает проект башни высотой в 20 километров. Создание столь высокого здания возможно посредством использования сжатого газа внутри, который будет придавать жесткость конструкции. На вершину башни груз будет поднят известным способом. На вершине же будет располагаться стартовая площадка, с которой уже будут запускаться космические аппараты с указанным оборудованием. Подобная технология позволит сократить затраты на топливо на 30%, по сравнению с затратами на топливо для ракеты.

Выводы

Подводя итоги всего сказанного выше, можно отметить сложность реализации существующих концептов космического лифта, в силу отсутствия некоторых требуемых технологий, таких как материалы, инструменты и методы. Кроме того, проект потребует немалые финансовые затраты и значительные человеческие ресурсы. Вероятность скорой постройки данной конструкции возрастет в случае скооперированной работы ряда развитых государств.

Что можно сказать уже сегодня, так это лишь то, что перед человечеством стоит цель создания космического лифта, и над его разработкой трудится множество ученых по всему миру. Ежегодно совершаемые научные открытия в этой области с каждым разом все больше приближают нас к реализации такого амбициозного и масштабного проекта, как космический лифт.