Космический лифт – это гипотетическое инженерное сооружение, предназначенное для вывода грузов в космос без использования ракет. Основной компонент устройства – прочный трос, который тянется от поверхности Земли до орбитальной станции. Станция расположена на геостационарной орбите, то есть находится над одной и той же точкой, и поддерживает трос за счет центробежной силы. По тросу перемещается грузовой подъемник.
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, залдча достаточно затратная. Например, один из транспортных кораблей НАСА, разработанный компанией SpaceX – Dragon, требует для своего запуска затраты в размере около 133 миллионов долларов, при этом во время недавней миссии («SpaceX CRS-9») корабль был загружен на 5000 фунтов (2268 кг). Таким образом, если подсчитать стоимость одного фунта, то она составит 58,6 тысяч долларов за 1 кг.
Стоимость доставки на Международную космическую станцию полулитровой бутылки с водой составила бы 27 тысяч 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 тысяч 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. 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/час, 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.
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.
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.
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.
Недавно появилась еще одна оценка концепции, собранная под заголовком «Космические лифты: оценка технологической осуществимости и путь вперед». Исследование было проведено силами ряда экспертов со всего мира под эгидой Международной академии астронавтики (МАА).
Окончательное решение было двояким. Космический лифт представляется возможным, если учесть снижение рисков за счет технического прогресса, но… инфраструктура космического лифта может быть построена только при содействии серьезных международных усилий.
Трос, выступающий в качестве космического лифта, должен использоваться для перевозки грузов, а значит и людей, в космос с помощью электрических транспортных средств – подъемников, которые будут ездить туда и обратно со скоростью поезда. Вращение Земли будет держать трос натянутым и способным поддерживать подъемники.
За последнее столетие или около того писатели, ученые, инженеры и другие работники мысли помогли прояснить тонкости и практичность космического лифта. А новое исследование, по словам президента МАА Гопалана Мадавана Наира, знаменует собой важную веху в развитии идеи. «Без сомнения, все космические агентства мира будут рукоплескать подробному исследованию, которое покажет новые способы транспортировки, способные дать недорогой и простой доступ к геостационарной орбите и за ее пределы», – писал Наир в предисловии исследования. «Без сомнения, академия, благодаря этому исследованию, будет способствовать развитию международного консенсуса и осведомленности о необходимости поиска и разработки новых способов транспортировки в космос, сохраняющих нашу Вселенную так же, как мы в настоящее время пытаемся сохранить нашу планету».
Хотя будущее предсказывать крайне сложное, ведущий автор исследования Питер Свон рассказал, что космические лифты – это больше, чем научно-фантастический вымысел. «Результаты нашего исследования обнадеживают», – сказал он. Видение Свона подкрепляется забавным фактом из жизни Артура Кларка, который сказал в 2003 году: «Космический лифт будет построен через десять лет после того, как они перестанут смеяться… и они перестали смеяться!».
Свон – главный инженер SouthWest Analytic Network в Аризоне. Компания сосредоточена на разработке и обучении инновационных подходов к развитию «нового космоса». Также он главный оператор Международного консорциума космического лифта (МККЛ), который собрал организацию из членов США, Европы, Японии и других стран.
Цель МККЛ – не что иное, как строительство длинного космического лифта. «Вопрос в том, когда, разумеется, – говорит Свон. – Но суть в том, что технологии прогрессируют в позитивном ключе, поэтому те, кто работают с нами, верят, что космические лифты будут».
Свон утверждает, что смешки на тему космического лифта «значительно поутихли», благодаря работе, проводимой за последние десять лет индивидуумами и целыми группами. «Тем не менее есть много, много проблем, и я, конечно же, не утверждаю, что этот проект простой».
Оценка МАА углубляется в ряд вопросов: зачем строить космический лифт? Возможно ли это вообще? Как собрать все элементы воедино и собрать систему из систем? Каковы технические возможности каждого из основных элементов космического лифта?
Две технологии идут семимильными шагами в направлении космического лифта, говорит Свон. Производство сверхпрочного космического троса и других компонентов стало возможным благодаря углеродным нанотрубкам, которые в 1000 раз прочнее, чем сталь, в соотношении прочности к весу. Хорошая новость в том, что углеродные нанотрубки сейчас разрабатываются при участии лучших специалистов в сфере нанотехнологий, электроники, оптики и материалов и миллиардов долларов.
Точно так же обстоит дело с солнечными батареями, по словам Свона. «На эту отрасль люди, стоящие за космическим лифтом, также пристально смотрят. Мы не собираемся их однозначно включать, но наблюдаем за ней и оцениваем достижения».
Что касается вопроса о том, кто будет строить космический лифт, Свон говорит, что исследование раскрывает детали. В первую очередь это коммерческие предприятия не без государственной поддержки, либо государственно-частный проект, либо же это будет полностью государственный проект. «Все три варианта жизнеспособны. Любой из них может сработать. Это вопрос денег, мотивации и желания, – говорит Свон. – Вполне возможно, все три будут развиваться параллельно».
Исследовательская группа с удовлетворением смотрит в будущее, хотя и признает, что впереди много нерешенных вопросов. По общей оценке, еще 10 лет на развитие идеи были бы целесообразными.
Есть ли какие-нибудь технические, политические или законодательные накладки, которые могли бы помешать космическому лифту стать реальностью? «Вы спрашиваете не того, – ответил Свон. – Я оптимист. Я верю, что есть хорошие люди, замотивированные воплотить идею в жизнь. Думаю, космические лифты будут в 2035, 2060 или даже в 2100 году». Свон полагает, что здравый смысл позволит отказаться от ракет, которые отбрасывают 94 % массы ракеты еще на взлетной площадке. «Кроме того, чтобы взлететь в воздух, нужна куча денег», – говорит он.
Космический лифт открывает настоящую лестницу в небо. За неделю мягкой поездки можно добраться до геостационарной орбиты. Нет никакого ограничения в размерах или в форме полезного груза. «Люди будут смеяться и спрашивать, почему мы вообще делали космические ракеты… ведь это глупо. Космические лифты полностью решат проблему. Зачем делать что-то еще?»
На протяжении многих десятилетий космические лифты были популярны, но только в качестве идей для научно-фантастической литературы. Сам Артур Кларк полагал, что они должны стать альтернативой дорогим (и довольно опасным) запускам ракет. Но до сих пор никто не мог представить даже на бумаге план проекта.
Одним из главных препятствий на пути к созданию космического лифта был материал, достаточно прочный и легкий, чтобы из него можно было создать очень длинный кабель. Известно, что при увеличении длины кабеля (и при его натяжении) ни один из доселе известных легких материалов не останется целым. Оптимизм Obayashi построен на том, что материалом будут нанотрубки – крошечные цилиндрические структуры из углерода, впервые разработанные еще в 90-х годах.
Но технология производства нанотрубок пока не готова. Инженеры, вероятно, должны найти способ их дешевого и эффективного производства. И только тогда, как заявляются в компании, космические лифты станут реальностью. Кроме того, цена строительства такого лифта может стать серьезным, если не единственным, препятствием. Не так давно правительство США отказалось от строительства «Звезды смерти» тоже по причине высокой стоимости проекта, что не помешало энтузиастам начать собирать деньги самостоятельно. «На данный момент мы не можем оценить стоимость проекта», – сообщил представитель корпорации. – «Но мы постараемся наладить прогресс таким образом, чтобы идея воплотилась из мечты в реальность».
Obayashi является не единственной корпорацией, которая серьезно относится к мечтам. Исследователи NASA давным-давно предположили, что углеродные нанотрубки должны поспособствовать развитию идеи космического лифта. Кроме того, космическое агентство спонсировало Space Elevator Games, соревнование, в рамках которого разрабатывались прекурсоры подобной длиннющей транспортной системы.
Если амбициозные планы японской компании воплотятся в реальности, уже в 2050 году первые японцы отправятся в космос на лифте. Устройство будет отвозить путников со скоростью 200 км/час на высоту 36000 километров за неделю.
В представлении Obayashi, кабель сможет вытянуться в высоту до 96000 километров или на одну четверть расстояния до Луны. Противовесом станет своеобразный «якорь» в космосе.
Машина на 30 пассажиров будет скользить вдоль кабеля, вероятно, используя магнитные линейные двигатели в качестве двигательного средства. Все-таки в космосе немного другие условия. Пассажиры смогут высадиться на станции, где будут жилые помещения, лабораторные корпуса и… заманчиво, не так ли?
Лифты, которые могут перевозить людей и груз с поверхности планеты в космос, могут означать конец загрязняющим пространство ракетам. Но сделать такой лифт крайне сложно. Концепция космических лифтов была известна давным-давно и введена еще Константином Эдуардовичем Циолковским, но с тех пор мы даже ни на йоту не приблизились к практическому воплощению такого механизма. Элон Маск в твиттере недавно написал: «И, пожалуйста, не задавайте мне вопросы по поводу космических лифтов, пока мы не вырастим материал из углеродных нанотрубок длиной хотя бы в метр».
Элон Маск, по мнению многих, визионер нашего времени – пионер частного освоения космоса и человек, стоящий за идеей транспортной системы Hyperloop, способной перевозить людей из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско по металлической трубе всего за 35 минут. Но есть некоторые идеи, которые даже он считает слишком надуманными. В том числе и космический лифт. «Это невероятно сложно. Я не думаю, что построить космический лифт – реалистичная идея», – заявил Маск в ходе конференции в MIT в прошлом октябре, добавив, что проще было бы построить мост из Лос-Анджелеса в Токио, чем лифт, который сможет вывозить материалы в космос.
Отправка людей и полезных грузов в космос в капсулах, которые тянутся вдоль гигантского кабеля, удерживаемого на месте вращением Земли, была показана в работах научных фантастов вроде Артура Кларка, но едва ли представлялась целесообразной в реальном мире. Получается, мы обманываем сами себя, и наших способностей недостаточно, чтобы решить эту сложнейшую техническую задачу?
Сторонники космических лифтов считают, что достаточно. Они считают химические ракеты устаревшими, рискованными, наносящими вред окружающей среде и пожирающими финансы. Их альтернатива – это, по существу, железнодорожная линия в космос: работающий на электричестве космический аппарат, движущийся от якоря на Земле по сверхпрочному тросу, связанному с противовесом на геостационарной орбите вокруг планеты. После ввода в эксплуатацию космические лифты могли бы доставлять полезный груз в космос всего за 500 долларов за килограмм, что несравнимо с 20000 долларов за килограмм по нынешним расценкам.
«Эта феноменально эффективная технология могла бы открыть Солнечную систему для человечества, – говорит Питер Свон, президент Международного консорциума космического лифта. – Я думаю, первые лифты будут роботизированными, а уже через 10-15 лет мы сделаем от шести до восьми лифтов, которые будут достаточно безопасными и для того, чтобы возить людей».
К сожалению, такая структура должна быть не только в 100000 километров длиной – больше чем окружность Земли в два раза, – ей также нужно поддерживать свой собственный вес. Пока на Земле нет никакого материала с такими свойствами. Но некоторые ученые считают, что его можно сделать – и оно станет реальностью уже в течение этого века. Крупная японская строительная компания пообещала создать его к 2050 году. Американские исследователи, недавно разработавшие алмазоподобный материал из нановолокон, тоже полагают, что трос для космического лифта появится уже до конца века.
Современные идеи космического лифта уходят корнями в 1895 год, когда Константин Циолковский вдохновился недавно построенной Эйфелевой башней в Париже и рассчитал физику постройки здания, уходящего в космос, чтобы космические аппараты можно было запускать с орбиты без ракет. В романе Артура Кларка 1979 года «Фонтаны рая» главный герой строит космический лифт с аналогичной конструкцией, представляемой сегодня.
Но как воплотить ее в реальность? «Мне нравится эпатажность этой идеи, – говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. – Я понимаю, почему людям нравится эта идея, ведь если бы вы могли добраться до низкой околоземной орбиты дешево и безопасно, очень скоро внутренняя Солнечная система стала бы в вашем распоряжении».
Камень преткновения лежит в том, как построить такую систему. «Для начала она должна быть создана из пока не существующего, но прочного и гибкого материала с нужной массой и характеристиками плотности, чтобы поддерживать транспорт и выдержать невероятное воздействие внешних сил, – говорит Фонг. – Думаю, все это потребует серии самых амбициозных орбитальных миссий и космических прогулок на низкой и высокой околоземной орбитах в истории нашего вида».
Есть также проблемы безопасности, добавляет он. «Даже если бы мы могли решить существенные технические трудности, связанные со строительством такой штуки, вырисовывается страшная картина гигантского сыра с дырками, пробитыми всем этим космическим мусором и обломками наверху».
За последние 12 лет было представлено три детализированных рабочих проекта. Первый, опубликованный Брэдом Эдвардсом и Эриком Вестлингом в книге 2003 года «Космические лифты», предвидел перевозку 20 тонн полезного груза с питанием на основе земных лазеров по цене 150 долларов за килограмм и с ценой общего строительства в 6 миллиардов долларов.
Взяв эту концепцию за основу, дизайн Международной ассоциации астронавтов 2013 года уже обеспечил кабину защитой от погодных условий на первые 40 километров, а затем оснастил ее солнечными батареями. Транспортировка по этому плану стоит 500 долларов за килограмм, а строительство всей конструкции – 13 миллиардов долларов за первый проект (дальше всегда дешевле).
Эти предложения включают противовес в виде захваченного астероида на орбите Земли. Доклад МАА обозначает, что однажды этот пункт может стать возможным, но не в ближайшем будущем.
Вместо этого, часть весом в 1900 тонн, которая должна поддерживать трос весом в 6300 тонн, может быть собрана из космических аппаратов и транспорта, которые доставляли трос в космос. Также она будет дополняться захваченными спутниками, которые перестали функционировать и остались болтаться на орбите в качестве космического мусора.
Авторы доклада добавляют, что противовес должен быть в состоянии выдерживать радиацию, удары небольших метеоритов и перепады температур. Они также предложили представить якорь на Земле плавучей платформой размером с большой танкер или авианосец рядом с экватором, поскольку это увеличило бы его пропускную способность. Предпочтительным местом является точка в 1000 километрах к западу от Галапагосских островов: ураганы, тайфуны и торнадо там считаются редкостью.
Корпорация «Обаяши», одна из пяти крупных строительных компаний Японии, в прошлом году представила планы на обустройство еще более надежного космического лифта, перевозящего роботизированные кары, оснащенные маглевными двигателями вроде тех, что используются на высокоскоростных железнодорожных путях. Они могли бы перевозить людей с необходимой прочностью троса. Такой дизайн обойдется в 100 миллиардов долларов по предварительным расчетам, но транспортировка будет стоить 50-100 долларов за килограмм.
Хотя препятствий, безусловно, много, единственный компонент, без которого строительство космического лифта будет невозможным сегодня, является сам трос, говорит Свон. «Найти материал, из которого можно сделать трос, это основная технологическая проблема, – говорит он. – Все остальное ерунда. Мы уже можем все это сделать».
Ведущим претендентом является трос, сделанный из углеродных нанотрубок, которые были созданы в лаборатории с пределом прочности на растяжение в 63 гигапаскаль – в 13 раз прочнее самой лучшей стали.
Максимальная длина углеродных нанотрубок неуклонно растет с момента их открытия в 1991 году. В 2013 году китайские ученые достигли уже полуметровой длины. Авторы доклада МАА предвещают длину троса из углеродных нанотрубок в километр к 2022 году, а к 2030 – необходимую для производства космического лифта.
Между тем недавно был представлен новый претендент на космический трос. Команда под руководством Джона Баддинга, профессора химии из Университета штата Пенсильвания, опубликовала работу в Nature, в которой рассказала, что создала сверхтонкие алмазные нановолокна, которые могут быть прочнее и жестче углеродных нанотрубок.
Команда начала со сжатия бензола атмосферным давлением в 200000 атмосфер. Когда после этого давление медленно отпускали, атомы пересобирались в новую, чрезвычайно упорядоченную структуру, подобную тетраэдру.
Эти формы связались вместе, чтобы образовать сверхтонкие нановолокна, чрезвычайно похожие по структуре на алмаз. Хотя пока невозможно замерить их прочность напрямую из-за их размера, теоретические расчеты показали, что волокна могут быть прочнее и жестче, чем самые прочные синтетические материалы современности.
Снижение рисков «Если бы мы могли научиться делать материалы на основе алмазных нановолокон или углеродных нанотрубок достаточно длинными и качественными, наука подсказывает, что мы могли бы начать строительство космического лифта сразу же», – говорит Баддинг.
Но даже если бы один из таких материалов оказался достаточно прочным, сборка и монтаж отдельных элементов космического лифта остается весьма проблемным мероприятием. Другие головные боли будут включать безопасность, сборку средств, удовлетворение интересов конкурирующих сторон и т.п. Свона, по крайней мере, это не пугает. «Конечно, будут серьезные проблемы, как и у тех, кто строил первую трансконтинентальную железную дорогу, Панамский и Суэцкий каналы, – говорит он. – Потребуется много времени и денег, но, как и в случае со всеми великими предприятиями, справиться с препятствиями придется лишь однажды».
Даже Маск не может заставить себя дискредитировать эту идею. «Это явно не то, о чем можно говорить сейчас, – сказал он. – Но если бы кто-то переубедил меня, было бы здорово».
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.
| 
