Космический лифт


С легкой руки физиков и фантастов идея космического лифта прочно засела в головах любителей космонавтики. Мало какое воображаемое будущее обходится без гигантской инфраструктуры, уносящей людей и грузы прямо на орбиту. Но будет ли создан космический лифт в реальном будущем? Как ни печально, но в этом есть большие сомнения.

Современная мода на разработку микро-, нано- и даже фемтоспутников массой менее 100 г связана не только с миниатюризацией электроники, но и с чисто экономическими причинами. Несмотря на то, что за десятилетия развития космической техники цена вывода грузов на околоземную орбиту упала на порядок, заметную долю стоимости космических миссий до сих пор составляет их доставка на место. Этот фактор серьезно тормозит всю космонавтику, превращая ее в удел лишь финансово обеспеченных организаций и закрывая путь массе разработчиков и исследователей.

Каждая ракета и каждый разгонный блок — изделие штучное, требующее месяцы, а то и годы производства — и притом одноразовое: проработав максимум десяток минут, они гибнут.


даром и американская корпорация SрасеХ, и российские инженеры вовсю прорабатывают варианты создания хотя бы многоразовых первых ступеней — самых мощных и дорогих компонентов систем выведения. Таким проектом была разработанная в ГКНПЦ им. Хруничева «Байкал-Ангара» или проект SpaceX Grasshopper — приземляющаяся на «ножки» первая ступень для ракет семейства Falcon.

Читайте также: Программа SLS и ракеты США

Но все это лишь полумеры: снизить стоимость полетов в космос требуется на порядок, а для этого уместнее не дорабатывать старые, а прорабатывать новые технологии. И первым в их ряду будет, конечно, космический лифт, идея настолько же перспективная, насколько и простая.

Беспроблемная концепция космического лифта

Возьмите обычную веревку и быстро раскрутите вокруг себя — вот вкратце вся концепция космического лифта. Привязанный к Земле достаточно длинный и прочный трос, уходящий на околоземную орбиту, будет висеть вертикально как бы сам собой, за счет центробежной силы. Остается смонтировать на нем подъемную платформу — и можно отправляться в космос. К сожалению, на деле с реализацией простой идеи все обстоит далеко не так просто.

Пожалуй, самый знаменитый и активно развивающийся проект космического лифта пытается реализовать американский стартап LiftPort. Уже из названия его видно, что главной своей целью разработчики ставят даже не просто «космический», но «лунный» лифт, позволяющий наладить бесперебойное сообщение по линии Земля — Луна.


По расчетам специалистов компании, основная инфраструктура космического лифта должна быть привязана к плавучей морской платформе, которая обеспечит системе необходимую динамичность. Поднимающийся с нее трос будет достигать высоты порядка 100 тыс. км. Можно обойтись тросом и покороче, высотой «всего» около 35,5 тыс. км — главное, чтобы он достигал геостационарной орбиты, что позволит ему оставаться в вертикальном положении.

Таких нагрузок не выдержит даже самая прочная сталь, и чтобы трос космического лифта не разорвался под собственным весом, сделать его предлагается из углеродных нанотрубок, отличающихся и малым весом, и поразительной прочностью. Однако до сих пор производство нанотрубок длиной хотя бы несколько сантиметров остается неразрешенной технологической проблемой. Что уж говорить о километрах.

И даже если задача будет решена, графен и может не помочь.

Предполагаемая конструкция космического лифта

Основание. Подвижное позволит уклоняться от грозящих опоре троса природных катаклизмов. Стационарное удобнее в плане обеспечения лифта дешевой энергией.


Трос. Должен выдерживать как минимум свой собственный вес, вес сопутствующей инфраструктуры и центробежную силу. По расчетам, толщина его должна быстро нарастать с высотой, выходя на стационар.

Противовес. Это может быть масштабная «конечная станция» или привязанный к тросу астероид. Но если трос будет уходить за геостационарную орбиту, он будет удерживаться под собственной массой, а с конца его можно будет отпускать в полет дальние космические зонды.

Проблема первая — материал для космического лифта

Действительно, углеродные нанотрубки являются на сегодня едва ли не самым механически прочным материалом из всех известных человечеству. Сила бесчисленных sp2-связей между атомами углерода в одномерной, свернутой цилиндром кристаллической решетке невероятно высока. Но и этого недостаточно: по словам известного эксперта и футуролога Говарда Кита Хенсона (Howard Keith Henson), даже в самых оптимистичных расчетах прочность такого троса составит лишь около двух третей необходимой величины.

Хенсон считает, что сложность с нанотрубками состоит не столько в технологии, сколько в самой их структуре. Необходимо научиться производить не только длинные нанотрубки, но и идеальные, с «чистотой» не хуже чем у драгоценных камней. Иначе те самые sp2-связи, которые в графене связывают шесть атомов углерода, будут терять устойчивую конфигурацию и в местах дефектов станут охватывать 5 или 7 атомов, резко снижая прочность.


Инженер сравнивает это с зацепками на женских чулках: одно-единственное нарушение способно привести к «расползанию» всей структуры. И если до сих пор даже производство крупных, порядка сантиметровых размеров, бездефектных кристаллов остается нерешенной задачей, то будет ли она решена применительно к многокилометровым нанотрубкам? Если и будет — то не в обозримом времени, полагает Кит Хенсон. Трос космического лифта должен выдерживать до 100 МН/(кг/м), и, если даже углеродные нанотрубки достигнут такого уровня, они не должны содержать ни единого дефекта, иначе трос расползется еще до того, как мы попытаемся отправиться на нем в космос.

По некоторым оценкам, трос космического лифта должен иметь прочность более 130 ГПа. Для сравнения, кевлар достигает уровня 4 ГПа, прочнейшие виды стали — всего 5 ГПа. Теоретически, углеродные нанотрубки могут иметь прочность нужной величины (вплоть до 300 ГПа), однако на практике достигнуто лишь около 50 ГПа (и 99 ГПа в одном из экспериментов). При этом технологии изготовления длинных нанотрубок — а тем более плетения из них тросов — остаются в самом зачаточном состоянии.

Даже один из самых больших энтузиастов космических лифтов, физик Дэвид Аппель (David Appell), ведущий несколько связанных с этой темой проектов, как-то признался: «Можно ли быть уверенным, что когда-нибудь удастся создать из нанотрубок структуру размерами 100 тыс. км? К сожалению, ответить на этот вопрос пока не может никто».

Проблема вторая: колебания


Допустим, мы совершили прорыв и создали углеродные нанотрубки нужной длины, добились бездефектной структуры, сплели из них лифтовый трос и даже подняли его на нужную высоту. Что дальше? А дальше — рутинная жизнь с ее миллионом опасных деталей. Ведь такая конструкция неминуемо будет испытывать самые разнообразные воздействия, многие из которых грозят развалить все многотрудное сооружение.

Такие расчеты произвел чешский астрофизик Любое Перек (Lubos Perek), показав, что сочетание нескольких факторов — игры гравитационных сил со стороны Земли и Луны, давления частиц солнечного ветра и т.п. — может оказывать непредсказуемое воздействие на трос космического лифта. Перек выяснил, что игра этих сил способна заставить раскачиваться, вибрировать и закручиваться всю его громадную конструкцию.

Решением может стать размещение на критических участках троса специальных двигателей, которые, управляясь интеллектуальной компьютерной системой, будут компенсировать непредсказуемые воздействия среды. Но «чистота концепции» будет уже нарушена, а с ней под вопрос встанут и многие преимущества космического лифта. Двигатели нуждаются в топливе, регулярном уходе, ремонте и даже замене. Они не только затруднят движение по тросу, но и, видимо, заметно повысят стоимость эксплуатации лифта.


Но и это еще цветочки, ведь, как и всякая натянутая струна, трос космического лифта будет иметь собственную резонансную частоту внутренних колебаний. Помните историю, которую традиционно рассказывают на уроке о резонансе все школьные учителя физики, — как отряд солдат, маршируя по мосту, случайно «попал» в его резонансную частоту — и разрушил весь мост? Примерно то же угрожает и космическому лифту.

Чтобы предусмотреть и эту угрозу, на ряде участков троса потребуется установить узлы, демпфирующие опасные колебания.

А это снова дополнительное усложнение конструкции, новые инженерные проблемы и финансовые затраты… И если бы этим все ограничилось: на самом деле проблем у троса будет куда больше.

Чтобы сократить размеры троса, избавиться от его чрезмерного утолщения и опасностей нижних слоев атмосферы, основание лифта можно разместить на высотной — до 100 км — башне. В августе 2015 года канадская компания Thoth Technology Inc. даже запатентовала подобный проект

Башня ThothX Tower, которую планируют соорудить канадцы, должна достичь высоты пока умеренной — «всего-навсего» 20 км — и сможет питаться за счет энергии ветра, возникающего из-за разницы давлений у ее основания и на вершине. По расчетам инженеров, ее можно использовать и в качестве стартовой площадки для ракет позволяя существенно удешевить традиционные космические запуски. Проблема с башней лишь одна: проект неосуществим технологически.


Проблема третья: пассажиры космического лифта

Особенные трудности может создать… само перемещение груженого космического лифта по тросу. Как и все, что движется на вращающейся Земле под углом к оси ее вращения, груз будет испытывать влияние силы Кориолиса. Поднимаясь вверх, лифт будет отклоняться в противоположном вращению Земли направлении. Это воздействие также уже просчитано физиками.

По словам проведшего такую работу канадского ученого Аруна Мисры (Arun Misra), это влияние заставит лифт раскачиваться, как перевернутый неустойчивый маятник. В результате «пункт назначения» на орбите, в который будут прибывать люди и грузы, может оказаться не совсем там, куда они направлялись. Для вывода аппаратов на орбиту это совершенно неприемлемо.

Более того, вибрации, распространяющиеся вдоль троса, приведут к неравномерному движению «кабины», которая на одних участках будет замедляться, а на других-ускоряться, «подгоняемая» волнами. Разумеется, можно предложить ряд механизмов для компенсации и этого эффекта. Например, помочь может крайне медленный и осторожный, контролируемый подъем, который, по расчетам Аруна Мисры, займет несколько недель.


Другой вариант заключается в крайне точной координации движения одновременно многих кабин, которые будут взаимно компенсировать воздействия друг друга на трос. Но это снова усложнение и удорожание всей инфраструктуры. Кажется, идея космического лифта уже не выглядит такой привлекательной? Но подождите: мы еще не закончили.

Проблема четвертая: космический мусор

Не так давно орбита Международной космической станции была в какой уже раз скорректирована, чтобы уклониться от столкновения с очередным обломком космического мусора. С циклопической конструкцией лифта такое не пройдет: переместить ее будет практически невозможно. А между тем, проходя сквозь низкую околоземную орбиту и достигая геостационарной, он будет «подставляться под удар» и десятков работающих спутников, и тысяч обломков уже вышедших из строя аппаратов, ступеней ракет и разгонных блоков. Не забудем и про опасность встречи с метеоритами!

Избежать этого вообще вряд ли получится, и любой космический лифт должен быть изначально рассчитан на регулярные и опасные столкновения. Как этого добиться, также пока неясно: обломки космического мусора могут быть не так уж и велики, однако движутся они на огромных скоростях, при которых, говоря словами поэта, «песчинка обретает силу пули». Уже знакомый нам Говард Кит Хенсон подсчитал, что энергия таких ударов легко достигает уровня, который грозит попросту испарить несколько метров троса.


Не так уж и сложно оснащать все космические аппараты, орбиты которых грозят пересечься с тросом лифта, системами активного уклонения. Но как быть с уже работающими спутниками? А с космическим мусором? По имеющимся оценкам, его количество на орбите исчисляется несколькими тысячами тонн. И прежде чем мы начнем развертывание мегатроса для нашего суперлифта, в космосе придется прибрать.
В качестве одного из вариантов защиты предлагается установка на критических участках лифта мощных лазерных систем, работающих на манер «противовоздушной защиты» и уничтожающих мусор, грозящий столкновением. Но это — правильно! — означает новое усложнение и удорожание нашего замечательного проекта.

Проблемы пятая и шестая: износ космического лифта и радиация

Если вам показалось мало четырех ключевых проблем космического лифта, упомянем еще пару. Они не столь значительны, но также требуют внимания — и к решению обязательны.

Износ и коррозия. Под действием жестких факторов в атмосфере и агрессивной космической среде и трос лифта, и его детали будут неизбежно портиться. Необходимо предусмотреть варианты восстановления материалов, регулярного ремонта всей конструкции и ухода за ней.


Радиация. Путь космического лифта будет проходить не только в атмосфере, но и далеко за ее пределами. Не минет он и радиационных поясов Земли (в западной литературе их называют поясами Ван Аллена) — областей, где в огромном числе удерживаются захваченные магнитосферой планеты заряженные и высокоэнергетические частицы, в основном протоны и электроны. Внутренний радиационный пояс расположен на высоте порядка 4 тыс. км, внешний — 17 тыс. км, и любое путешествие людей через эти области чревато очень серьезной опасностью. Поэтому для пассажиров космического лифта обязательно должны быть предусмотрены меры радиационной защиты.

Но и это не все. Даже если мы установим в кабине лифта мощные экраны, блокирующие поток высокоэнергетических частиц, нас ждет другой спектр проблем, отнюдь не технологических.

Проблема седьмая: общество

Допустим, международная кооперация и лучшие умы человечества решат все озвученные сложности и космический лифт гордо вознесется над Землей, попирая суровую гравитацию. Колоссальное сооружение, разумеется, станет одним из ключевых символов прогресса, успеха и процветания западной, научноориентированной цивилизации. А значит, превратится в привлекательный объект для всех ее противников.

Разрушение космического лифта в результате террористических атак могло бы стать событием, которое и по масштабам, и по эффекту воздействия затмит все произошедшее 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке и после этого. Гибель этой громадины будет серьезным ударом и в финансовом, и в самом прямом смысле: представьте себе неконтролируемое падение троса длиной в десятки тысяч километров и многотонной массы со всеми смонтированными на нем элементами… Неудивительно, что лифт должен быть стопроцентно защищен от всех возможных атак с суши и воздуха.

Кстати, именно эти соображения стали одной из важных причин, по которым наземную инфраструктуру космического лифта предлагается возвести на морской платформе, оборонять которую от самодеятельных террористов намного легче. Но и тут нас ожидают малопредсказуемые последствия — уже со стороны экологических активистов.

Их тревогу можно понять: как отмечают многие защитники планеты, большой масштаб грузовых перевозок вдоль лифтового троса чреват появлением у Земли намертво привязанной к ней дополнительной массы. Элементарные расчеты показывают, что при колоссальной длине троса это способно повлиять даже на скорость вращения планеты вокруг своей оси, замедляя его. Последствия такого влияния могут быть действительно непредсказуемы. И даже если мы замедлим Землю на несколько наносекунд, можно ждать самых яростных протестов «зеленых» — например, под лозунгами вроде «Сохраним угловой момент планеты!».

Без проблем: на Луне

Кажется, проблемы космического лифта неисчислимы и практически нерешаемы. Но что если перевернуть концепцию проекта в буквальном смысле с ног наголову?.. С таким предложением некоторое время назад выступил американский инженер и разработчик космической техники Джером Пирсон (Jerome Pearson). «Похоже, на Земле такой проект имеет мало смысла, — пишет он, — но Луна -это совершенно другое дело».

Конечно, под действием земного притяжения Луна не вращается вокруг своей оси, оставаясь повернутой к нам лишь одной своей стороной. Но в этом Джером Пирсон видит даже плюс, предлагая «закрепить» трос космического лифта, начинающегося на поверхности спутника, не за счет центробежной силы, а за счет гравитации Земли. Достаточно лишь утяжелить его дальний конец соответствующей массой: по расчетам Пирсона, при весе порядка 100 тыс. тонн такая конструкция позволит ежегодно доставлять на Луну в три-четыре раза больше грузов.

Кажется, идея не лишена смысла. Теоретически, «лунный лифт» не требует даже сверхпрочных материалов, не говоря уж о замечательной — почти идеальной — защищенности от террористических атак. Идею поддерживает и Кит Хенсон, который подсчитал, что для подъема 1000 тонн грузов системе потребуется работа средних размеров электростанции — всего на 15 МВт — и при этом она сможет доставлять их на расстояние до 190 тыс. км, на переходную орбиту к Земле.

Если человечество всерьез начнет разработку лунных ресурсов, возможно, проект весьма пригодится. Ну а пока на Земле космический лифт вряд ли возможен по технологическим причинам, с Луны же нам просто нечего возить в таких количествах. Похоже, лифт задерживается.

Источник: innotechnews.com

В одном из своих предыдущих постов, а именно Астроинженерная деятельность внеземных цивилизаций: сфера Дайсона., я описал существующие на сегодняшний день представления о том, как могут выглядеть со стороны и что представляют собой мегаструктуры, гипотетически созданные в космосе в масштабах планетной системы. Но помимо таких проектов, существуют и «менее масштабные» проекты мегаструктур, чей характерный размер составляет порядка радиуса стационарной орбиты Земли -«космические лифты».
Чтобы ознакомиться с этой концепцией поближе, предлагаю вам прочесть статью ‘Космическое «ожерелье» Земли’ кандидата физико-математических наук, доцента Астраханского педагогического института Георгия Полякова, напечатанную в журнале «Техника-молодежи» №4  за 1974 год (http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1977/4/kos-oj.html). 

Статья приводится с незначительными сокращениями, правками и существенными графическими дополнениями — я посчитал, что будет не лишним внести ряд дополнительных иллюстраций.

Ресурсы нашей планеты отнюдь не безграничны, и стремительно растущее человечество со временем непременно обживет ближайшие небесные тела и искусственно созданные астрогорода. Однако в вопросе о том, как и какими темпами будет происходить «великое переселение народов», среди ученых нет единого мнения. Смогут ли транспортные космические корабли грядущего справиться с массовыми перевозками? А ведь, помимо людей, нужно переправить еще огромное количество различных материалов, оборудования и других грузов, необходимых для постройки космических поселений.

Поскольку «астролюди» должны где-то трудиться, в космос перебазируются и предприятия. В первую очередь те, технологические процессы которых только выиграют от наличия таких факторов, как высокий вакуум, невесомость, интенсивная радиация… А снабжать энергией внеземные заводы и «мегаполисы» будут мощные солнечные и термоядерные электростанции. И опять все упирается в перевозки.

По нашему мнению, транспортную проблему поможет решить космический лифт — он дополнит ракеты, как железная дорога — самолеты.

На возможность подобного сооружения К. Циолковский указал еще в 1896 году в работе «Грезы о Земле и небе». Но эта идея привлекла всеобщее внимание лишь 64 года спустя, когда ленинградский инженер Ю. Арцутанов окончательно сформулировал ее и изложил свои соображения на страницах «Комсомольской правды». Дальнейшему развитию столь необычного проекта и посвящен наш рассказ.

Внешне космический лифт выглядит на редкость просто. Посмотрите на рисунок 4: на экваторе Земли закреплен (в точке А) трос (это может быть и стержень, труба, лента и т. д.), к свободному концу которого «привязан» спутник В. Длина троса превышает высоту геосинхронной (стационарной) орбиты (примерно 35 800 км), где тело имеет период обращения 24 часа (точнее, 23 часа 56 минут), то есть такой же, как и Земля. (Другими словами, оно неподвижно висит над поверхностью планеты.) На лифт действуют две противоположные силы: гравитационная и центробежная, обусловленные тяготением и суточным вращением Земли. В точке Б, расположенной на отметке стационарной орбиты, они взаимно уравновешены. На участке АБ преобладает гравитационная сила, а на БВ — центробежная.

Лифт будет находиться в устойчивом равновесии лишь тогда, когда центробежная сила преобладает над гравитационной. (Потому-то спутник и летает выше стационарной орбиты.) В таком состоянии трос растянут, и нагрузка на основание А равна разности этих сил.

Естественно, материал лифта должен обладать уникальными свойствами — высокой прочностью на разрыв и в то же время малым весом. Достаточно сказать, что отношение разрывного напряжения к плотности (σ/ρ) должно быть, по крайней мере, в 50 раз больше, чем у стали. Не стоит думать, что создание таких материалов — дело далекого будущего. Поиск в этом направлении начат, и сейчас получены разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы, кристаллические усы, нанотрубки… Кстати, последние в принципе уже отвечают требованиям, предъявляемым к лифтам.

Однако не обязательно весь трос вязать из кристаллических волокон. Расчеты показывают, что величина σ/ρ обратно пропорциональна величине α=SБ /SA — отношению площадей поперечного сечения троса в точках Б и А. Значит, трос выгодно сделать утоньшающимся от точки Б, где толщина максимальна, к его концам. Правда, при этом быстро растет масса лифта, и α, видимо, не может превышать 10. Поскольку в точке Б напряжение наибольшее — оно монотонно убывает к концам троса, — для периферийных участков лифта, пожалуй, сгодятся и обычные сверхпрочные материалы.

Конечно, реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный нами. На нем разместятся станции по эксплуатационному обслуживанию, научные лаборатории, жилые и производственные блоки, вокзалы и многое другое. Причем эти «узлы» расположатся симметрично относительно точки Б — сложный лифт как бы состоит из ряда простых с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.

Мы недаром так часто упоминали точку Б: там место основной базы. Поскольку она находится в состоянии невесомости, ее размеры могут быть весьма большими (от нескольких сот метров до 10 км в диаметре). Однако постоянно жить в условиях невесомости не слишком-то приятно. На базе придется создать искусственное тяготение, придав ей вращение. Правда, в таком случае на лифт, кружащийся вместе с Землей, будет действовать гироскопический момент, отклоняющий его к какому-либо полюсу. Чтобы избавиться от этого эффекта, базу лучше всего сделать из двух одинаковых дисков, вращающихся в противоположные стороны с равными угловыми скоростями. В результате суммарный гироскопический момент сведется к нулю.

Что же касается других «узлов», то вопрос о тяжести не возникнет: она и так есть за счет разности между гравитационной и центробежной силами. На станциях, расположенных ниже точки Б, тяготение направлено вниз, а выше — вверх. И чем дальше «узел» от этой точки, тем оно мощнее.

Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. Другими словами, в точке В будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. Причем его можно сделать из нескольких удаленных друг от друга этажей — каждый, мчась со своей космической скоростью, предназначен для запусков к определенной планете, дабы свести корректировку траектории сброшенного с него аппарата к минимуму. А возвращающиеся из полета астрокорабли, предварительно выйдя на геосинхронную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.

Если случится авария и какая-либо станция оторвется от лифта, она станет вращаться вокруг Земли по эллиптической орбите (рисунок 4 в центре). Точка отделения явится либо перигеем орбиты (станция находилась выше базы), либо апогеем (ниже). Самая нижняя из крупных станций помещается на такой высоте, чтобы при ее отрыве перигей орбиты был бы за пределами атмосферы. Разумеется, оставшимся в одиночестве станциям будет оказана «скорая помощь» космическими буксирами.

С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельных трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой — вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар.

Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.

Кабины лифта — просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули (ведь путешествие в лифте продолжается неделю, а то и больше).

Главные вокзалы расположены в уже знакомых нам точках А, Б, В и соединены несколькими транспортными линиями. Чтобы не сместить лифт из вертикального положения, движение кабин с грузами необходимо согласовывать. Интересно, что центробежная сила облегчает подъем кабины. А на участке БВ та даже сама пойдет вверх.

В целях экономии энергии можно создать систему, показанную на рисунке 4 справа. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами, и напоминает канатно-кресельную дорогу. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.

Таким образом, у «небесного эскалатора» два основных назначения: служить транспортной магистралью в ближний космос и средством достижения космических скоростей без помощи ракет. Однако он, несомненно, найдет и множество других применений. Например, со станций станут проводить изучение Земли и небесных тел, радиотелепередачи и т. п., а по проводам, проложенным вдоль лифта, можно «перекачивать» вниз энергию с орбитальных солнечных и термоядерных электростанций. Техническое состояние сооружения будет непрерывно контролироваться (через сеть датчиков) специальной электронной системой.

Сама постройка начнется с создания большой долговременной орбитальной станции на геосинхронной орбите. С нее к Земле и от Земли протянутся (строго согласованно) два троса, причем к свободному концу верхнего прикреплен небольшой спутник. Сначала их движение направляется реактивными двигателями, а затем — гравитационно-инерционными силами. Устойчивость всей системы (до достижения нижним тросом поверхности планеты) обеспечивается также реактивными установками.

Затем параллельно основному тросу протянутся и остальные. Возможно, они будут вытягиваться из расплава прямо на орбитальной станции, ибо сверхпрочные материалы выгоднее всего получать в условиях невесомости и вакуума.

Учитывая прогнозы роста населения Земли, можно считать, что надобность в космическом лифте появится где-то в первой четверти XXI века. Подобные сооружения украсят и другие небесные тела солнечной системы, у которых масса меньше Земли и которые достаточно быстро вращаются (Марс, отдельные спутники планет и крупные астероиды). При этом внеземные лифты будут иметь гораздо меньшие размеры и подвергаться сравнительно слабым разрывным напряжениям. Например, сооружение на Марсе испытает нагрузку в 5 раз меньшую, чем на Земле, а его длина сократится в 2 с лишним раза.

Сейчас много пишут об астрогородах, первые проекты которых были выдвинуты еще К. Циолковским. Где же размещать их в космическом пространстве? Некоторые специалисты считают, что в так называемых точках Лагранжа, где притяжение к Земле и Луне уравновешено. Но эти участки довольно далеки от нас. Видимо, целесообразней выбрать все ту же геосинхронную орбиту. Она уже сейчас быстро заселяется спутниками.

А в ближайшее время к ним присоединятся десятки солнечных электростанций. Скажем, по проекту известного американского ученого К. Эрике вдоль геосинхронной орбиты расположится рой огромных зеркал с общей площадью до 66 тыс. км2. В определенных районах Земли он создаст освещенность, сравнимую с солнечной.

Эти да и другие перспективные технические предложения позволяют утверждать, что еще при жизни нашего поколения геосинхронная орбита густо усеется космическими аппаратами самых различных типов и назначений. И поскольку все они будут почти неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.

Так мы вплотную подходим к идее космического «ожерелья» Земли (см. рисунок в 1). Оно состоит из радиально расположенных экваториальных лифтов и огромного кольца, простирающегося чуть выше геосинхронной орбиты, к которому пришвартовано множество космических станций.

Если кольцо поместить точно на геосинхронную орбиту, то его равновесие будет неустойчивым. Во избежание этого радиус кольца немного увеличен, так что оно находится несколько выше ее. При этом избыток центробежной силы растянет «ожерелье». Кольцо находится в состоянии, близком к невесомости, оно не испытывает особых напряжений, и его строительство намного проще, чем возведение космического лифта.

«Ожерелье» послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между астрогородами, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите. Ведь без кольца станции постепенно расползутся под действием возмущающих сил. Это резко ограничило бы их число, а для компенсации возмущений потребовались бы реактивные установки, что связано с большим расходом топлива и вызовет загрязнение среды.

Наряду с жилыми поселениями, например, типа цилиндров О’Нейла на кольце расположатся и станции с промышленным, сельскохозяйственным и энергетическим производством. Несомненно, что технологические процессы этих предприятий будут основаны на замкнутых и полностью автоматизированных циклах.

Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 тыс. км), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 км, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тыс. на кольце будут обитать 26 млн. человек. Если же размеры и количество таких астрогородов существенно увеличить, эта цифра резко возрастет.

Возможно, создание космического «ожерелья» Земли и явится практическим воплощением того пункта выдвинутого К. Циолковским плана завоевания мировых пространств, где говорится, что «вокруг Земли устраиваются обширные поселения».

Спасибо за внимание!

Источник: alexander-vasil.livejournal.com

Что такое космический лифт

Идея космического лифта уже давно захватила сознание научных фантастов и стала предметом реальных технико-экономических исследований, проведенных НАСА и другими агентствами. Среди космических инженеров есть мнение, что это весьма привлекательная идея. Но огромные сложности, связанные с созданием космического лифта, недоступны с технологиями и материалами настоящего времени.

Однако двое исследователей — математик и инженер-механик из Университета Джона Хопкинса, находящегося в США, предполагают, что создание лифта в ближайшем будущем вполне возможно. Если его создатели будут использовать знания из биологии. И если они смогут построить для проекта автономные ремонтные боты.

В статье, размещенной на предпечатной странице Arxiv (и, таким образом, ожидающей экспертной оценки) Дэн Попеску и Шон Сун моделируют космический лифт. Они основывали свои расчеты на соотношении максимального напряжения и максимальной прочности на разрыв, обнаруженных в биологических структурах, таких как связки и сухожилия. Эти значения значительно выше, чем отношение напряжения к силе, используемое в технике. При таких значениях прочность материалов, используемых для поглощения силы, всего лишь вдвое больше разрушающей способности самой силы.

По словам авторов, такое соотношение отлично подходит для обычных проектов в области гражданского строительства. Но в случае создания мегаструктур такие характеристики слишком слабы. И неспособны позволить адекватно контролировать вероятность отказа.

Задумка космического лифта

Смысл космического лифта заключается в том, чтобы обеспечить способ, с помощью которого люди и грузы могли подниматься за пределы земной атмосферы без использования ракет. Эта идея была впервые предложена еще в 1895 году. Автором ее является российский ученый Константин Циолковский.

С тех пор идея была усовершенствована, но базовая задумка не изменилась. Лифт состоит из одного троса, закрепленного в неподвижной точке земного шара (обычно на экваторе). Он простирается вверх за пределы геостационарной орбиты — на высоту около 35 786 километров.

На верхнем конце троса находится противовес. Конкурирующие силы — сила тяжести и направленная от Земли центробежная сила служат для того, чтобы держать трос натянутым. Это обеспечивает линию, по которой каюты или грузовые контейнеры могут быстро перемещаться вверх и вниз.

Основная проблема заключается в том, что нагрузка, прилагаемая к этому массивному длинному тросу, будет настолько огромной, что в настоящее время не существует материала, который мог бы ее выдержать.

Существующие проекты космического лифта

За последние несколько десятилетий было предлагалось несколько масштабных конкурсов и проектов для решения этой проблемы. Но ни один из них до сих пор не преуспел. Недавно, в 2014 году, компания Google работала над подобным проектом. Но отложила эту идею после того, как обнаружилось что никто не смог построить сверхпрочный углеродный нанотрос размерами более, чем метр.

(Углеродные нанотрубки — большая надежда инженеров-космических лифтов, но эта надежда может быть не оправдана. В исследовании 2006 года проводилось интересное моделирование. По результатам его выяснилось, что при длине тросов, изготовленных на нанотрубках, в 100 000 километров, неизбежно будут иметься дефекты. Их будет достаточно для того, чтобы уменьшить его общую прочность примерно на 70%).

Новый подход

Попеску и Сун в своей новой статье предлагают другой подход. Углеродные нанотрубки теоретически и являются естественным выбором для троса космического лифта, говорят они. Но тот факт, что в настоящее время они не могут быть сделаны дольше нескольких сантиметров, делает их неприменимыми. Однако, как они отмечают, хоть некоторые композиты, в которых углеродные нанотрубки легированы другими материалами, они все еще слабее чем нужно. Но «мы быстро приближаемся к диапазонам прочности материала, необходимым для создания стабильных мегаструктур с механизмами самовосстановления».

Механизмы самовосстановления имеют решающее значение. Исследователи предлагают создать трос, который разделен на два направления. Вверх, представляющий ряд сложенных сегментов, и в бок как ряд параллельных нитей. Когда какая-либо нить изнашивается, как и должно происходить со временем, воздействие на этот сегмент ограничивается. И нагрузка немедленно распределяется между соседями. Такое положение сохраняется до тех пор, пока ремонтные боты не войдут и не заменит его.

Имея «автономный механизм ремонта», пишут исследователи, можно обеспечить надежность кабеля при высоких уровнях нагрузки. А также построить лифт с использованием более слабых материалов. Это еще более приблизит реальную возможность его создания.

В основе моделирования, произведенного Попеску и Сун лег переход от инженерных стандартов к тем, которые обычно встречаются в биологии. Авторы работы отмечают, что сухожилия и связки человека могут выдерживать огромные нагрузки. Они очень близки к их пределам прочности на растяжение. И они намного большие, чем используемые инженерами материалы.

Технологии и воображение

Главной причиной этого, конечно же, является то, что сухожилия и связки обладают способностью к саморемонту. А именно это качество, в частности, отсутствует в стальных балках. По мнению исследователей, добавление этой возможности в конструкцию космического лифта означает, что больше не будет необходимости ждать, пока технологии смогут догнать наше воображение.

«Мы предлагаем дизайн мегаструктуры, который не только позволить ее составным частям выходить из строя. Но и будет обладать механизмом самовосстановления для замены сломанных компонентов», — пишут они.

«Это позволит структурам работать при значительно более высоких нагрузках, не ставя под угрозу их целостность, что, в свою очередь, сделает реальностью мегаструктуры, созданные из существующих материалов».

Источник: alivespace.ru

* * *

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.

Источник: www.MirF.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.