Космический лифт – одна из красивейших идей мира прогнозируемых технологий. Ведь по сути дела, это не что иное, как воплощение аллегорических представлений о лестнице в небо, изящного библейского символизма связи Мира небесного и земли.
Обнадеживает, что идеей небесного лифта был заинтригован сам основоположник космоплавания К.Э.Циолковский. А как известно, многие его научные пророчества нашли отражение в практике.
Проект Циолковского "застолбил" основной принцип движения трансатмосферного поезда – станция прибытия должна достигать геостационарной орбиты. То есть высоты, находясь на которой предмет не упадет, а станет обращаться вокруг планеты синхронно с ее поверхностью. И снизу он будет казаться висящим неподвижно в небе. Это происходит потому, что скорость движения предмета по геостационарной орбите уравнивается с угловой скоростью вращения самой Земли.
Конечно, не все так просто в этом замысле. Начиная с того, что требуемая орбита должна пролегать на огромной высоте, в космосе – около 36 тысяч километров, точно над экватором. Впервые использовать такую высоту для искусственных спутников додумался писатель-фантаст Артур Кларк еще в 1945 году. А первый спутник выведен на нее специалистами НАСА в 1964 году.
Что касается самого лифта, то креативные инженеры как раз пробуют отслеживать трудности проекта не снизу, а наоборот, с верхней точки стояния на орбите. Представьте, что с геосинхронизированного спутника опускается трос. Технически это гораздо проще, чем начать возводить башню лифта с поверхности. Фрагменты троса можно поставлять например, на шаттлах (челноках) и присоединять очередной из них к концу удлиняющегося леера.
Однако законы небесной механики начнут напоминать о себе уже когда трос значительно утяжелит спутник. Новый вес попросту стянет его с геосинхронной орбиты, и будущая верхушка лифта перестанет существовать. Какой здесь выход? Напрашивается мысль о наделении спутника свойствами противостоять смещающим воздействиям. Например, можно снабдить его силовой установкой, которая могла бы противодействовать сдвигу с орбиты. Однако с увеличением массы наращиваемого троса мощность такого двигателя должна будет все время возрастать.
Понятно, что это не выход из положения. Для того чтобы оставить верхний пункт лифта в точке стояния, наращивать трос придется отдельными секциями. Для этого на более низкие орбиты выводится целая серия спутников, к которым шаттлы будут приспосабливать свои участки троса.
Да, это будет выглядеть мириадами висящих на разных орбитах головастиков, двигающихся пока каждый в своем высотном и скоростном эшелоне. Но компьютерное управление не даст рою разбрестись в стороны и рассеяться в околоземном пространстве.
Теперь мы сможем приступить к монтажу отрезков троса на верхушке лифта. Прикрепляя очередной фрагмент к свободному концу идущей от спутника магистрали, мы будем наращивать и систему рабочих противовесов. Эта нагрузка должна быть аналогичной по свойствам прикрепляемому снизу тросу. Но «тянуть» спутник она будет в противоположную сторону. С каждым сегментом лифтового спуска будет увеличиваться и масса нагрузки-противовеса, имеющей вид зеркального продолжения троса в сторону, скажем, Луны.
Строим лифт дальше, книзу. Физика орбитального обращения будет диктовать нам все новые вводные. Чем ниже орбита, тем больше орбитальная скорость движения по ней и, соответственно, конец троса будет уходить все дальше не только вниз, но и «вперед». Поэтому наш лифт начнет постепенно закручиваться по спирали, опоясывающей Землю.
Когда в процессе наращивания сегментов мы, наконец, достигнем стратосферных высот, нас встретит еще и постепенное уплотнение слоев воздуха. Их сопротивление заставит трос изгибаться в другую сторону и будущий лифт обретет еще более причудливую конфигурацию.
Но отклонение от вертикали – это лишь допустимая дань законам вращения и гравитации. Более мудреная задача, которую еще предстоит решить инженерам – «законтачивание» конца троса с Землей. Ведь разные участки чрезвычайно длинной конструкции при угловом вращении приобретают свою инерцию. Изгибаясь в атмосфере, они будут вибрировать с нарастающей амплитудой, заставляя конец троса набирать скорость подобно кончику хлыста.
Инженерный компромисс, на который можно пойти в этом вопросе – оставление основания лифта подвижным. Еще предстоит рассчитать, на какой высоте наращивание "свисающего" троса лучше всего прекратить. Ориентировочно, он будет проноситься над Землей со скоростью около 400 км/ч на уровне воздушного потолка транспортных самолетов. Контакт с приемником лифта тогда можно обеспечить аналогично системе дозаправки в воздухе. От лифта протягивается шланг-конус, который ловится штангой подлетающего авианосителя. Затем контейнеры с грузами переправляются из самолета посредством вакуумного рукава.
Но даже в варианте с «заземлением» конца троса, основание лифта лучше поднять выше над землей во избежание борьбы с ветрами в нижних слоях атмосферы. Километровая башня, скажем, уже позволит снизить нагрузку на трос благодаря экспоненциальной зависимости ее от высоты.
И все равно, даже при теоретической удаче монтажа космического лифта таким способом, мы увидим, что масса протянутого на тысячи километров троса окажется чрезмерно большой, чтобы можно было реально построить это устройство. Слишком массивный лифт требует особых, неизвестных пока способов креплений, балансировки, борьбы с инерцией, центробежной силой и т.п.
Интуитивно этот барьер преодолевается с использованием сверхпрочного и сверхлегкого материала. И такой материал уже изобретен! Это японские графеновые нанотрубки. Графен – углеродная структура, толщиной всего в один атом. На сегодняшний день это наиболее прочный и легкий из известных материалов. Трос, сплетенный из свернутых в трубки графеновых плоскостей, может оказаться в 117 раз прочнее стального и в сотни раз легче его!
В Массачусетском технологическом институте по заказу NASA уже изготовили 90-метровый отрезок такого троса и даже испытали его, заставив ездить по нему вверх-вниз грузовую платформу.
В результате мы оказываемся в одном шаге от реального воплощения идеи космического лифта.
И снова вспомним космический экспресс К.Э. Циолковского:
«...рельсы за пределы атмосферы до высоты 300 верст, по которым движется поезд со скоростью 8 верст в 1 секунду с тем, чтобы в его вагонах тяжесть уничтожалась центробежной силой...»,
«...тяжесть понемногу уменьшается, не изменяя направления; на расстоянии 34 тысяч верст совсем уничтожается, затем выше опять обнаруживается с силой, пропорциональной удалению от критической точки, но направление ее обратно, так что человек головой обращается к Земле, которую видит у себя сверху...»
Что отрадно, к воплощению пророчества гения космонавтики ближе всех сегодня оказался наш соотечественник. Профессор Астраханского университета, доктор физ-мат наук Георгий Поляков разработал тот самый «рельс», по которому могут перемещаться «вагоны» с грузами. Вместо системы нанотрубок он предложил взять более естественную графеновую плоскость и использовать ее в качестве несущей ленты.
Такой космический «конвейер» поможет решить еще одну важную проблему – энергообеспечения всей конструкции лифта. Ведь основная силовая установка, приводящая конвейер в движение, останется на Земле. А на промежуточных легких станциях в космосе можно будет получать дополнительную мощность за счет прикрепления к ним солнечных батарей.
Рассмотренная версия космического лифта наиболее гармонична на сегодняшний день. Тем не менее, появляются все новые проекты на пути к совершенствованию технологических подходов. А глава японской компании Obayashi и вовсе поклялся к 2050 году представить человечеству безупречно работающий космический лифт.