Люди будут жить в космосе. Но нашему организму нужна гравитация. Как мы можем это сделать? Было определено несколько концепций искусственной гравитации. Одну из них назвали космической станцией Конечного в честь автора концепции. На случай, если кто-то когда-нибудь построит её. Это довольно просто. ;-)
Решение не основано на какой-то странной технологии из "Стартрека" или непрерывном ускорении с помощью двигателя Эпштейна из сериала "Пространство". Всё основано на известной школьной физике. И это работает только рядом с планетами или лунами, пока люди все еще находятся на орбите.
Почему бы не использовать космическую станцию в виде колеса?
Вращающаяся космическая станция в виде колеса, также известная как колесо фон Брауна, является концепцией космической станции в форме колеса. Она создает искусственную гравитацию за счет своего вращения. Принцип был хорошо визуализирован в фильме "Марсианин". Однако для создания искусственной гравитации потребуется гораздо большее и быстрое вращение, чем показано в фильме.
Центробежное ускорение, необходимое для искусственной гравитации, определяется следующим образом: a = Ω² * r. Есть множество ограничивающих факторов для размера и скорости вращения. Например, если вы начнете бежать в направлении, противоположном вращению. Вы можете потерять ощущение веса, пол будет просто вращаться под вами. Вращение могло бы нарушить наши ощущения, и мы быстро потеряли бы равновесие.
Дэвид Киппинг, руководитель лаборатории Cool Worlds Колумбийского университета, сделал отличное видео на YouTube по этой теме. Говоря практически, минимальные размеры составляют несколько сотен метров в диаметре. Зона комфорта довольно ограничена.
Так что вращающиеся отсеки в фильмах о Марсианине были нереалистичны. Стэнли Кубрик сделал лучшую работу в фильме "2001 год: Космическая одиссея". Космическая станция в фильме имеет диаметр 300 м. Однако на постройку станции такого размера потребуется несколько тысяч тонн материалов. Например, Международная космическая станция (МКС) весит около 420 тонн и имеет размер 70 м.
В фильме "2001 год: Космическая одиссея" космическая станция вращается один раз в минуту, что создает ускорение около 1,655 м/с², что составляет около 16% от земной гравитации 1G. Это примерно так же, как гравитация Луны, и это кажется разумным для комфорта жизни в космосе. Мы могли бы построить еще более крупные цилиндрические космические станции с километрами в размере, которые позволили бы симулировать гравитацию 1G. Однако такое строительство было бы невозможно без возможности добывать астероиды. Какие альтернативы?
Космические станции на тросах
Поскольку скорость вращения станции должна быть медленной, радиус должен быть большим. Это можно достичь, соединив две части станций или космических кораблей тросом. Они будут действовать как противовес и вращаться вокруг своего общего центра масс. Трос может быть длиной несколько сотен метров. Например, два "Старшипа" в формации на тросе длиной 1500 м с 1 оборотом в минуту могли бы обеспечить искусственную гравитацию 1G.
Это очень простое решение для межпланетных путешествий, однако не совсем подходит для космических станций возле планеты. Было бы очень сложно сесть на такую станцию и поддерживать ее стабильность. Можем ли мы использовать трос другим способом, устраняя это ограничение?
Космическая станция Конечного, находящаяся на орбите планеты
Космическая станция Конечного — это тип невращающейся космической станции на тросах. Орбитальная система — это связанная система из двух масс. Верхняя часть станции (верхняя станция) размещена на орбите вокруг небесного тела, например Земли. Подвешенная станция (нижняя станция) находится на определенной высоте над поверхностью небесного тела.
Соединенные тела будут вращаться вокруг Земли с одинаковой угловой скоростью. Нижняя станция будет притягиваться гравитацией к Земле, а верхняя станция будет отталкиваться наружу центробежной силой.
Эти две силы нужно сбалансировать [a = (G* MassOfPlanet /r² ) — (Ω² * r)], чтобы космические станции, соединенные тросом, оставались стабильными. В результате обе станции будут испытывать постоянное ускорение (искусственная гравитация).
Направление ускорения будет к планете для нижней станции и наружу для верхней станции. Таким образом, люди, живущие на верхней станции, будут иметь уникальный опыт. Они будут стоять на ногах, глядя вверх, чтобы увидеть Землю. Это будет похоже на просмотр через крышное окно, но вместо просто звезд вы увидите материк Земля.
Орбитальная Космическая Станция Конечного
Существует множество конфигураций, как может быть реализована эта система. Чем дальше от Земли находится Верхняя станция, тем большее ускорение G можно достичь. Меньшее количество оборотов в день означает большее притяжение к планете. Следовательно, в Нижней станции может быть достигнуто большее ускорение. Вот пример ускорения [м/с²] в зависимости от расстояния при 10 оборотах вокруг Земли в день:
Ускорение [м/с²] зависит от расстояния от поверхности Земли (10 оборотов в день) Мы видим, что на высоте 430 км над Землей (~высота МКС) мы можем достичь 4,81 м/с² (около 0,5G) для Нижней станции. Чтобы обеспечить 1G, Верхняя станция должна находиться примерно на высоте 13 700 км над поверхностью Земли.
Угловая скорость - один из ключевых параметров для регулировки. Следующая диаграмма дает обзор трех различных скоростей: 5, 10 и 13 оборотов в день. Слишком маленькая скорость потребовала бы очень длинных тросов. Большие скорости уменьшат притяжение к Земле. Таким образом, Нижняя станция должна быть тяжелее Верхней станции. Однако это позволило бы сократить длину троса для достижения 1G.
Ускорение как функция угловой скорости и высоты над поверхностью Я разработал несколько вариантов, чтобы найти решение, оптимизирующее длину троса, чтобы сделать систему технически выполнимой. Оптимальная точка, по-видимому, составляет 12,5 оборота в день с Нижней станцией на высоте 522 км над Землей и Верхней станцией на высоте 2700 км. Обе станции будут иметь одинаковую массу и испытывать около 0,27G. Это немного меньше, чем на Марсе, но примерно в два раза больше, чем на Луне. Это смягчит большинство проблем, возникающих в условиях микрогравитации.
Трос будет иметь длину 2178 км. Есть ли у нас материал, который мог бы удерживать пару станций вместе? Или этот концепт обречен, как Космический лифт?
Материал для троса
К счастью, кажется, что нам не нужно ждать каких-то волшебных материалов, например, углеродных нанотрубок. Давайте посмотрим на Zylon, второй лучший материал, который фактически доступен в настоящее время. Это синтетический полимерный материал, изобретенный и разработанный в 1980-х годах. Его прочность на растяжение составляет 5,8 ГПа, что на 1,6 раза превышает прочность Kevlar. Как и Kevlar, Zylon используется в ряде приложений, требующих очень высокой прочности с отличной термостойкостью, например, в теннисных ракетках, парашютах космического корабля Crew Dragon от SpaceX.
Предел прочности zylon составляет 379 км. Это рассчитывается с силой 1G, действующей на кабель. Так что при меньшем натяжении мы могли бы растянуть трос длиннее. Это наш случай. Трос всегда будет проходить через точку нулевой гравитации, где гравитация Земли и центробежная сила уравновешиваются. Мы могли бы иметь среднюю космическую станцию здесь. Она бы имела микрогравитацию, и стыковка была бы похожа на сегодняшнюю стыковку с МКС. Равные массы будут отправляться вверх и вниз. Позиция средней станции служила бы элементом стабилизации. Регулируя длину троса между станциями и эффективные ионные двигатели, мы могли бы удерживать станции выровненными и силы сбалансированными.
Ускорение будет изменяться от 0 до 0.27G. Средняя станция будет находиться примерно в 1470 км над поверхностью Земли. Таким образом, у нас есть две части троса, 1230 км до Верхней станции и 948 км до Нижней станции. Максимальное ускорение будет 0.27G на концах тросов, где находятся станции. Среднее значение будет около 0.15G. Это примерно в 6.5 раз меньше, чем 1G. Так что мы могли бы иметь тросы длиной до 2500 км, что примерно в два раза больше, чем необходимо. Так что материал zylon, кажется, подходит для троса.
Мы бы нуждались в его доставке на орбиту Средней станции. Так сколько бы весила лента zylon длиной 1230 км? При типичной плотности 1.55 т/м3 и размерах троса 30 мм x 1.5 мм мы получим 85 тонн. Это вполне по силам ракете SpaceX Starship SuperHeavy. И с ценой 20 USD за метр (стартовая цена начинается от £17.36 за метр), нам понадобится 24.6 миллиона долларов на нижнюю часть и 19 миллионов на верхнюю часть троса. Это меньше, чем 50 миллионов долларов, что очень доступно. Каждый трос должен выдерживать космические станции весом в несколько сотен тонн. Было бы разумно использовать несколько лент.
Нижняя и Верхняя станции будут построены с использованием Средней станции. Равные массовые компоненты Нижней и Верхней будут перемещаться вверх и вниз соответственно одновременно. Таким образом, центр тяжести останется на том же месте, где находится Средняя станция. Люди могли бы работать на Средней станции и жить на Нижней или Верхней станции. С помощью подъемника можно было бы достичь расстояния за несколько часов.
Космическая станция Конечного на Марсе
Тот же принцип можно использовать на Луне, но Марс гораздо интереснее. У планеты Марс есть одно большое преимущество: Фобос. Это маленькая луна неправильной формы с радиусом 11 км. Она находится всего в 6000 км над поверхностью и делает один оборот вокруг Марса за 7 часов и 39 минут.
Фобос мог бы служить Верхней станцией, а точнее якорем для Нижней станции. Трос будет висеть вниз к планете. Изменение траектории Фобоса, вызванное Нижней станцией, будет незначительным. Нижняя станция также могла бы находиться очень низко — прямо над поверхностью из-за ограниченной атмосферы Марса. Например, 54 км обеспечат 3.41 м/с² (0.34 G), и люди, живущие там, почувствуют почти такую же гравитацию, как на поверхности Марса.
Какое преимущество может дать такая низко висящая станция? Я могу представить еще одно огромное преимущество размещения Нижней станции прямо над поверхностью. Она будет двигаться только со скоростью около 550 м/с относительно поверхности планеты. Эту скорость с комфортом может достичь реактивный самолет/маленькая ракета. Такое транспортное средство могло бы зацепиться за дополнительный трос под Нижней станцией и быть втянуто внутрь. Таким образом, транспортировка материалов и персонала с Нижней станции на землю была бы очень дешевой. Ракетный двигатель поднимет самолет вверх, и он сможет спланировать вниз и приземлиться с использованием ускорителей.
Таким образом, Фобос мог бы служить космическим доком для межпланетных кораблей, которые не должны быть спроектированы для входа в атмосферу. Материал будет транспортироваться вверх/вниз к Нижней станции с помощью подъемника на тросе. Подъемник мог бы быть электрически приводимым. Следовательно, это существенно снизило бы стоимость транспортировки, практически до нуля. Подъемник использовал бы свою потенциальную энергию для зарядки аккумуляторов на Фобосе во время спуска. И позже использовал бы эту энергию и дополнительную энергию от солнечной батареи на Фобосе для подъема вверх.
Материал, спускающийся вниз, может не соответствовать по массе тому, что поднимается вверх. Однако, учитывая массу Фобоса (1.0659×10^16 кг), эту систему можно было бы использовать на протяжении нескольких столетий без значительного изменения орбиты Фобоса. Колонизация и терраформирование Марса могли бы быть очень эффективными. И ракетное топливо для внутрипланетных кораблей могло бы быть произведено на Марсе и с небольшими потерями очень эффективно транспортировано на Фобос для заправки кораблей. Мы могли бы легко исследовать внешнюю солнечную систему.
