Одна из главных преград, отделяющая нас от более активного освоения космоса - экономическая. Запуск ракет на орбиту стоит много денег. Например, отправить ракету Илона Маска Falcon 9 на орбиту обходится в 62 миллиона долларов. В таких условиях трудно говорить об освоении не то что Марса, даже Луны, поскольку каждый полет туда будет связан с громадными затратами, на которые не согласится сегодня ни одна страна мира. Каждый раз преодолевать гравитацию Земли за счет дорогостоящих ракет-носителей слишком затратно.
Но что если бы мы использовали лифт? Будь этот подъемник в небо достаточно протяженным, груз или ракета, отправленные с Земли, могли бы достичь третьей космической скорости и выйти в космос. Идея кажется будто лежащей на поверхности, и ее высказывал еще Константин Циолковский в конце XIX века. Почему же космический лифт до сих пор не построен? Есть существенная преграда на пути «лестницы в небо», и это законы физики.
Предел прочности
Представим гипотетический орбитальный лифт как шарик на конце веревочки. Веревочка одним концом привязана к нашей планете, а на другом конце шарик «болтается» в космосе. Поскольку Земля крутится, то крутиться будет и шарик. Продолжая сравнение, наша рука - это планета, которая раскручивает шарик, то есть, лифт. Что в таком случае будет удерживать лифт от падения? Верно - центробежная сила. Стоит нам прекратить вращать рукой, как шарик упадет.
Но одно дело - шарик на веревочке, а другое - многокилометровое сооружение беспрецедентных для нашей цивилизации масштабов. Когда ученые применили ньютоновы законы движения, чтобы рассчитать натяжение троса, то оказалось, что он должен быть прочнее стали. В любом другом случае «веревочка» просто порвется. Причем трос должен быть не только прочнее, но также легче стали, иначе он обрушится под своим весом. Очевидно, что у нас сегодня нет таких конструкционных материалов.
С другой стороны, сама природа подсказывает нам, что создание такого троса возможно. Речь идет об обычной паутине. Это может прозвучать удивительно, но предел прочности нити паука выше, чем у стали и у кевлара, а кроме того она может растягиваться на 140% своей длины и при этом не рваться. Отдельные нити складываются из большого количества переплетенных молекул спидроина - специальной формы белка. Прочность паутины вы вполне могли оценить сами, если хоть раз видели, как паук ловко подтягивает себя на единственной нити, исчезая где-то в районе потолка.
Конечно, доить паутину из пауков для космического лифта мы не будем, но пример этих удивительных членистоногих говорит о том, что прочные и в то же время легкие материалы создавать возможно. Раз природа это сделала, то чем мы хуже?
Учиться у природы
Одно из самых перспективных направлений создания легких и прочных материалов это углеродные нанотрубки. Как известно, алмаз - это самый прочный природный минерал. Прочность эта обеспечивается его структурой, в которой атомы выстраиваются в плотную кристаллическую решетку. В углеродных нанотрубках атомы тоже располагаются очень близко друг к другу, но в то же время они соединены в форме трубки. Для наглядного примера представьте себе садовую сетку, которую скатали в рулон - вот это и будет уменьшенный аналог углеродной нанотрубки.
Итак, это очень прочный материал. Остается только создать трос из него, верно? Верно, только теперь проблема в том, что трос этот должен тянуться на 100 000 км - такова минимальная длина космического лифта. На данный момент свить «углеродную паутину» в лаборатории получается длиной максимум в несколько сантиметров. Из-за того, что атомы должны располагаться строго каждый на своем месте, то нельзя просто сшить вместе несколько разных волокон - нужно сразу создавать одно цельное.
Прочный трос это лишь одна из проблем, хотя и ключевая. Среди других вопросов, которые предстоит решать конструкторам - пересечение лифта с орбитами спутников и разным космическим мусором. Если мы создаем такое величественное сооружение, то не хотелось бы, чтобы какой-нибудь обломок метеорита разрушил в одночасье все наши труды. Сходной проблемой является и погода - не снесут ли наш космический лифт ураганы, грозы или сильные ветра?
Все выше и выше
Насколько далеки мы от воплощения в жизнь мифа о Джеке и бобовом стебле? Подвижки есть. В США под эгидой NASA проводятся так называемые Гонки космических лифтов. Чтобы выиграть конкурс, надо построить устройство массой не более 50 кг, которое сможет взлететь по тросу на высоту 1 км со скоростью 2 м/с. При этом источником энергии не может быть топливо или электричество. Одна из команд для победы использовала лазер. Он попадал в зеркало, которое, в свою очередь, отражало его на батарею солнечных элементов, таким образом вырабатывая электричество для подъема.
В 2012 году японская корпорация «Обаяси» смело объявила, что сможет построить космический лифт из углеродных нанотрубок к 2050 году. Эта компания уже создала самую высокую телебашню в мире - Tokyo Skytree (высота 634 метра) - так что эти люди скорее всего знают, что говорят. Другие японцы - ученые из Университета Сидзуока - в 2018 году протестировали миниатюрный прототип лифта уже в космосе. Между двумя спутниками, запущенными на орбиту, протянули 10-метровый трос. Камеры следили за движениями груза между спутниками. Трос был стальной, а эксперимент был лишь тестом технологии. Но это уже первый шаг.
Говоря прямо, до воплощения орбитального лифта в реальность мы пока весьма далеки. Одно можно сказать точно: страна или содружество стран, которые смогут построить нечто столь монументальное, получат практически монополию на освоение космоса. Все упирается в создание подходящего материала. Если эта проблема будет преодолена, ничто не останавливает нас от создания подобных лифтов на других небесных телах Солнечной системы - Луне, Марсе, астероидах. И тогда идея освоения космоса станет чуть менее фантастической.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.