Далее вы узнаете: кто придумал космический лифт, как он будет устроен, кто сегодня на коммерческой основе планирует производить эти лифты, зачем козе внедрили ген паука, какую роль в космическом лифте может сыграть астероид на орбите Земли и есть ли вообще будущее у этого проекта? В следующих постах мы поговорим о Сфере Дайсона, Варп-двигателе и многом другом, что изначально было придумано, как футуристические концепции, однако оказались вполне реалистичными.
Присоединяйтесь к нашему телеграм-каналу https://t.me/wrtrnts
Мы пишем о Вселенной на доступном языке, делимся интересной научной фантастикой и новостями из мира наук, которые помогут вам лучше разобраться как устроен мир, законы Вселенной, откуда мы произошли и, возможно, куда мы все идем!
ИСТОРИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА
Идея лифта очень проста: её основной компонент - это трос, который нижним концом закреплен на экваторе Земли на неподвижной или подвижной платформе, а своим вторым концом уходит на геостационарную орбиту земли (высота 35 786 км, далее просто ГСО). Как вы знаете, ГСО отличается своим постоянством, а значит согласно законам физики и расчетам ученых верхний конец троса будет двигаться вместе с вращением планеты и вся конструкция будет оставаться стабильной. Сегодня НАСА уже прорабатывает концепции такого лифта. Главное преимущество лифта в том, что это удешевит доставку грузов и космонавтов на орбиту. Вообщем, не надо будет больше тренировать космонавтов, а даже самый обычный человек без нагрузок на организм сможет выйти в космос. Доставка неограниченного числа грузов конечно тоже является значимым преимуществом в будущем. Сегодня доставка грузов очень дорогая, да и экологии вредит серьезно. Вообщем, лифту рано или поздно быть, ибо альтернативы слишком дороги.
Самые ранние модели таких лифтов были предложены двумя русскими учеными. Так в своем сборнике 1895 года «Сны о Земле и небе» Константин Циолковский представил себе огромную небесную лестницу для достижения звезд как способ преодоления гравитации. Спустя десятилетия, в 1960 году, Юрий Арцутанов независимо разработал концепцию «Космической железной дороги», космического лифта, привязанного к орбитальному спутнику к якорю на экваторе, стремясь обеспечить более безопасную и эффективную альтернативу ракетам. В 1966 году Джон Айзекс представил концепцию «Небесного крюка», предложив спутник на геостационарной орбите с кабелем, тянущимся к Земле.
Концепция космического лифта достигла Америки в 1975 году, когда Джером Пирсон начал исследовать эту идею, вдохновленный речью Артура Кларка 1969 года перед Конгрессом. Он разработал проект «Орбитальной башни», предназначенной для использования энергии вращения Земли для транспортировки грузов на низкую околоземную орбиту. Его научная публикация об этом проекте в журнале Acta Astronautica прикреплены к моему посту.
В 1999 году состоялась первая научная конференция NASA на эту тему. В 2000 был сделан вывод, что космический лифт не может быть построен по крайней мере еще 50 лет из-за проблем с материалом кабеля, его развертыванием и обслуживанием. Эти выводы я также прикрепил к посту.
Результатом разгоревшийся широкой дискуссии в научных кругах при активной поддержки НАСА стал выход книги в 2003 году «Космический лифт: революционная система транспортировки с Земли в космос» (Эдвардс и Вестлинг).
В 2005 году была создана коммерческая компания по производству космических лифтов LiftPort (https://www.liftport.com), она обещала запустить космический лифт в 2018 году, но позднее этот срок был перенесён на 2031 год. В 2014 году группа Google X's Rapid Evaluation R&D начала проектировать Космический лифт. Однако проект был в итоге также поставлен на заморозку, так как пока еще никому не удалось создать основу троса из углеродной нанотрубки длиной более метра.
Поговорим о сооружении сей конструкции
Горизонтальная скорость груза, поднимаемого на этом лифте из-за орбитального вращения будет постоянно увеличиваться с высотой. Когда груз достигает ГСО, горизонтальная скорость груза будет равна скорости круговой орбиты на этом уровне, так что если его отпустить, он останется рядом с этой точкой на тросе. Груз также может продолжать подниматься дальше по тросу за пределы ГСО, что позволяет ему получить более высокую скорость. Если груз отпустить с высоты 100 000 км, у него будет достаточно скорости, чтобы достичь пояса астероидов.
При скорости очень быстрого автомобиля или поезда в 300 км/ч лифту потребуется около 5 дней, чтобы подняться на ГСО.
КОМПОНЕНТЫ ЛИФТА
Космический лифт состоит из следующих компонентов: базовая станция на Земле (якорь), трос, подъемник и противовес. Не маловажен вопрос, закончится ли трос на уровне ГСО или его имеет смысл продлить? Так современные концепции в основном склоняются к тому, что трос должен быть продлен значительно дальше. В проекте космолифта Пирсона длина троса составит 144 000 км (примерно в 3 раза выше ГСО), а значит к его концу скорость груза составит 10,93 километра в секунду. Этого более чем достаточно, чтобы вырваться из гравитационного поля Земли и отправлять зонды по крайней мере на такое расстояние, как Юпитер совершенно бесплатно (ну то есть без дополнительных затрат). Оказавшись на Юпитере, гравитационный маневр может позволить достичь скорости выхода за пределы Солнца.
БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ
Современные концепции базовой станции/якоря обычно представляют собой мобильные станции, большие океанские суда или другие мобильные платформы. Мобильные базовые станции будут иметь преимущество перед более ранними стационарными концепциями (с наземными якорями), поскольку смогут маневрировать, чтобы избегать сильных ветров, штормов и космического мусора.
Стационарные наземные платформы имели бы более простой и менее затратный логистический доступ к базе. Они также имели бы преимущество в том, что могли бы находиться на больших высотах, например, на вершинах гор, что позволит сократить как длину троса, так и размеры противовеса.
ПРОТИВОВЕС
Это наверно самая главная часть! Дело в том, что трос должен сужаться от ГСО до базовой станции. Исторически основной технической проблемой космолифта считалась способность троса удерживать с натяжением собственный вес. Наибольшее натяжение на кабеле космического лифта возникает в точке ГСО (35 786 км) над экватором Земли. Материал троса должен быть суперпрочным. Если бы захотели сделать трос из стали, то ширина платформы на уровне ГСО должна была бы быть просто астрономической: 4 на 10 в 113 степени метров. В этом этом случае на уровне Земли трос мог бы иметь диаметр всего 1 м. Но выход есть - углеродные нанотрубки и другие современные материалы. Подойдет даже паутина пауков. Но об этом подробнее расскажу в разделе про трос.
Для противовеса было предложено также несколько решений: тяжелый, захваченный астероид либо космический док, космическая станция или космодром, расположенный за ГСО. Кстати, чисто психологически наличие немаленького астероида на орбите Земли может испугать землян, а вдруг он упадет?
ТРОС
Трос космического лифта должен был бы выдерживать собственный вес, а также дополнительный вес подъемников. Требуемая прочность троса будет меняться по его длине. Это связано с тем, что в разных точках он должен был бы выдерживать вес троса внизу. Максимальное натяжение троса космического лифта было бы на ГСО, поэтому трос там должен был бы быть самым толстым и сужаться по мере приближения к Земле. Любая потенциальная конструкция троса будет конусной. Материал троса должен иметь высокое отношением прочности на разрыв к его плотности. В общем необходим материал с очень высокой прочностью и легкостью. На сегодняшний день есть следующие материалы: сталь, паутина, углеволокно, углеродные нанотрубки. Современные волокнистые материалы, такие как кевлар, стекловолокно и углеродное/графитовое волокно, а также углеродные нанотрубки и, недавно обнаруженные, графеновые ленты, уже приближаются к необходимым для проекта космолифта. А в 2014 году были впервые синтезированы алмазные нанонити, которые рассматриваются в качестве потенциального материала.
Так если бы мы смогли получить необходимое количество паучьего шелка, то ее прочности хватило бы для создания троса, диаметром 25 км у ГСО и всего 1 м на уровне Земли, а вот трос из углеродной нанотрубки был бы всего 30 см у ГСО и 1 см у поверхности Земли.
Любопытно, что в итоге появились весьма экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах». С помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко генномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока не известно, хотя такие разработки ведутся.
ПОДЪЕМНИК
Подъемник движется по тросу от Земли до СГО с полезным грузом и потом назад для того, чтобы забрать следующий груз. Лифт может содержать множество подъемников. Рассмотрим, какие силы на него действуют и за счет чего, лифт ускоряется. Космический лифт не может быть лифтом в типичном смысле (с движущимися кабелями) из-за того, что кабель значительно шире в СГО, чем у Земли. В конструкциях лифтов, тросы которых представляют собой плоские ленты, большинство существующих концепций предлагают использовать пары роликов для удержания троса трением.
Когда полезный груз поднимается на космическом лифте, он приобретает не только высоту, но и горизонтальную скорость (угловой момент). Угловой момент берется из вращения Земли. Когда альпинист поднимается, он изначально движется медленнее, чем каждая последующая часть троса, по которому он движется. Эта происходит из-за действия так называемой силы Кориолиса.
Общий эффект центробежной силы, действующей на трос, заставит его постоянно пытаться вернуться в энергетически выгодную вертикальную ориентацию (из-за действия силы Кориолиса трос будет немного отклоняться), поэтому после того, как объект будет поднят на тросе, противовес будет покачиваться немного как маятник. Операции по подъему и спуску должны быть тщательно спланированы, чтобы держать маятниковое движение противовеса под контролем.
За счет чего подъемник будет подниматься вверх?
- Беспроводная передача энергии во время восхождения. Уже сегодня есть такое решение: лазерное излучение в настоящее время считается наиболее вероятным методом. Используя мегаваттные лазеры на свободных электронах или твердотельные лазеры с фотоэлектрической решеткой на подъемнике, настроенной на частоту лазера.
- Можно передавать энергию через какую-либо материальную структуру во время его восхождения. Такое теоретическое решение уже тоже существует. Так если в качестве материала троса будут использованы графеновые ленты, то они также способны проводить электроэнергию.
- Источник энергии самого подъемника. Требуется чрезвычайно высокая удельная энергия, например, от атомной батареи.
- Солнечной энергии будет достаточно уже после первых 40 км.
Как будем строить лифт?
Наиболее выгодно вести строительство с ГСО. Один конец троса будет опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, — в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть доставлены на ГСО традиционным способом. То есть, стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту — минимальная цена проекта.
Один из планов строительства использует обычные ракеты для размещения начального кабеля «минимального размера» весом всего 20 тонн. Эта первая очень маленькая лента будет достаточной для поддержки первого подъемника весом 619 кг. Первые 207 подъемников поднимут и прикрепят больше кабеля к исходному, увеличив площадь его поперечного сечения и расширив начальную ленту примерно до 160 мм в самой широкой точке. Результатом будет 750-тонный кабель с грузоподъемностью 20 тонн на 1 подъемник.
Какими будут космические лифты у других объектов (Марс, Луна)?
О, там все намного проще, ибо нет такой сильной гравитации, как у Земли. Марсианский трос может быть намного короче земного. Поверхностная гравитация Марса составляет 38 процентов от земной, а его вращение вокруг своей оси примерно за то же время, что и у Земли. Из-за этого стационарная орбита Марса находится гораздо ближе к поверхности, и, следовательно, лифт может быть намного короче. Современные материалы уже достаточно прочны, чтобы построить такой лифт. Строительство марсианского лифта будет осложнено марсианским спутником Фобосом , который находится на низкой орбите и регулярно пересекает экватор (дважды за каждый орбитальный период). Фобос и Деймос могут помешать лифту; с другой стороны, они могут внести полезные ресурсы в проект. Прогнозируется, что Фобос будет содержать большое количество углерода. Если углеродные нанотрубки станут пригодными для материала троса, то вблизи Марса будет изобилие углерода. Это может обеспечить легкодоступные ресурсы для будущей колонизации.
На Луне стационарной орбиты нет, однако для строительства лифта можно использовать точки Лагранжа L1 и L2 (59 548 км, то есть длина троса будет длиннее), при этом основание лифта должно находиться в центре видимой или обратной стороны Луны, соответственно.
На Венере и Меркурии сооружение лифта невозможно из-за их крайне медленного вращения.
Легче всего построить космический лифт на астероиде. Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной. Однако поскольку их орбиты не являются точным кругом, потребуется устройство для постоянного изменения длины такого лифта. Лифт в этом случае можно использовать не только для вывода грузов в космос, но и для «межпланетных поездок».
Как насчет безопасности лифта?
Угрозу ему представляют возможные ветра и ураганы в нижней части атмосферы, а также самолеты. Далее необходимо противостоять ударам со стороны космического мусора и иных космических объектов, таких как метеороиды, микрометеориты. Это создает еще одно ограничение конструкции кабеля. Кабель должен быть спроектирован так, чтобы уходить от мусора или поглощать удары небольшого мусора без разрыва.
Экономика
С космическим лифтом материалы могут быть отправлены на орбиту за часть текущей стоимости. По состоянию на 2022 год обычные конструкции ракет стоят около 12 125 долларов США за килограмм для перевода на ГСО. Текущие предложения по космическому лифту предусматривают цены на полезную нагрузку, начиная с 220 долларов США за килограмм. Филип Раган, соавтор книги «Покинуть планету на космическом лифте» , утверждает, что «страна, которая первой запустит космический лифт, получит 95-процентное преимущество в затратах и потенциально сможет контролировать всю космическую деятельность».
Присоединяйтесь к нашему телеграм-каналу https://t.me/wrtrnts
Мы пишем о Вселенной на доступном языке, делимся интересной научной фантастикой и новостями из мира наук, которые помогут вам лучше разобраться как устроен мир, законы Вселенной, откуда мы произошли и, возможно, куда мы все идем!
