Представьте, что вы заходите в кабину, нажимаете кнопку «орбита» и начинаете плавный подъем. За окном медленно уплывает вниз земная твердь, сменяясь тонкой голубой пеленой атмосферы, а затем — абсолютной чернотой, усыпанной немигающими алмазами звезд. Ни оглушительного рева двигателей, ни чудовищных перегрузок, прижимающих к креслу. Только легкий гул механизмов и, возможно, навязчивая музыка из динамиков. Это не сцена из фантастического романа. Ученые и инженеры по всему миру всерьез работают над тем, чтобы космический лифт из мечты превратился в реальность.
Идея космического лифта витала в умах ученых и фантастов больше века. В 1895 году Константин Циолковский, вдохновленный новоиспеченной Эйфелевой башней, описал «небесный замок» на геостационарной орбите. Однако настоящую популярность концепция обрела благодаря Артуру Кларку и его роману «Фонтаны Рая» 1979 года. Десятилетиями эта концепция оставалась чистой теорией — у нас попросту не было материалов, чтобы ее реализовать. Сила тяжести и космические силы разорвали бы любой известный человечеству трос. Но сегодня, с появлением наноматериалов и ростом космических амбиций новых игроков, таких как Япония и Китай, эта фантазия обретает черты реального инженерного проекта.
Где будет располагаться основание необычного лифта? Возможно, в Индонезии. Или в Бразилии. Или на гигантской барже, качающейся на волнах Тихого океана. Точное место еще не выбрали, но ясно одно — где-то на экваторе вскоре может вырасти самое высокое сооружение на планете, которое будет буквально упираться в космос, вращаясь вместе с Землей вокруг Солнца.
Для небольшого, но преданного сообщества инженеров это — будущее космических путешествий. Современный Вавилонский столп, способный доставлять людей и грузы прямо на низкую околоземную орбиту. Никаких зрелищных запусков с обратным отсчетом и оглушительными взрывами. Вместо этого — монотонная фоновая музыка на протяжении всего подъема и неловкое молчание между пассажирами, пока кабина набирает скорость в 100 километров в час. Зрелищности мало, но этот недостаток с лихвой компенсирует дешевый и экологически чистый доступ к звездам.
Еще недавно космический лифт существовал лишь на страницах книг. Проблемы казались непреодолимыми: как найти материал, достаточно прочный для такого сооружения, и как вообще доставить его в космос? Однако за последние несколько лет ситуация изменилась. В сентябре 2019 года японская команда запустила эксперимент по испытанию тросовой системы между двумя спутниками на орбите — это первый шаг к проверке ключевых технологий. Крупная японская строительная корпорация Obayashi поставила амбициозную цель — разработать реальный космический лифт к 2050 году. Китай, не желая отставать, наметил еще более дерзкий план — построить свой лифт к 2045 году.
Как же это будет работать? В основе концепции лежит простой физический принцип. Любой объект на орбите Земли, от искусственного спутника до Луны, испытывает действие центробежной силы, которая направлена противоположно силе гравитации. Чем выше орбита, тем сильнее центробежная сила и слабее притяжение. Чтобы объект не улетел в глубокий космос и не упал обратно на Землю, эти две силы должны уравновешивать друг друга.
Чтобы верхняя точка лифта не смещалась относительно поверхности Земли, она должна вращаться с той же скоростью, что и планета. Это значит, что ее центр масс должен находиться на высоте 36 тысяч километров — на геостационарной орбите. Однако Циолковский и Кларк представляли себе башню или трос именно до этой высоты. Современные расчеты показывают, что для стабильной работы лифту нужен противовес, расположенный гораздо дальше в космосе. Без него масса троса и кабин сместит центр масс всей конструкции ниже, нарушив хрупкое равновесие. Финальный трос должен будет протянуться почти на 100 тысяч километров — это четверть расстояния до Луны — и обладать колоссальной прочностью, чтобы выдерживать вес поднимаемых спутников, астронавтов и туристов.
Обеспечение безопасности такой грандиозной структуры потребует нестандартных решений. Чтобы уберечь трос от разрушения ураганными ветрами, инженеры предлагают разместить его наземную базу у экватора, где штормовая активность минимальна. А чтобы минимизировать риск столкновения с космическим мусором и отработавшими спутниками, основание лучше сделать подвижным — например, разместить на огромной платформе в океане.
— Вам придется уворачиваться от спутников, уклоняться от обломков космического мусора, — объясняет консультант по космическим лифтам Брэд Эдвардс. — Это будет похоже на мультяшного официанта, который ловко носит гигантскую гору тарелок
Отдельная головная боль — организация движения кабин. Чтобы отработать логистику и убедиться, что никто не застрянет между этажами на высоте в 50 тысяч километров, японские исследователи в сентябре отправили на Международную космическую станцию миниатюрный прототип лифта. Два спутника размером всего 10 сантиметров, соединенные стальным тросом длиной 11 метров, должны переправлять крошечную кабинку туда и обратно, пока ученые с Земли наблюдают за поведением системы.
Йошио Аоки из Колледжа науки и технологий Университета Нихон утверждает, что, несмотря на скромные масштабы, эксперимент имитирует ключевой принцип развертывания полноценного космического лифта.
— Если эта миссия увенчается успехом, это докажет осуществимость всей концепции, — заявляет ученый.
Как же можно доставить в космос и развернуть трос длиной в десятки тысяч километров? У Брэда Эдвардса есть ответ. Нужно вывести на орбиту спутник, начиненный тысячами километров сверхпрочной ленты, и начать медленно спускать этот груз к поверхности Земли. Затем по этому первому, тонкому тросу отправить вверх механический подъемник, который будет тянуть за собой вторую, более прочную ленту. Процесс нужно повторить снова и снова, используя все более мощные подъемники и добавляя новые слои лент, пока на орбите не вырастет надежный кабель, соединяющий Землю с кладбищем отработавших подъемников в небе.
Эти старые подъемники получат вторую жизнь — они послужат тем самым критически важным противовесом, который не даст центру масс лифта опуститься ниже геостационарной орбиты. Ранние проекты предлагали в качестве противовеса использовать специально доставленные астероиды или сеть, наполненную старыми спутниками. Но Эдвардс видит пользу в переработке.
— Вы получаете несколько сотен тонн материала на верхнем конце, и это отлично работает как противовес для ленты, — говорит он
Все эти планы упираются в один фундаментальный вопрос: из чего, собственно, делать этот трос? Вся конструкция ниже геостационарной орбиты будет тянуть лифт вниз, а все, что выше — вверх. В результате трос испытает чудовищное напряжение. Теоретически, можно использовать любой материал, если сделать кабель достаточно толстым, говорит Никола Пуньо из Университета Тренто в Италии. Но на практике это нереально. Обычный стальной трос должен быть шириной почти в световой год, чтобы не порваться под собственной тяжестью.
Надежда — на новые сверхпрочные материалы. Эдвардс уверен, что они уже существуют.
— Мы еще не продаем такой канат, но материалы уже есть, — утверждает он.
Главный претендент — углеродные нанотрубки, крошечные цилиндры, свернутые из двумерных листов атомов углерода. Впервые их создали в 1991 году, и мощные связи между атомами дают каждой отдельной трубке прочность, теоретически достаточную для удержания космического лифта.
Проблема в том, что самые длинные из созданных нанотрубок достигают в длину всего нескольких сантиметров — для космического путешествия маловато. Чтобы они стали полезны, их нужно сплести в канаты, а в этом процессе неизбежно возникают дефекты и слабые точки. Руфань Чжан из Университета Цинхуа в Пекине нашел способ преодолеть эти слабости, но его метод пока остается кустарным и крайне сложным для масштабирования. Однако ученый не сдается.
— Я верю, что мечта о космическом лифте осуществится после многих лет упорной работы в этой области, — заявляет он.
Другой кандидат — графен, двумерная решетка из атомов углерода, которую впервые получили, отрывая скотч от графита в карандаше. Его открыли в 2004 году, и с тех пор его называют материалом будущего. Космический лифт может стать тем проектом, который утвердит его славу. В 2018 году команда из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США вырастила единые кристаллы графена шириной 5 сантиметров и длиной около 30 сантиметров. В принципе, целый трос можно изготовить таким способом, но на это могут уйти десятилетия.
Зачем же нужны все эти титанические усилия? Для Питера Свона, президента Международного консорциума космического лифта, ответ прост — чтобы спасти мир.
— Когда вы обеспечиваете масштабируемый, недорогой и надежный доступ в космос, — говорит он, — открываются возможности, которые принесут пользу всем жителям Земли.
Сегодня перевозка людей и грузов в космос баснословно дорога. Программа Space Shuttle от NASA обходилась в 1,5 миллиарда долларов за полет, требовала миллионов литров топлива и засоряла атмосферу опасными выбросами. По оценкам Эдвардса, строительство космического лифта обойдется примерно в 15 миллиардов долларов, а для его работы потребуется минимум внешней энергии. Необходимую мощность — для подъема кабин и корректировки движения противовеса — можно будет получать прямо от солнца через солнечные панели на подъемниках. Или, если кто-то захочет прокатиться на лифте ночью, с помощью гигантских высокомощных лазеров, которые будут передавать энергию прямо с Земли.
С такими потенциальными выгодами неудивительно, что Япония и Китай активно продвигают свои проекты. Что же мешает другим странам последовать их примеру? Эдвардс считает, что главное препятствие — отсутствие политической воли. Другие эксперты указывают на недостаток интереса со стороны общества.
— Есть консенсус в том, что люди хотят лететь на Марс прямо сейчас или колонизировать Луну, — говорит Никола Пуньо. — Но я не уверен, что они хотят иметь космический лифт.
Эдвардс также полагает, что, несмотря на всю их опасность, дороговизну и вред для экологии, некоторые люди просто слишком любят ракеты, чтобы от них отказываться.
— Я сижу на совещаниях о космическом доступе вместе с людьми, которые строят ракеты, и у них нет абсолютно никакого интереса к постройке космического лифта, — констатирует он.
Однако Питер Сван сохраняет оптимизм.
— Вспомните историю, — говорит он. — В 1903 году в The New York Times вышла статья, где оценивали, что «математикам и механикам» понадобится от одного до десяти миллионов лет, чтобы достичь управляемого полета. Спустя несколько недель братья Райт поднялись в воздух.
Post Scriptum
Космический лифт перестал быть чистой фантастикой. Он превратился в сложнейшую, но решаемую инженерную задачу. У нас уже есть теоретические обоснования, работающие прототипы и даже примерные сроки от двух ведущих космических держав. Главные вызовы сегодня — не законы физики, а технологии производства материалов и, как это часто бывает, политическая и инвестиционная воля. Если человечество сумеет их преодолеть, мы получим не просто новый способ попасть на орбиту. Мы получим настоящий мост в космос, который навсегда изменит наше будущее, сделав звезды доступными для науки, бизнеса и, возможно, для каждого из нас. Осталось лишь нажать на кнопку «вызов».
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости