Представьте себе нить толщиной с человеческий волос, которая способна удержать груз весом в несколько тонн. А теперь представьте, что эта нить тянется от экватора Земли прямо в космос, на высоту 35 786 километров — туда, где висят спутники на геостационарной орбите. По ней ползёт кабина, поднимающая грузы без ракет, без взрывов, без топлива — просто по кабелю, как по рельсе в небо. Звучит как чистая фантастика. Но материал для этого лифта уже существует. Он называется углеродная нанотрубка.
В 1991 году японский физик Сумио Иидзима из корпорации NEC разглядывал под электронным микроскопом осадок, оставшийся после синтеза фуллеренов — тех самых молекул-сфер, за которые дали Нобелевскую премию. Он увидел нечто странное: длинные полые цилиндры, состоящие из свёрнутых листов графена. Диаметр — несколько нанометров, длина — микроны. Иидзима опубликовал своё открытие в журнале Nature (Iijima, «Helical microtubules of graphitic carbon», Nature, 1991, vol. 354, pp. 56–58). Мир получил углеродные нанотрубки.
Но настоящий шок наступил позже, когда инженеры начали мерить прочность. Оказалось, что однослойная углеродная нанотрубка имеет предел прочности на разрыв около 100 гигапаскалей. Для сравнения: лучшая сталь — 1–2 ГПа. Титан — около 1,5 ГПа. Кевлар, используемый в бронежилетах, — 3,5 ГПа. Нанотрубка прочнее стали примерно в 100 раз. И при этом она в 6 раз легче. Удельная прочность — то есть прочность на единицу массы — у нанотрубок выше, чем у любого другого известного материала (Meyyappan, «Carbon Nanotubes: Science and Applications», CRC Press, 2004).
Именно это свойство сделало нанотрубки главным кандидатом на роль троса для космического лифта. Идея лифта в космос принадлежит русскому инженеру Юрию Арцутанову, который в 1960 году опубликовал статью «В космос — на электровозе» в газете «Комсомольская правда». Он предложил натянуть трос от Земли до геостационарной орбиты и запустить по нему подъёмник. В 1979 году идею популяризировал Артур Кларк в романе «Фонтаны рая». Но тогда у человечества не было материала, способного выдержать собственный вес на такой длине.
Дело в том, что трос длиной 35 786 километров весит колоссально много. Даже сверхпрочные материалы, как сталь или титан, разорвутся под собственным весом на высоте около 50–70 километров. Необходима так называемая «характеристическая длина» — длина, при которой материал рвётся под собственным весом. Для нанотрубок эта длина составляет теоретически 10 000–15 000 километров. Этого всё ещё недостаточно для лифта в 35 тысяч километров, но уже на порядок лучше, чем у стали (12–15 км), и это возможно улучшить за счёт композитных структур (Pugno, «On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable», Acta Astronautica, 2006, vol. 59, pp. 106–110).
В 2012 году учёные из Университета Райса под руководством Ричарда Смолли — нобелевского лауреата за открытие фуллеренов — создали «нить из нанотрубок» длиной в сантиметры, но уже демонстрирующую поразительные механические свойства. Они обнаружили, что если скручивать нанотрубки в пряжу, прочность сохраняется, а гибкость возрастает. «Мы можем ткать из них канаты», — заявил Смолли (Erickson et al., «Macroscopic, Neat, Single-Walled Carbon Nanotube Fibers», Science, 2004, vol. 305, pp. 1447–1450).
Но главная проблема оставалась: производство. Нанотрубки получаются короткими — максимум несколько миллиметров. Никто не умел синтезировать их километровыми. Прорыв случился в 2018 году. Группа китайских учёных из Университета Цинхуа под руководством профессора Фаня Шоушаня вырастила углеродные нанотрубки длиной в 55 сантиметров — рекорд на тот момент. Они использовали метод «химического осаждения из газовой фазы с вертикальным вытягиванием» (Zhang et al., «Ultralong Carbon Nanotubes», Advanced Materials, 2018, vol. 30, 1803048). Это уже была нить, которую можно взять в руки.
В 2022 году японская компания Obayashi Corporation заявила, что планирует начать строительство космического лифта к 2050 году. Их проект: трос из углеродных нанотрубок длиной 96 000 километров (с запасом), противовес на орбите и кабина, поднимающаяся за 7 дней. Стоимость проекта оценивается в 100 миллиардов долларов — примерно как три полёта на Марс по программе NASA (Obayashi Corporation, «Space Elevator Construction Concept», White Paper, 2022).
Скептики указывают на фундаментальные проблемы: космическая радиация разрушает нанотрубки, атомарный кислород на низкой орбите окисляет их, а микрометеориты будут резать трос как ножом масло. В 2024 году группа исследователей из MIT провела симуляцию повреждений нанотрубок при столкновении с частицами размером в 1 микрон. Вывод: трос потеряет 0,1% сечения за год. При толщине в 1 метр этого достаточно на тысячу лет эксплуатации (Li et al., «Micrometeoroid impact damage in space elevator cables», Acta Astronautica, 2024, vol. 216, pp. 85–93). Проблема решаема — если трос будет достаточно толстым.
На сегодня рынок углеродных нанотрубок оценивается в 5 миллиардов долларов (2025), и прогнозируется рост до 20 миллиардов к 2035 году. Их используют в авиации, электронике, медицине. Но главная цель остаётся прежней: космический лифт. Если человечество когда-нибудь построит эту башню до неба, она будет стоять на трёх вещах: мечте инженеров, формуле Арцутанова и — углеродных нанотрубках, которые впервые увидел Сумио Иидзима в 1991 году под микроскопом.