Хотя постройка космического лифта находится уже в пределах наших инженерных возможностей, страсти вокруг этого сооружения в последнее время, к сожалению, поутихли. Причина в том, что учёные пока никак не могут получить технологию для производства углеродных нанотрубок нужной прочности в промышленных масштабах.
Идею безракетного вывода грузов на орбиту предложил тот же самый человек, который основал и теоретическую космонавтику – Константин Эдуардович Циолковский. Вдохновившись увиденной в Париже Эйфелевой башней, он описал своё видение космического лифта в виде башни огромной высоты. Её верхушка как раз находилась бы на геоцентрической орбите.
Лифт-башня основывается на прочных материалах, препятствующих сжатию – но современные идеи космических лифтов всё же рассматривают версию с тросами, которые должны быть прочными на растяжение. Такую идею впервые предложил в 1959 году ещё один русский учёный, Юрий Николаевич Арцутанов . Впервые научная работа с подробными расчётами по космическому лифту в виде троса была опубликована в 1975 году, а в 1979 Артур Кларк популяризовал её в своём произведении «Фонтаны рая».
Хотя нанотрубки в данный момент признаются самым прочным материалом, и единственным, подходящим для постройки лифта в виде троса, тянущегося с геостационарного спутника, прочности получаемых в лаборатории нанотрубок пока не хватает до расчётной.
Теоретически прочность нанотрубок должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Для космического лифта необходимы материалы с прочностью 65-120 ГПа.
В конце прошлого года на крупнейшем американском фестивале документальных фильмов DocNYC был показан фильм Sky Line , в котором описаны попытки инженеров из США построить космический лифт – включая участников конкурса X-Prize от НАСА.
Главными героями фильма выступают Брэдли Эдвардс и Майкл Лэйн . Эдвардс – астрофизик, работавший над идеей космического лифта с 1998 года. Лэйн – предприниматель и основатель компании LiftPort, пропагандирующей коммерческое использование углеродных нанотрубок.
В конце 90-х и начале 2000-х Эдвардс, получив гранты от НАСА, плотно разрабатывал идею космического лифта, рассчитывая и оценивая все аспекты проекта. Все его расчёты показывают, что эта идея осуществима – если только появится достаточно прочное для троса волокно.
Эдвардс какое-то время заключал партнёрское соглашение с LiftPort для поисков финансирования проекта лифта, но из-за внутренних разногласий проект так и не состоялся. LiftPort закрылась в 2007 году – хотя годом ранее, в рамках доказательства работоспособности некоторых своих технологий, успешно продемонстрировала робота , карабкающегося по вертикальному тросу в милю длиной, подвешенному на воздушных шарах.
Что частный космос, сконцентрировавшийся на повторно используемых ракетах, может полностью вытеснить разработку космического лифта в обозримом будущем. По его словам, космический лифт привлекателен только тем, что предлагает более дешёвые способы доставки грузов на орбиту, а многоразовые ракеты разрабатываются именно для удешевления этой доставки.
Эдвардс же винит в стагнации идеи отсутствие реальной поддержки проекта. «Именно так выглядят проекты, которые сотни людей, разбросанные по всему миру, разрабатывают в качестве хобби. Никакого серьёзного прогресса достигнуто не будет, пока не появится реальной поддержки и централизованного управления».
Иная ситуация с разработкой идеи космического лифта в Японии. Страна славится наработками в области робототехники, а японский физик Сумио Иидзима считается пионером в области нанотрубок. Идея космического лифта здесь является чуть ли не национальной.
Японская компания Обаяши клянётся к 2050 году представить работающий космический лифт. Руководитель компании, Йожи Ишикава рассказывает, что они работают с частными подрядчиками и местными университетами в целях улучшения существующей технологии получения нанотрубок.
Ишикава говорит, что хотя компания понимает всю сложность проекта, они не видят принципиальных препятствий для его осуществления. Также он считает, что популярность идеи космического лифта в Японии вызвана необходимостью наличия какой-то национальной идеи, сплачивающей людей на фоне тяжёлого экономического положения последней пары десятков лет.
Ишикава уверен, что хотя идея такого масштаба, скорее всего, может быть реализована только путём международного сотрудничества, Япония вполне может стать её локомотивом благодаря большой популярности космического лифта в стране.
Тем временем канадская космическая и оборонная компания Thoth Technology США № 9085897 на их вариант космического лифта. Точнее, концепция предусматривает постройку башни, которая сохраняет жёсткость благодаря сжатому газу.
Башня должна доставлять грузы на высоту в 20 км, откуда они уже будут выводиться на орбиту при помощи обычных ракет. Такой промежуточный вариант, по расчётам компании, позволит экономить до 30% топлива, по сравнению с ракетой.
По теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и . НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу . Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей .
1 / 5
✪ КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ, НАШ БИЛЕТ В КОСМОС!
✪ Космический лифт на Луну | Большой скачок
✪ Космический лифт. Мечта и реальность. Или фантастика?
✪ В Канаде построят 20-километроый космический лифт
✪ Космический лифт (читает Александр Котов)
Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немного выше.
Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.
По заявлениям некоторых учёных , даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу . Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.
В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.
Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу , удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:
A (r) = A 0 exp [ ρ s [ 1 2 ω 2 (r 0 2 − r 2) + g 0 r 0 (1 − r 0 r) ] ] {\displaystyle A(r)=A_{0}\ \exp \left[{\frac {\rho }{s}}\left[{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\omega ^{2}(r_{0}^{2}-r^{2})+g_{0}r_{0}(1-{\frac {r_{0}}{r}})\right]\right]}Здесь A (r) {\displaystyle A(r)} - площадь сечения троса как функция расстояния r {\displaystyle r} от центра Земли.
В формуле используются следующие константы:
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть: A (r G E O) A 0 = exp [ ρ s × 4 , 832 × 10 7 m 2 s 2 ] {\displaystyle {\frac {A(r_{\mathrm {GEO} })}{A_{0}}}=\exp \left[{\frac {\rho }{s}}\times 4,832\times 10^{7}\,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \right]}
Подставив сюда плотность и прочность для различных материалов и разного диаметра троса на уровне Земли, мы получим таблицу диаметров троса на уровне ГСО. Следует учесть, что расчет велся из условия, что лифт будет стоять «сам по себе», без нагрузки - поскольку материал троса уже испытывает растяжение от собственного веса (причем эти нагрузки близки к максимально допустимым для данного материала).
| Материал | Плотность ρ {\displaystyle \rho } , кг÷м 3 | Предел прочности s {\displaystyle s} , Па | Диаметр троса на уровне Земли | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 мм | 1 см | 10 см | 1м | |||
| Сталь Ст3 горячекатаная | 7760 | 0.37·10 9 | 1.31·10 437 | 1.31·10 438 | 1.31·10 439 | 1.31·10 440 |
| Сталь высоколегированная 30ХГСА | 7780 | 1.4·10 9 | 4.14·10 113 | 4.14·10 114 | 4.14·10 115 | 4.14·10 116 |
| Паутина | 1000 | 2.5·10 9 | 0.248·10 6 | 2.48·10 6 | 24.8·10 6 | 248·10 6 |
| Современное углеволокно | 1900 | 4·10 9 | 9.269·10 6 | 92.69·10 6 | 926.9·10 6 | 9269·10 6 |
| Углеродные нанотрубки | 1900 | 90·10 9 | 2.773·10 -3 | 2.773·10 -2 | 2.773·10 -1 | 2.773 |
Таким образом, построить лифт из современных конструкционных сталей нереально. Единственный выход - искать материалы с более низкой плотностью и/или очень высокой прочностью.
Например, в таблицу включена паутина (паучий шелк). Существуют различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах» . В последнее время появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко геномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно. Но, по словам прессы, такие разработки ведутся
Ещё одно перспективное направление - углеволокно и углеродные нанотрубки . Углеволокно успешно применяется в промышленности уже сегодня. Нанотрубки обладают примерно в 20 раз большей прочностью, но технология получения этого материала пока не вышла из лабораторий . Таблица строилась из предположения, что плотность троса из нанотрубок такая же, как из углеволокна.
Ниже перечислены ещё несколько экзотических способов построения космического лифта:
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида , космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости . Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).
Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на существенно большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю.
В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение [ ] , так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.
К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина таким образом может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъёме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится.
При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну . Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему . Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта.
Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
Космический лифт можно строить и на других планетах. Причём чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.
Можно также протянуть космический лифт между двумя небесными телами, которые вращаются друг вокруг друга и постоянно повёрнуты друг к другу одной стороной (например, между Плутоном и Хароном или между компонентами двойного астероида (90) Антиопа . 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».
Строительство ведётся с геостационарной станции. Один конец 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 геостационарную орбиту традиционным способом. То есть стоимость доставки всего космического лифта на геостационарную орбиту - минимальная цена проекта.
Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к расширению рынка.
Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.
Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.
В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games , организованные фондом Spaceward при поддержке NASA . В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса - 100 м, минимальная скорость - 2 м/с скорость которой нужно добиться 10 м/с). Лучший результат 2007 года - преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.
Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.
В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 граммов, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.
В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату , натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъёмником на сайте Kickstarter . В зависимости от собранной суммы планируется подъём робота на 2 или более километров .
В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель - подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.
Космический лифт является не единственным из проектов, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Одним из таких проектов является Orbital Skyhook (орбитальный крюк). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите, и быстро вращается вокруг своей средней части. За счет этого один конец троса движется относительно Земли со сравнительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов. При этом конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетической энергии. Достоинством проекта Skyhook является её реализуемость уже при существующих технологиях. Недостатком является то, что на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.
Проект Stratosphere Network of Skyscrapers (Стратосферная сеть небоскрёбов). Проект представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединённых в шестигранники, покрывающую всю планету. При переходе на следующие этапы строительства, опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нём стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.
Какой же мальчишка не мечтает стать космонавтом? Однако осуществить эту мечту удается лишь единицам людей во всем мире, а отправиться в частный космический полет могут только очень богатые люди. Но в 2050 году на орбиту сможет попасть практически любой желающий. Ведь Япония
обещает к этому времени запустить первый в мире лифт в Космос
.
Существуют также ежегодные международные технические конкурсы, участники которых работают над идеями по реализации космического лифта. Они разрабатывают новые материалы и инновационные технологии по доставке грузов на орбиту. При этом с каждым годом идеи становятся все более четкими и перспективными.
Сегодня для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег.
Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими «Космическим лифтом».
Что это вообще такое
Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:
«Космический лифт – это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке – в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы» для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции".
Рис. 1. Космический лифт от компании LiftPort Inc.
Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов. Компания LiftPort Inc. приводит список наиболее распространенных вопросов и своих ответов на них.
Как вы собираетесь сохранять угловой момент постоянным?
Большей частью мы полагаемся на то, что это сделает Земля. Но мы предусмотрели тяжелые «якоря» на обоих концах лифта для того, чтобы увеличить инерцию системы и, таким образом, держать ее в равновесии.
Что случится, если порвется лента?
Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане. Но все же, что произойдет, если лента порвется? Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.
Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?
Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.
Рис. 2. Вид базовых станций (наземной и космической)
Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?
В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.
1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.
2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.
3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.
Будут ли различные объекты задевать ленту?
Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit – LEO), будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort.
Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.
Рис. 3. Один из проектов космического лифта
Причем тут нанотехнологии
Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.
Рис. 4. Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью
Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.
Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.
Компания настроена вполне оптимистично, так как недавно стало известно о новых технологиях в производстве нанотрубок. Так, ученые из Кембриджского университета разработали способ формирования пряжи из длинных волокон, которые состоят из нанотрубок. Алан Уиндл (Alan Windle) и его коллеги из Кембриджа для изготовления пряжи использовали свежеприготовленные нанотрубки.
Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.
Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.
Рис. 5. Модельный прототип капсулы лифта
В 2000 году доктор Брэд Эдвардс выпустил отчет, в котором говорилось что предварительные исследования по построению космического лифта проделаны. Далее Мишелем Лэйном в Сиэтле была основана компания HighLift Systems, которой NASA выделила финансирование для разработки и постройки космического лифта. Как планирует компания LiftPort Inc., космический лифт будет построен, опробован и запущен в работу через 15 лет. В первые шесть лет компания будет привлекать инвестиции, с шестого года по десятый разрабатывать конструкцию лифта, и, наконец, в оставшиеся годы будет проходить непосредственно постройка.
Здесь можно найти видеоролик в формате Real Player, презентующий одну из концепций космического лифта (5 Мб): http://wid.ap.org/…/elevator.rm
потому-что те люди, которые писали про этот лифт (я имею ввиду LiftPort Inc., авторов оригинальной публикации, перевода или компиляции – уж не знаю, чей «вклад» тут больше) не пробовали прикинуть на бумаге эффективность этого лифта, попробовать применить известные формулы, взять парочку несложных интегралов (или построить графиков). В общем хотя бы для себя (не наночайников) перевести текст в цифры, Ведь в заявлениях ошибиться проще, чем в расчетах… Я предполагаю, что где-то может быть нормальная модель лифта, но уж точно не то, что предложно в этой статье. Некоторые заявления в этой заметке просто не проходили элементарную проверку. Будет время, могу написать сомнительные моменты статьи в формулах и графиках. Просто сейчас в комадировке, без русской клавиатуры текст набирать сложно (уже половина есть). А текста будет достаточно, т.к. формат для «чайников» останется, но текст полный, для возможности проверки, возможно я ошибаюсь где-то. Написаный текст с анализом «лифта» из этой заметки выложу где-нибудь в виде файла Word.
Построят, вот только когда?.. доживем до этого события? И кста, модель лифта из одной трубы с противовесом мне не внушает доверия. Боюсь даже представить что произойдет когда верхняя часть трубки столкнется с другим обьектом(астероид). Нужны дополнительные крепления, по типу креплений высоких башень или вышек(3–4 штуки).
Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы.Какая-то популистская фраза. В принципе верна, но центробежная сила превышает силу тяжести только выше геостационарной орбиты. А вывод на эту высоту потребует более 80% от энергии, требуемой для вывода в бесконечно удаленную точку. И еще у авторов не указано куда они девают силу Кориолиса. Зато уже понятно что будут добывать ископаемые с астероидов, очень «веский» факт за лифт.
IV Межрегиональная конференция школьников
«Дорога к звездам»
Космический лифт – фантастика или реальность?
Выполнил:
____________________
Руководитель:
___________________
Ярославль
Введение
Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова, Г.Г. Полякова
Конструкция космического лифта
Описание современных проектов
Заключение
Введение
В 1978 году выходит в свет научно – фантастический роман Артура Кларка «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове Тапробан, который, как указывает автор в предисловии, на 90% соответствует острову Цейлон (Шри-Ланка).
Нередко фантасты предсказывают появление изобретения не своего века, а намного более позднего времени.
Что же такое космический лифт?
Космический лифт - концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова.
Целью данной работы является изучение возможности построения космического лифта.
Идеи космического лифта К.Э. Циолковского, Ю.Н. Арцутанова и Г.Г. Полякова
Константин Циолковский - русский и советский ученый-самоучка, и изобретатель, школьный учитель. Основоположник теоретической космонавтики. Обосновал использование ракет для полётов в космос, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Основные научные труды относятся к аэронавтике, ракетодинамике и космонавтике.
Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.
В 1895 году русский ученый Константин Эдуардович Циолковский первым сформулировал понятие и концепцию космического лифта. Он описал отдельно стоящее сооружение, уходящее от уровня земли до геостационарной орбиты. Возвышаясь на 36 тысяч километров над экватором и следуя в направлении вращения Земли, в конечной точке с орбитальным периодом ровно в один день эта конструкция сохранялась бы в фиксированном положении.
Ю
рий Николаевич Арцутанов - русский инженер, родившийся в Ленинграде. Выпускник Ленинградского
технологического института, известен как один из пионеров идеи космического лифта. В 1960 году он написал статью «В Космос - на электровозе», где он обсудил концепцию космического лифта как экономически выгодный, безопасный и удобный способ доступа к орбите для облегчения освоения космоса.
Юрий Николаевич развил идею Константина Циолковского. Концепция Арцутанова была основана на связывании геосинхронных спутников кабелем с Землей. Он предложил использовать спутник в качестве базы, с которой можно построить башню, так как геосинхронный спутник останется над неподвижной точкой на экваторе. С помощью противовеса кабель будет спущен с геосинхронной орбиты на поверхность Земли, в то время как противовес будет отдаляться от Земли, удерживая центр масс кабеля неподвижно относительно Земли.
А
рцутанов предложил закрепить один конец такой «веревки» на земном экваторе, а ко второму концу, находящемуся далеко за пределами планетной атмосферы, - подвесить уравновешивающий груз. При достаточной длине «веревки» центробежная сила превысила бы силу притяжения и не позволила грузу упасть на Землю. Из приведенных Арцутановым расчетов, следует, что сила притяжения и центробежная сила оказываются равны на высоте около 42 000 километров. Равная нулю равнодействующая этих сил надежно закрепляет «камень» в зените.
Теперь герметичные электровозы побегут вертикально вверх – к орбите. Плавное наращивание скорости и плавное же торможение помогут избежать перегрузок, характерных для отрыва ракеты. После нескольких часов путешествия со скоростью 10 – 20 километров в секунду, последует первая остановка – в точке равноденствия сил, где раскинувшаяся в невесомости перевалочная станция откроет гостям двери баров, ресторанчиков, комнат отдыха – и замечательный вид на Землю из иллюминаторов.
После остановки кабина не только сможет двигаться без затрат энергии, так как её будет отбрасывать от Земли центробежная сила, - но и, вдобавок, генерировать двигателем, переключенным в режим динамо-машины, необходимое для возвращения электричество.
Вторую – и конечную остановку предлагалось сделать на расстоянии 60 000 километров от Земли, где равнодействующая сил сравняется с силой тяжести на земной поверхности, и позволит создать на «конечной станции» искусственную гравитацию. Здесь же, на краю длиннейшей канатной дороги будет располагаться настоящий орбитальный космодром. Он, как и полагается, станет запускать по Солнечной системе космические корабли, придавая им солидную скорость и назначая траекторию.
Не желая ограничиваться примитивным канатом, Юрий Арцутанов навешал на него гелиоэлектростанций, перерабатывающих солнечную энергию в электрический ток, и соленоидов, генерирующих электромагнитное поле. В этом поле должен двигаться «электровоз».
Если оценить вес такого магнитодорожного полотна, учитывая протяженность в 60 000 километров, то получается - сотни миллионов тонн? Гораздо больше. Не одна тысяча ракет потребуется, чтобы отбуксировать эту тяжесть к орбите! В то время это казалось невозможным.
Однако ученый и на этот раз подкинул верную идею: лифт не обязательно строить снизу вверх, как огромную циклопическую башню – достаточно запустить на геостационарную орбиту искусственный спутник, с которого будет спущена первая нить. В сечении эта нить окажется тоньше человеческого волоса, так чтобы вес ее не превосходил тысячу тонн. После того, как свободный конец нити закрепят на земной поверхности, сверху вниз по нити побежит «паук» – легкое устройство, плетущее вторую, параллельную нить. Он будет работать до тех пор, пока канат не станет достаточно толстым, чтобы выдержать «электровоз», электромагнитное полотно, гелиоэлектростанции, комнаты отдыха и рестораны.
Вполне объяснимо, почему в эпоху космических гонок идея Юрия Валерьевича Арцутанова осталась никем не замеченной. Тогда не было ни одного материала способного выдержать столь высокое давление разрыва троса.
В развитие идей Арцутанова свой проект космического лифта в 1977 году предложил Георгий Поляков из Астраханского педагогического института.
Принципиально этот лифт почти ничем не отличается от вышеописанного. Поляков лишь указывает: реальный космический лифт будет устроен куда сложнее, чем описанный Арцутановым. Фактически он будет состоять из ряда простых лифтов с последовательно уменьшающимися длинами. Каждый представляет собой самоуравновешенную систему, но лишь благодаря одному из них, что достигает Земли, обеспечивается устойчивость всей конструкции.
Длина лифта (примерно 4 диаметра Земли) выбрана с таким расчетом, чтобы аппарат, отделившийся от его верхушки, сумел бы уйти по инерции в открытый космос. В верхней точке будет смонтирован стартовый пункт для межпланетных кораблей. А возвращающиеся из полета корабли, предварительно выйдя на стационарную орбиту, «прилифтуются» в районе базы.
С конструкторской точки зрения космический лифт представляет собой две параллельные трубы или шахты прямоугольного сечения, толщина стенок которых изменяется по определенному закону. По одной из них кабины движутся вверх, а по другой - вниз. Конечно, ничто не мешает соорудить несколько таких пар. Труба может быть не сплошной, а состоящей из множества параллельных тросов, положение которых фиксируется серией поперечных прямоугольных рамок. Это облегчает монтаж и ремонт лифта.
Кабины лифта - просто площадки, приводимые в движение индивидуальными электродвигателями. На них крепятся грузы или жилые модули - ведь путешествие в лифте может продолжаться неделю, а то и больше.
В целях экономии энергии можно создать систему, напоминающую канатную дорогу. Она состоит из ряда шкивов, через которые перекинуты замкнутые тросы с подвешенными на них кабинами. Оси шкивов, где смонтированы электродвигатели, закреплены на несущей лифта. Здесь вес поднимающихся и опускающихся кабин взаимно уравновешен, и, следовательно, энергия расходуется лишь на преодоление трения.
Для соединительных «нитей», из которых собственно и образуется лифт, необходимо использовать материал, у которого отношение разрывного напряжения к плотности в 50 раз больше, чем у стали. Это могут быть разнообразные «композиты», пеностали, бериллиевые сплавы или кристаллические усы...
Впрочем, Георгий Поляков не останавливается на уточнении характеристик космического лифта. Он указывает на то обстоятельство, что уже до конца XX века геосинхронная орбита будет густо «усеяна» космическими аппаратами самых различных типов и назначений. А поскольку все они будут практически неподвижны относительно нашей планеты, представляется весьма заманчивым связать их с Землей и между собой с помощью космических лифтов и кольцевой транспортной магистрали.
На основании этого соображения Поляков выдвигает идею космического «ожерелья» Земли. Ожерелье послужит своеобразной канатной (или рельсовой) дорогой между орбитальными станциями, а также обеспечит им устойчивое равновесие на геосинхронной орбите.
Так как длина «ожерелья» весьма велика (260 000 километров), на нем можно разместить очень много станций. Если, скажем, поселения отстоят друг от друга на 100 километров, то их число составит 2600. При населении каждой станции в 10 тысяч на кольце будут обитать 26 миллионов человек. Если же размеры и количество таких «астрогородов» увеличить, эта цифра резко возрастет.
О
снование космического лифта - это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне. Преимущество подвижного основания - возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы - более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту. Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избегания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.
Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали - около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов - не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6-4,1 ГПа, а у кварцевого волокна - до 20 ГПа и выше. Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты.
В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 - кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.
Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.
В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10% меньше теоретической.
Космический лифт должен выдерживать, по крайней мере, свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а, следовательно, и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.
Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы, НО, не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца, сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:
Где - площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли.
В формуле используются следующие константы:
- площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
- плотность материала троса.
- предел прочности материала троса.
- круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292·10−5 радиан в секунду.
- расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.
- ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 м/с².
Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув, в конце концов, геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.
Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть:
П
одставив сюда плотность и прочность стали, и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.
Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:
Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 кг/м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.
Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО. Тот же расчет, выполненный из предположения, что плотность троса равна плотности углеволокна ρ = 1,9 г/см3 (1900 кг/м3), с предельной прочностью σ = 90 ГПА (90·109 Па) и диаметром троса у основания 1 см (0.01 м), позволяет получить диаметр троса на ГСО всего 9 см.
Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км, которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.
Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.
Ещё способ - сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20-25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха). Также есть идея вместо троса из нанотрубок использовать условные силовые линии магнитного поля Земли.
Противовес может быть создан двумя способами - путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость). Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении - за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовес на большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю. В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное вертикальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт. К моменту достижения грузом геостационарной орбиты (ГСО) его угловой момент достаточен для вывода груза на орбиту. Если груз не высвободить с троса, то остановившись вертикально на уровне ГСО, он будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос, угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина, таким образом, может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъеме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится. При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.
На конце троса высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части троса, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдёт за счёт перехода суммарного углового момента троса (и Земли) в скорость запущенного объекта. Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
Описание современных проектов
В середине и в конце 20-го века появились более подробные предложения. Возлагались надежды, что космический лифт сделает революцию в доступе к околоземному космическому пространству, к Луне, Марсу и даже далее. Данное сооружение смогло бы раз и навсегда решить проблему, связанную с отправкой человека в космос. Лифт очень помог бы многим космическим агентствам в доставке астронавтов на орбиту нашей планеты. Его создание может означать конец загрязняющим пространство ракетам. Однако стартовые инвестиции и уровень необходимых технологий ясно давали понять, что такой проект нецелесообразен и отводили ему место в области научной фантастики.
Возможно ли решить проблему такого строительства в данный момент? Сторонники космических лифтов считают, что в настоящее время достаточно возможностей для решения данной технической задачи. Они считают, что космические ракеты устарели и наносят непоправимый вред природе и слишком дороги для современного общества.
Камень преткновения лежит в том, как построить такую систему. «Для начала она должна быть создана из пока не существующего, но прочного и гибкого материала с нужной массой и характеристиками плотности, чтобы поддерживать транспорт и выдержать невероятное воздействие внешних сил, - говорит Фонг. - Думаю, все это потребует серии самых амбициозных орбитальных миссий и космических прогулок на низкой и высокой околоземной орбитах в истории нашего вида».
Есть также проблемы безопасности, добавляет он. «Даже если бы мы могли решить существенные технические трудности, связанные со строительством такой штуки, вырисовывается страшная картина гигантского сыра с дырками, пробитыми всем этим космическим мусором и обломками наверху».
Учёные всего мира разрабатывают идею космического лифта. Японцы в начале 2012 года объявили о том, что они планируют построить космический лифт. Американцы об этом же сообщили в конце 2012-го. В 2013-м СМИ вспомнили о русских корнях "космического лифта". Так, когда же данные идеи станут реальностью?
Концепция Японской корпорации Obayashi
Корпорация предлагает следующий способ постройки: один конец троса очень высокой прочности удерживается массивной платформой в океане, а второй - закрепляется на орбитальной станции. По канату перемещается специально спроектированная кабинка, которая может доставлять грузы, астронавтов или, скажем, космических туристов.
В качестве материала для троса Obayashi рассматривает углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали. Но проблема заключается в том, что в настоящее время длина таких нанотрубок ограничивается примерно 3 см, в то время как для космического лифта потребуется трос общей протяжённостью в 96 000 км. Ожидается, что преодолеть существующие трудности станет возможно ориентировочно в 2030-х годах, после чего начнётся практическая реализация концепции космического лифта.
Obayashi уже рассматривает возможность создания особых туристических кабинок, рассчитанных на перевозку до 30 пассажиров. Кстати, путь на орбиту по тросу из углеродных нанотрубок будет занимать семь дней, поэтому придётся предусмотреть необходимые системы обеспечения жизнедеятельности, запас еды и воды.
Запустить космический лифт Obayashi рассчитывает только к 2050 году.
Космический лифт компании LiftPort Group
Не только Земля станет объектом, где будет сооружен такой лифт. По мнению группы экспертов из компании LiftPort Group в качестве такого объекта вполне может выступить и Луна.
Основой лунного космического лифта является плоский ленточный кабель, изготовленный из высокопрочного материала. По этому кабелю на поверхность Луны и назад будут ходить транспортные гондолы, доставляющие людей, различные материалы, механизмы и роботов.
«Космический» конец кабеля будет удерживаться космической станцией PicoGravity Laboratory (PGL), находящейся в точке Лагранжа L1 системы Луна-Земля, в точке, где гравитация Луны и Земли взаимно уравновешивают друг друга. На Луне конец кабеля будет присоединен к якорной станции Anchor Station, находящейся в районе Sinus Medi (приблизительно в середине «лица» Луны, смотрящего на Землю) и входящей в состав инфраструктуры космического лифта Lunar Space Elevator Infrastructure.
Натяжение кабеля космического лифта будет осуществляться противовесом, который будет удерживаться более тонким кабелем длиной в 250 тысяч километров, и который будет находиться уже во власти земной гравитации. Космическая станция PicoGravity Laboratory будет иметь модульную структуру, наподобие структуры существующей Международной космической станции, что позволит без особого труда производить ее расширение и добавлять стыковочные узлы, позволяющие стыковаться со станцией космическим кораблям различных типов.
Основной целью данного проекта является отнюдь не строительство самого космического лифта. Этот лифт станет лишь средством доставки на Луну автоматических аппаратов, которые в автономном режиме будут вести добычу различных полезных ископаемых, в том числе редкоземельных металлов и гелия-3, который является перспективным топливом для будущих реакторов термоядерного синтеза и, возможно, топливом для космических кораблей будущего.
«К сожалению, данный проект пока практически невыполним в связи с отсутствием у людей множества ключевых технологий. Но исследования большинства таких технологий уже ведутся некоторое время, и обязательно наступит тот момент, когда строительство космического лифта перейдет из разряда научной фантастики в область практически выполнимых вещей».
Специалисты компании LiftPort Group обещают сделать рабочий детализированный проект сооружения к концу 2019 года.
«Общепланетное транспортное средство»
Рассмотрим проект, получивший название «Общепланетное транспортное средство» (ОТС). Его выдвинул и обосновал инженер Анатолий Юницкий из Гомеля.
В 1982 году в журнале «Техника молодежи» была опубликована статья, в которой автор утверждает, что у человечества в скором времени появится потребность в принципиально новом транспортном средстве, способном обеспечивать перевозки на трассе «Земля – космос – Земля».
По мнению А. Юницкого ОТС представляет собой замкнутое колесо поперечным диаметром порядка 10 метров, которое покоится на специальной эстакаде, установленной вдоль экватора. Высота эстакады в зависимости от рельефа колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Эстакада размещена на плавучих опорах в океанских просторах.
В герметичном канале, расположенном по оси корпуса ОТС, находится бесконечная лента, имеющая магнитную подвеску и являющаяся своеобразным ротором двигателя. В нее наводится ток, который будет взаимодействовать с породившим его магнитным полем, и лента, не испытывающая никакого сопротивления (она размещена в вакууме), придет в движение. Точнее, во вращение вокруг Земли. При достижении первой космической скорости лента станет невесомой. При дальнейшем разгоне ее центробежная сила через магнитную подвеску станет оказывать на корпус ОТС всевозрастающую вертикальную подъемную силу, пока не уравновесит каждый его погонный метр (транспортное средство как бы станет невесомым - чем не антигравитационный корабль?).
В удерживаемое на эстакаде транспортное средство с предварительно раскрученной до скорости 16 км/с верхней лентой, имеющей массу 9 тонн на метр, и точно такой же, но лежащей неподвижно нижней лентой размещают груз и пассажиров. Это делается в основном внутри, а частично и снаружи корпуса ОТС, но так, чтобы нагрузка в целом была равномерно распределена. После освобождения от захватов, удерживающих ОТС на эстакаде, его диаметр под действием подъемной силы начнет медленно расти, а каждый его погонный метр - подниматься над Землей. Поскольку форма окружности отвечает минимуму энергии, то транспортное средство, до этого копировавшее профиль эстакады, примет после подъема форму идеального кольца.
Скорость подъема ОТС на любом из участков пути может быть задана в широких пределах: от скорости пешехода до скорости самолета. Атмосферный участок транспортное средство проходит на минимальных скоростях.
По оценке Анатолия Юницкого, общая масса ОТС составит 1,6 миллиона тонн, грузоподъемность - 200 миллионов тонн, пассажировместимость - 200 миллионов человек. Расчетное число выходов ОТС в космос за пятидесятилетний срок службы - 10 тысяч рейсов.
Заключение
Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны.
Космический лифт изменит космическую индустрию: люди и груз будут доставляться на орбиту со значительно более низкими затратами по сравнению с традиционными запусками ракет-носителей.
Будем надеяться, что во второй половине 21 – го века космические лифты станут функционировать за пределами Земли: на Луне, Марсе и других уголках Солнечной Системы. С развитием технологий стоимость строительства будет постепенно снижаться.
Несмотря на то, что это время кажется далеким и недосягаемым, именно от нас зависит, каким будет будущее и как быстро оно наступит.
