«Будівництво століття»: навіщо нам космічний ліфт

«Візьміть шматочок шпагату і прив’яжіть до нього камінь. Почніть обертати цю примітивну пращу. Під впливом відцентрової сили камінь туго натягне мотузку.»

«А що ж буде, якщо таку «мотузку» закріпити на земному екваторі та, простягнувши далеко в космос, «підвісити» на ній відповідний вантаж? Розрахунки показують, що якщо трос буде досить довгим, то відцентрова сила так само розтягуватиме його… як камінь натягує наш шпагат. Адже сила тяжіння Землі зменшується пропорційно квадрату відстані, а відцентрова сила зростає зі збільшенням відстані. І вже на висоті приблизно 42 тисячі кілометрів відцентрова сила дорівнюватиме силі тяжіння. Ось, виявляється, якою довгою має бути наша «мотузка» в космос» — п’ятдесят, а то й шістдесят тисяч кілометрів! Та й «вантаж» до неї повинен бути підвішений чималий, адже відцентрова сила має врівноважити вагу каната завдовжки майже 40 тисяч кілометрів! Але якщо це здійснити — відкриється пряма канатна дорога з Землі в Космос!»

Космічний ліфт (комп’ютерна симуляція). Джерело: Glenn Clovis

Перед вами — цитата з опублікованої 1960 року статті інженера Юрія Арцутанова. Вона увійшла в історію як одна з перших робіт, де була детально розглянута концепція космічного ліфта — гіпотетичної споруди, що здатна повністю перевернути всю космічну індустрію, радикально здешевивши та спростивши виведення вантажів на орбіту.

Звичайно, космічний ліфт є лише теоретичною концепцією. Її практичній реалізації перешкоджають як інженерні проблеми, так і відсутність глобальної необхідності у створенні подібної споруди. Але це анітрохи не заважає нам поговорити про цю ідею та поміркувати про те, яку користь людству вона могла би принести.

Як побудувати космічний ліфт

Отже, щоб створити прямий шлях у космос, нам необхідно якимось чином вивести надміцний трос у точку, розташовану вище геостаціонарної орбіти, а потім якось його врівноважити. Або ж навпаки — побудувати в цій точці космічну станцію та знайти спосіб опустити з неї канат на земну поверхню.

Схема космічного ліфта

Далі ми оснащуємо трос підіймачем, призначеним для перевезення вантажів і пасажирів. Вуаля — космічний ліфт готовий. Сила обертання Землі буде прискорювати вантажну капсулу, що дозволить виводити корисне навантаження прямо на орбіту.

На словах усе начебто просто. Але, звичайно, на практиці все значно складніше. Створення дороги в космос потребує неабияких інженерних рішень і технологічних проривів. Без них космічний ліфт так і залишиться красивою фантазією.

Ключовою проблемою, яку доведеться розв’язати конструкторам, є створення троса, здатного витримувати величезні навантаження та при цьому ще й не «скластися» під власною вагою. Перебравши всі відомі варіанти, інженери дійшли висновку, що вуглецеві нанотрубки є чи не єдиним матеріалом, придатним для виготовлення подібного каната. Насправді міцність жодної отриманої в лабораторії нанотрубки досі не дотягнула до значень, що дозволять використовувати їх для створення такої споруди. До того ж необхідно ще й придумати, як заплести їх у трос завдовжки тисячі кілометрів. Не дивно, що багато експертів досить скептично ставляться до цієї ідеї та вважають, що нам ніколи не вдасться отримати матеріал із необхідними характеристиками. Наприклад, славнозвісний Ілон Маск в одному з інтерв’ю заявив, що, на його погляд, куди простіше звести міст між Лос-Анджелесом і Токіо, ніж побудувати ліфт на орбіту. Водночас підприємець висловив надію на те, що помилився у своїй оцінці.

Структура вуглецевої нанотрубки

Втім, не так давно у вуглецевих нанотрубок з’явилася перспективна альтернатива. Проведені американськими вченими 2014 року досліди показали, що супертонкі алмазні нитки можуть мати навіть більшу міцність. Щоправда, це теж поки тільки теорія. Лише нові дослідження й експерименти дадуть відповідь на питання, чи зможуть такі нитки претендувати на статус будівельного матеріалу для космічного ліфта.

Припустімо, інженерам і справді вдасться створити надміцний трос завдовжки десятки тисяч кілометрів. Навіть у цьому випадку їм доведеться розв’язати чимало інших завдань. Наприклад, таке важливе питання, як місце розташування основи ліфта. Очевидно, воно має бути на екваторі. На перший погляд, наземний майданчик здається найкращим варіантом. Він значно спрощує зведення супутньої інфраструктури та доступ до ліфта, а також дає можливість трохи зменшити довжину троса (якщо вести будівництво в горах).

Але, зрозуміло, не можна просто збудувати основу ліфта на першій-ліпшій ділянці на екваторі. По-перше, необхідна ретельна оцінка всіх потенційних факторів ризику (тектонічна стабільність регіону, ймовірність повеней та інших стихійних лих), здатних загрожувати цілісності споруди. По-друге, доведеться обов’язково врахувати й політичний аспект.

Зведення космічного ліфта потребує отримання дозволу національного уряду на використання його території для «будівництва століття» та твердих гарантій безпеки комплексу. Мабуть, найближчою історичною аналогією є Суецький і Панамський канали — грандіозні для свого часу інженерні проєкти, успішна реалізація яких суттєво вплинула на всю світову економіку. Проте досвід їхньої експлуатації показав, що, попри «вічні» домовленості, обидва вони з часом стали заручниками міжнаціональних конфліктів і почали використовуватися як важелі тиску для досягнення певних політичних і економічних цілей. У випадку з Суецьким каналом справа навіть дійшла до війни.

Альтернативою наземному майданчику може стати розміщення основи ліфта на морській платформі, розташованій за межами територіальних вод будь-якої конкретної держави. Це дозволить уникнути проблем, пов’язаних із її національною приналежністю. Іншим плюсом є здатність морської платформи маневрувати, що дасть їй можливість ухилятися від загрозливих ураганів і штормів. Але, звичайно, цей варіант буде складнішим і дорожчим у реалізації, ніж наземний майданчик.

Плавуча основа космічного ліфта може також слугувати базою океанічних досліджень. Джерело: Wikipedia

Наступне важливе питання, на яке необхідно знайти відповідь конструкторам — вибір противаги, що буде врівноважувати космічний ліфт. Існує два основних способи розв’язання цієї проблеми. По-перше, як противагу можна використовувати якийсь важкий об’єкт на кшталт космічної станції або захопленого астероїда, до якого буде прикріплений кінець каната.

Цікавою альтернативою цьому варіанту є використання як противаги другого троса (або ж продовження вже наявного), спрямованого у протилежний від Землі бік. Він випрямиться і натягнеться під дією відцентрової сили. Описаний варіант вигідний завдяки тому, що вантаж, який рухатиметься продовженням тросу, розженеться до великих швидкостей, порівняних із другою космічною. Це дасть можливість використати цю систему як катапульту для виведення корисного навантаження у міжпланетний простір. Звичайно, таке рішення призведе до подальшого здорожчання проєкту, але значно збільшить загальну ефективність ліфта, зробивши його інструментом для освоєння не лише навколоземної орбіти, але й далекого космосу.

Варто мати на увазі, що, хоча сам по собі ліфт і дозволить радикально спростити доступ у космос, але, щоб його побудувати, людству доведеться вивести на орбіту велику кількість різних вантажів. А це передбачає дуже багато традиційних запусків з усіма супутніми проблемами.

Також потрібно буде якось розв’язати проблему захисту конструкції від зіткнень із супутниками, які ще функціонують, і фрагментами космічного сміття. Необхідно придумати, як урятувати пасажирів ліфта у разі аварії та вберегти їх від радіації при перетині поясів Ван Аллена. І, звичайно, важливою частиною системи має стати надійний механізм, що дозволить здійснювати підйом кабіни, при цьому не пошкоджуючи трос. Перелік подібних питань у підсумку вийде довгим.

Ми розглянули тільки загальну концепцію космічного ліфта. За останні пів століття було розроблено безліч різних модифікацій його базової схеми. Але всі вони засновані на одних і тих самих фізичних принципах, і їхня реалізація потребуватиме розв’язання схожих інженерних проблем.

Навіщо нам потрібен космічний ліфт?

Припустімо, що людство впорається з усіма перерахованими вище проблемами й отримає можливість побудувати космічний ліфт. Але навіщо нам така гігантська споруда?

Звісно, з економічної точки зору космічний ліфт справді може радикально знизити вартість виведення вантажів у космос. Різні розрахунки показують, що вона буде вимірюватися десятками, максимум — сотнями доларів за кілограм корисного навантаження. Це в рази менше, ніж у сучасних ракет на хімічному паливі. Тож, здавалось би, вигода очевидна.

Але не варто забувати, що створення ліфта вимагатиме величезних фінансових вкладень. Зараз їх неможливо оцінити навіть приблизно. Очевидно лише, що ці суми можна порівняти з бюджетами провідних світових держав.

Отже, космічний ліфт зможе окупитися лише в разі його активного використання, що передбачає щоденне виведення на орбіту великої кількості вантажів. Наразі людство, зрозуміло, не має такої потреби. Але вона цілком може виникнути вже у відносно недалекому майбутньому.

Надійний і дешевий шлях у космос може нам знадобитися для повномасштабної колонізації та тераформування Марсу. Подібний проєкт вимагає відправлення до Червоної планети величезної кількості різного устаткування і мільйонів переселенців. Навіть Starship Ілона Маска навряд чи здатний впоратися з таким навантаженням. Натомість космічний ліфт фактично відкриє для людства Сонячну систему. Завдяки йому бази на Місяці та в точках Лагранжа, марсіанські колонії та літаючі міста на Венері зможуть стати реальністю.

Інше потенційне завдання, для якого буде необхідним будівництво подібної споруди — допомога в порятунку Землі. Вже зараз ми бачимо перші свідчення того, як зміни клімату, викликані антропогенною діяльністю, впливають на нашу планету. В майбутньому ситуація може суттєво погіршитися. Деякі експерти попереджають, що точка неповернення вже пройдена й навіть негайне зменшення шкідливих викидів у атмосферу не покращить ситуацію. Тому вже зараз розробляються проєкти «зовнішньої» допомоги. Один із них передбачає створення гігантських космічних дзеркал, які відбиватимуть частину сонячного світла, що падає на земну поверхню. Це дозволить її охолодити, знівелювавши ефекти глобального потепління. Можна ще згадати проєкти орбітальних сонячних електростанцій, які допоможуть ліквідувати нашу залежність від спалювання викопного палива. Наявність космічного ліфта полегшить будівництво подібних мегаспоруд.

Врешті-решт, космічний ліфт здатний допомогти нам дістатися зірок. Як відомо, найближча до нас зоряна система α Центавра відділена від Сонця трильйонами кілометрів космічного простору. Існує кілька проєктів кораблів, які змогли би витримати настільки далекий рейс і здійснити багатовікову мрію людства. Але всі вони вимагають наявності потужної орбітальної інфраструктури, що дозволить збудувати зореліт, маса якого буде вимірюватися багатьма тисячами тонн, забезпечити його всім необхідним і відправити в грандіозну подорож. Без космічного ліфта людству буде неймовірно важко реалізувати це завдання.

Усі перераховані вище завдання навряд чи можуть бути вирішені якоюсь однією наддержавою або навіть групою з кількох країн. Вони вимагатимуть залучення ресурсів усього людства. Отже, ми можемо сміливо заявити, що космічний ліфт є інструментом глобального масштабу. Це не просто грандіозна споруда, але якоюсь мірою і символ. Його будівництво означатиме перехід земних націй до фази «дорослішання», готовності діяти спільно, взяти на себе відповідальність за долю планети й рухатися далі.

Звичайно, зараз усе це здається фантастичним, але не варто забувати, що свого часу фантастикою була ідея створення каналів, які сполучають різні океани, або пілотованої орбітальної станції. Зараз же ми сприймаємо їхнє існування як щось звичне та цілком зрозуміле. Тож можна припустити, що наші найближчі нащадки стануть свідками початку будівництва «дороги в космос».

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Небезпечний випадок декомпресії на МКС викликав переполох в радіоефірі
Безпрецедентна роздільна здатність: супутник компанії Maxar зазнімкував МКС і Starliner
Інтерактивна карта «Жнива надії» допоможе українським аграріям
Людина, яка показала нам Сонячну систему: голова місії Voyager Ед Стоун помер у віці 88 років
Короткочасні космічні подорожі не шкодять здоров’ю людини
Зразки зі зворотного боку Місяця прибудуть на Землю 25 червня
Космічний телескоп Hubble розкрив таємницю вибуху 40-річної давнини
На кораблі Starliner виявлено новий витік гелію
Місячна станція стала на крок ближче до запуску
DARPA представила шість моделей безпілотників для війн майбутнього