«Возьмите кусок шпагата и привяжите к нему камень. Начните раскручивать эту примитивную пращу. Под действием центробежной силы камень туго натянет веревку.»
«А что же будет, если такую «веревку» закрепить на земном экваторе и, протянув далеко в космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают, что если трос окажется достаточно длинным, то центробежная сила будет так же растягивать его… как камень натягивает наш шпагат. Ведь сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила возрастает с увеличением расстояния. И уже на высоте примерно 42 тысячи километров центробежная сила будет равна силе тяжести. Вот, оказывается, насколько длинной должна быть наша «веревка в космос» — пятьдесят, а то и шестьдесят тысяч километров! Да и «груз» на ней должен быть подвешен солидный, поскольку центробежная сила должна уравновесить вес каната длиной почти 40 тысяч километров! Но если это осуществить — откроется прямая канатная дорога с Земли в Космос!»
Перед вами — цитата из опубликованной в 1960 году статьи инженера Юрия Арцутанова. Она вошла в историю как одна из первых работ, где была подробно рассмотрена концепция космического лифта — гипотетического сооружения, способного полностью перевернуть всю космическую индустрию, радикально удешевив и упростив выведение грузов на орбиту.
Конечно, космический лифт является лишь теоретической концепцией. Ее практической реализации препятствуют как инженерные проблемы, так и отсутствие глобальной необходимости создания подобного сооружения. Но это ничуть не мешает нам поговорить об этой идее и поразмышлять о том, какую пользу человечеству она могла бы принести.
Как построить космический лифт
Итак, чтобы создать прямой путь в космос, нам необходимо каким-то образом вывести сверхпрочный трос в точку, расположенную выше геостационарной орбиты, а затем его уравновесить. Или наоборот — построить в этой точке космическую станцию и найти способ опустить с нее канат на земную поверхность.
Далее мы оснащаем трос подъемником, предназначенным для перевозки грузов и пассажиров. Вуаля — космический лифт готов. Сила вращения Земли будет ускорять грузовую капсулу, что позволит выводить полезную нагрузку прямо на орбиту.
На словах все вроде бы просто. Но, конечно, на практике все гораздо сложнее. Создание дороги в космос требует незаурядных инженерных решений и технологических прорывов. Без них космический лифт так и останется красивой фантазией.
Ключевой проблемой, которую придется решать конструкторам, станет создание троса, способного выдерживать огромные нагрузки и при этом вдобавок не «сложиться» под собственным весом. Перебрав все известные варианты, инженеры пришли к выводу, что углеродные нанотрубки являются единственным материалом, пригодным для изготовления подобного каната. На самом деле прочность ни одной из полученных в лаборатории нанотрубок до сих пор не дотянула до значений, позволяющих использовать их для создания такого сооружения. К тому же нужно еще и придумать, как сплести их в трос длиной в тысячи километров. Неудивительно, что многие эксперты достаточно скептически относятся к этой идее и считают, что нам никогда не удастся получить материал с необходимыми характеристиками. К примеру, знаменитый Илон Маск в одном из интервью заявил, что, на его взгляд, куда проще возвести мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту. В то же время предприниматель выразил надежду на то, что ошибся в своей оценке.
Впрочем, не так давно у углеродных нанотрубок появилась перспективная альтернатива. Опыты, проведенные американскими учеными в 2014 году, показали, что сверхтонкие алмазные нити могут иметь даже большую прочность. Правда, это тоже пока только теория. Лишь новые исследования и эксперименты ответят на вопрос, смогут ли такие нити претендовать на статус строительного материала для космического лифта.
Допустим, инженерам действительно удастся создать сверхпрочный трос длиной в десятки тысяч километров. Даже в этом случае им предстоит решить множество других задач. К примеру, такой важный вопрос, как местоположение основания лифта. Очевидно, оно должно быть на экваторе. На первый взгляд, наземная площадка кажется лучшим вариантом, который значительно упрощает строительство сопутствующей инфраструктуры и доступ к лифту, а также позволяет немного уменьшить длину троса (если вести строительство в горах).
Но, разумеется, нельзя просто построить основание лифта в любой точке экватора. Во-первых, необходима тщательная оценка всех потенциальных факторов риска (тектоническая стабильность региона, вероятность наводнений и других стихийных бедствий), способных угрожать целостности сооружения. Во-вторых, придется обязательно учитывать также политический аспект.
Возведение космического лифта требует получения разрешения национального правительства на использование его территории для «стройки века» и твердых гарантий безопасности комплекса. Пожалуй, ближайшая историческая аналогия — Суэцкий и Панамский каналы — грандиозные для своего времени инженерные проекты, успешная реализация которых существенно повлияла на всю мировую экономику. Однако опыт их эксплуатации показал, что, несмотря на «вечные» договоренности, оба они со временем стали заложниками межнациональных конфликтов и начали использоваться как рычаги давления для достижения определенных политических и экономических целей. В случае с Суэцким каналом дело даже дошло до войны.
Альтернативой наземной площадке может стать размещение основы лифта на морской платформе, расположенной за пределами территориальных вод какой-то конкретной державы. Это позволит избежать проблем, связанных с ее национальной принадлежностью. Другим плюсом является способность морской платформы маневрировать, что даст ей возможность уклоняться от угрожающих ураганов и штормов. Но, конечно, этот вариант будет сложнее и дороже в реализации, чем наземная площадка.
Следующий важный вопрос, на который необходимо найти ответ конструкторам — выбор противовеса, уравновешивающего космический лифт. Существуют два основных способа решения этой проблемы. Во-первых, в качестве противовеса можно использовать какой-то тяжелый объект вроде космической станции либо захваченного астероида, к которому будет прикреплен конец каната.
Интересной альтернативой этому варианту является использование в качестве противовеса второго троса (или продолжения уже имеющегося), направленного в противоположную Земле сторону. Он выпрямится и натянется под действием центробежной силы. Описанный вариант выгоден благодаря тому, что движущийся по продолжению троса груз разгонится до больших скоростей, сравнимых со второй космической. Это позволит использовать систему как катапульту для вывода полезной нагрузки в межпланетное пространство. Конечно, такое решение приведет к дальнейшему удорожанию проекта, но и значительно увеличит общую эффективность лифта, сделав его инструментом для освоения не только околоземной орбиты, но и дальнего космоса.
Следует иметь в виду, что, хотя сам по себе лифт и позволит радикально упростить доступ в космос, но, чтобы его построить, человечеству придется вывести на орбиту большое количество различных грузов. А это предполагает очень много традиционных запусков со всеми сопутствующими проблемами.
Также нужно будет как-то решить проблему защиты конструкции от столкновений с еще функционирующими спутниками и фрагментами космического мусора. Необходимо придумать, как спасти пассажиров лифта при аварии и уберечь их от воздействия радиации при пересечении поясов Ван Аллена. И, конечно, важной частью системы должен стать надежный механизм, позволяющий производить подъем кабины, при этом не повреждая трос. Список подобных вопросов в итоге получится длинным.
Мы рассмотрели только общую концепцию космического лифта. За последние полвека было разработано множество разных модификаций его базовой схемы. Но все они основаны на одних и тех же физических принципах, реализация которых потребует решения подобных инженерных проблем.
Зачем нам нужен космический лифт?
Допустим, человечество справится со всеми вышеперечисленными проблемами и получит возможность построить космический лифт. Но зачем нам такое гигантское сооружение?
Конечно, с экономической точки зрения космический лифт может радикально снизить стоимость выведения грузов в космос. Различные расчеты показывают, что она будет измеряться десятками, максимум сотнями долларов за килограмм полезной нагрузки. Это в разы меньше, чем у современных ракет на химическом топливе. Так что, казалось бы, выгода очевидна.
Но не следует забывать, что создание лифта потребует огромных финансовых вложений. Сейчас их невозможно оценить даже приблизительно. Очевидно только, что эти суммы сопоставимы с бюджетами ведущих мировых держав.
Следовательно, космический лифт сможет окупиться лишь в случае его активного использования, предполагающего ежедневный вывод на орбиту большого количества грузов. Сейчас человечество, разумеется, не имеет такой необходимости. Но она может возникнуть уже в относительно недалеком будущем.
Надежный и дешевый путь в космос может нам понадобиться для полномасштабной колонизации и терраформирования Марса. Подобный проект предусматривает отправку на Красную планету огромного количества различного оборудования и миллионов переселенцев. Даже Starship Илона Маска вряд ли способен справиться с такой нагрузкой. Космический лифт фактически откроет для человечества Солнечную систему. Благодаря ему базы на Луне и в точках Лагранжа, марсианские колонии и летающие города на Венере смогут стать реальностью.
Еще одна потенциальная задача, для которой потребуется строительство такого сооружения — помощь в спасении Земли. Уже сейчас мы наблюдаем первые свидетельства того, как изменение климата, вызванное антропогенной деятельностью, влияет на нашу планету. В будущем ситуация может существенно ухудшиться. Некоторые эксперты предупреждают, что точка невозврата уже пройдена и даже немедленное снижение вредных выбросов в атмосферу не улучшит ситуацию. Поэтому уже сейчас разрабатываются проекты «внешней» помощи. Один из них предполагает создание гигантских космических зеркал, отражающих часть падающего на земную поверхность солнечного света. Это позволит ее охладить, компенсировав эффекты глобального потепления. Можно также упомянуть проекты орбитальных солнечных электростанций, которые помогут ликвидировать нашу зависимость от сжигания ископаемого топлива. Наличие космического лифта облегчит строительство подобных мегасооружений.
В конце концов, космический лифт способен помочь нам добраться до звезд. Как известно, ближайшую к нам звездную систему α Центавра отделяют от Солнца триллионы километров космического пространства. Существует несколько проектов кораблей, которые смогли бы выдержать столь дальний рейс и осуществить многовековую мечту человечества. Но все они требуют наличия мощной орбитальной инфраструктуры, позволяющей построить звездолет массой во много тысяч тонн, обеспечить его всем необходимым и отправить в грандиозное путешествие. Без космического лифта человечеству будет невероятно сложно реализовать эту задачу.
Все вышеперечисленные задачи вряд ли могут быть решены какой-то одной сверхдержавой или даже группой из нескольких стран. Они потребуют привлечения ресурсов всего человечества. Мы можем смело заявить, что космический лифт является инструментом глобального масштаба. Это не просто грандиозное сооружение, но и в какой-то степени символ. Его строительство будет означать переход земных наций к фазе «взросления», готовности действовать сообща, взять на себя ответственность за судьбу планеты и двигаться дальше.
Конечно, сейчас все это кажется фантастическим, но не стоит забывать, что в свое время фантастикой была идея создания каналов, соединяющих разные океаны, или пилотируемой орбитальной станции. Сейчас мы воспринимаем их существование как нечто привычное и вполне понятное. Поэтому можно предположить, что наши ближайшие потомки станут свидетелями начала строительства «дороги в космос».
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
