Что такое космический лифт?
Космический лифт представляет собой физическую структуру, которая соединяла бы землю с орбитой и на которой можно было бы двигаться. Многие версии этой концепции были представлены исследователями и писателями-фантастами, как в романе Артура Кларка «Фонтаны Рая», который популяризировал космический лифт для широкой публики. Исследовательский отчет НАСА по космическому элеватору был опубликован в 1999 году.
Чтобы понять, что такое космический лифт, представьте себе веревку, вытянутую вертикально между экватором и геостационарной орбитой. Немного выше этой орбиты веревка будет прикрепляться к большой массе, например астероиду, так что точка равновесия полной структуры находится именно на геостационарной орбите. Система теоретически устойчива и не нуждается в энергии для поддержания себя. Видеоролик:
Космический лифт, для чего и для кого?
Если бы мы могли построить такую структуру между землей и геостационарной орбитой, мы могли бы перемещать туда некоторые лифты, которые могли бы перевозить людей, оборудование или энергию между землей и орбитой. Что делает этот тип структуры очень привлекательным, так это то, что поездка будет иметь очень низкую стоимость энергии по сравнению с использованием ракеты. Это технология, которая может снизить стоимость доступа к космосу примерно до 10 долларов за килограмм.
В дополнение к его функции передачи между землей и геостационарной орбитой можно найти множество функций, связанных с космическим лифтом. Это может, например, остановиться на низкой орбите. Однако полезная нагрузка, оставленная на этой высоте, должна по-прежнему обеспечивать ускорение на несколько километров в секунду своими собственными средствами для самостоятельной орбиты. Аналогичным образом, расширяя космический лифт дальше, чем геостационарная орбита, можно достичь скорости высвобождения орбиты Земли и, таким образом, разместить полезную нагрузку на межпланетной траектории. Кстати, космический лифт может служить гигантским коммуникационным реле, способным покрыть потребности всего полушария.
Потенциал космического лифта огромен, если мы сможем его построить однажды. Самая высокая искусственная структура в настоящее время — башня Бурдж-Халифа в Дубае, которая поднимается до 830 метров. Теоретически, с использованием современных материалов и методов строительства можно было бы реализовать работы высотой в несколько километров. Но геостационарная орбита составляет почти 36 000 километров над уровнем моря. Таким образом, космический лифт является серьезным техническим вызовом.
Как построить космический лифт?
Чтобы добраться туда, есть две возможности. Можно либо полагаться на сжимающую структуру, то есть на башню, поддерживаемую собственным весом. Таков подход, предложенный Константином Циолковским, когда он представлял себе космический лифт. Это даже Эйфелева башня вдохновила его. Или можно представить себе структуру, которая опирается на силы натяжения между землей и противовесом, расположенные за пределами геостационарной орбиты, как веревка, которая будет оставаться напряженной из-за центробежного эффекта. В самых последних конструкциях это второе решение является предпочтительным, просто потому, что наиболее стойкие материалы имеют значительно лучшую устойчивость к растягивающим усилиям, чем силы сжатия.
Возьмем, к примеру, два из самых стойких материалов сегодня: если вы хотите построить эпоксидную башню, она сможет поддерживать собственный вес при сжатии до высоты 122 километра. И наоборот, если вы приостановите пластиковую структуру с армированием углеродным волокном, она может поддерживать собственный вес в растяжении до 373 км. В обоих случаях мы всегда остаемся далеко от необходимой высоты. Было бы интересно объединить два подхода, построив на базе лифта 3000-километровую башню на основе сил сжатия. Тогда можно было бы уменьшить массу структуры при растяжении в 150 раз. Но по материалам должен быть достигнут существенный прогресс.
В идеальном случае центральная структура космического лифта должна быть настолько легкой, насколько это возможно, чтобы ограничить стресс из-за собственного веса, но при этом достаточно сильным, чтобы не разрушаться под невероятными силами здесь: например, в космическом элементе, структура которого находится под напряжением с одной стороны гравитационного натяжения, а другой — с центробежным эффектом, связанным с противовесом, это похоже на перетягивание каната с участием сотни тысяч человек в каждой команде.
Несколько лет назад открытие углеродных нанотрубок показало, что некоторые материалы могут иметь необходимую силу для поддержки космического лифта. Но производство углеродных нанотрубок все еще очень экспериментально и ограничено, а космический лифт — огромная структура, требующая огромного количества материалов. Аналогичным образом, создание космического лифта является только началом работы: оно должно быть способно поддерживать его. Космический лифт будет подвергаться воздействию метеорологических условий в его самых низких частях, а также микрометеоритам и космическому мусору в его самых верхних частях. Даже самые незначительные повреждения могут поставить под угрозу целостность всей конструкции. В случае распада, осадки в регионах ниже космического лифта будут катастрофическими.
Сколько стоит космический лифт?
Одним из важных вопросов, определяющих интерес космического элеватора, остается его экономическая рентабельность. Космический лифт мог бы снизить цену доступа к космосу по ставкам, аналогичным тем, что относятся к гражданской авиации. Но если мы добавим затраты на производство и техническое обслуживание, космический лифт станет международным проектом, включающим экономические усилия многих стран. Учитывая требуемые инвестиции, потребовалось бы много лет эксплуатации, чтобы сделать космический лифт выгодным. Роль космического лифта довольно специфична: в наиболее распространенных конструкциях эффективно используется только геостационарная орбита. На низкой орбите должно быть предусмотрено дополнительное ускорение, а экваториальная плоскость далеко не оптимальна для межпланетных траекторий. Наконец, если бы кто-то смог разработать материалы, достаточно стойкие для создания космического лифта, то эти же материалы могли бы использоваться для создания высокопроизводительных и многоразовых ракет, что еще больше уменьшало интерес космического лифта.
Лунный космический лифт — гораздо более реалистичный проект. Уменьшенная гравитация Луны позволила бы построить лифт с уже освоенными материалами, кевларом, например. Лифт, установленный между поверхностью Луны и точкой Лагранжа L1 системы Земля-Луна, будет эффективным методом для извлечения ценных лунных материалов, например для строительства пространственных местообитаний. Мы также можем представить гораздо более простые космические лифты, а не между землей и орбитой, но между разными орбитами. Например, разместив их центр масс на низкой орбитальной части лифта, он будет располагаться чуть выше атмосферы на высоте 150 км. Таким образом, к нему могли бы присоединяться одноступенчатые ракеты простого дизайна. Тогда полезная нагрузка могла бы быть выпущена на низкой орбите или даже на межпланетных траекториях, поскольку такой космический лифт не должен был бы находиться на экваториальной плоскости.
Пойдите в космический лифт
Космические лифты, скорее всего, останутся научной фантастикой в течение длительного времени. Даже если необходимые материалы будут разработаны в ближайшие десятилетия, маловероятно, что экономические интересы будут подталкивать корпорацию или государство к ее созданию, особенно когда ракеты наконец-то обещают сократить стоимость доступа в космос. Если повторное использование сдержит свое обещание, то, вероятно, будет много столетий, прежде чем мы снова поговорим о концепции космического лифта. В ближайшем будущем могут быть реализованы другие концепции, близкие к космическому элементу. Так обстоит дело, например, с движителем в неволе, который использует два длинных кабеля для изменения орбиты полезной нагрузки по более низкой цене.
источникиВы также должны быть заинтересованы этим
Credits :
Space elevator first image by NASA
Space Elevator In Clouds by Liftport [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons
Space elevator in motion viewed from above north pole, 13 May 2014 by Skyway
Nano carbon by German Wikipedia, original upload 29. Dez 2004 by APPER
