Галлактический «фуникулер»

Фактически, и посреди профессионалов (в особенности материаловедов) пока нет конкретной оценки осуществимости схожих проектов — по последней мере в наиблежайшие десятилетия. И все же южноамериканское галлактическое агентство NASA растрачивает немалые средства на разработки в этом направлении. Проводятся даже особые соревнования «канатов» и «фуникулеров», призванные выявить исследовательские группы, которым имеет смысл в предстоящем выделять субсидии.

Обычные мечты о неограниченной галлактической экспансии населения земли столкнулись в последние годы с кризисом (либо, поточнее сказать, стагнацией) в разработках доставки в космос грузов и людей. Никак не удается скооперировать жесткие требования безопасности полетов с экономической необходимостью. Самые жаркие головы даже требуют совсем отрешиться от пилотируемых полетов, так как они-де необоснованно дороги и сопровождаются неминуемыми человечьими жертвами. Единственной близкой к реальности кандидатурой ракетной технике из всех выдуманных за последние полста лет является галлактический лифт — мост либо канат, протянутый с поверхности Земли на орбиту.

Спутник на низкой орбите может двигаться со скоростью около 8 км/с и делать один виток вокруг Земли за 1,5 часа. Но чем выше мы поднимаемся над Землей, тем слабее гравитация, тем медлительнее движение спутника, тем больше требуется времени на то, чтоб он облетел всю планетку. На высоте 35 786 км над экватором период воззвания спутника сравнивается с периодом вращения Земли — это так именуемая геостационарная орбита. Выведенное на такую орбиту тело бездвижно зависает над одной точкой на земной поверхности. Если протянуть к нему очень длиннющий и крепкий канат, то можно будет взбираться до неба и спускаться вспять без использования дорогостоящих и небезопасных ракет.

Естественно, сам вес этой «привязи» будет тянуть такую конструкцию к Земле. Потому его нужно восполнить, пробросив канат еще далее в космос и закрепив на далеком конце противовес. Обращаясь вокруг Земли, как камень, вложенный в пращу, он будет обеспечивать устойчивое натяжение всей связке.

У Земли основание каната можно прикрепить, к примеру, к очень высочайшей башне либо к плавучей океанской платформе. У каждого такового варианта есть свои достоинства: башня может спасти от изменчивости беспокойных нижних слоев атмосферы, а океанская платформа позволит совершать маневры уклонения, если ураган либо гроза будут создавать опасность для нашей привязи. Но крепление троса в нижней части в любом случае не должно быть жестким, чтоб он не разорвался при появлении колебаний.

Галлактический «фуникулер»

Так в NASA представляют галлактический лифт конца XXI века. Вид на пересадочную станцию на геостационарной орбите

Трос шириной со вселенную

С самого возникновения идеи галлактического лифта было ясно, что имеющиеся в распоряжении человека материалы не выдержат сумасшедших нагрузок, которые испытает «паутинка», спущенная из космоса. Согласно приобретенным уравнениям, толщина хорошей привязи по мере удаления от Земли сначала экспоненциально вырастает, потом на высоте 2-3 земных радиусов, по мере того, как силу земного притяжения компенсирует центробежная сила, рост толщины замедляется, и в конце концов поблизости геостационарной орбиты толщина становится неизменной.

Главный вопрос технологии галлактического лифта: как толстым станет канат в высочайшей точке. Расчеты демонстрируют, что его толщина фантастически очень находится в зависимости от параметров материала — его прочности и плотности. Если использовать обыденную сталь (плотность 7,8 г/см3 , усилие на разрыв 2 гигапаскаля, что соответствует давлению 20 тыщ атмосфер), то расчетная толщина превзойдет видимые размеры Вселенной, что просто лишает расчет физического смысла. Даже из наилучших марок стали (5 ГПа) выстроить галлактический лифт совсем нереально. Но если в пару раз поднять крепкость и понизить плотность материала, итог изменяется кардинально.

К примеру, с уже известными населению земли материалами — паучьим «шелком» (1,3 ГПа при плотности 1,2 г/см3), углеродистым стекловолокном (2—5 ГПа при 1,9 г/см3), кевларом (3,6 ГПа, 1,4 г/см3) — толщина троса в высшей части выходит от сотен км до всего 10-ка метров. Вобщем, с инженерной и экономической точек зрения схожий проект все равно малореален. Фактически, конкретно отсутствие подходящих материалов и привело к тому, что на длительное время галлактические лифты основались только на страничках умопомрачительной литературы.

Галлактический «фуникулер»

Углеродные нанотрубки под электрическим микроскопом

2-ое дыхание мысль галлактического лифта получила с возникновением в 1991 году принципно новых материалов — углеродных нанотрубок. Это протяженные цилиндрические структуры поперечником в считанные нанометры. Их можно обрисовать как свернутые в узкую трубочку плоские листы графита мономолекулярной толщины (хотя в действительности нанотрубки образуются по другому). В плоскости графитового слоя атомы углерода соединены в соответствующую гексагональную (шестиугольную) решетку, владеющую высочайшей прочностью, которую унаследовали и нанотрубки. По собственной стойкости на разрыв они более чем на порядок превосходят сталь и при всем этом имеют в 6 раз наименьшую плотность. Нить миллиметрового поперечника, состоящая из нанотрубок, на теоретическом уровне могла бы выдержать груз в 60 тонн (усилие на разрыв 60 ГПа) и даже больше — самая оптимистичная приводимая в специальной литературе цифра составляет 300 ГПа.

Загвоздка, но, в том, что сейчас никто не умеет изготавливать из нанотрубок нити. Трубки, которые удается получить, имеют длину, измеряемую микронами, в наилучшем случае — миллиметрами, и нет никаких гарантий, что характеристики нитей из нанотрубок вправду когда-нибудь достигнут теоретических характеристик. Во-1-х, даже самая наилучшая нить будет, конечно, приметно наименее крепкой, чем отдельные ее волокна. Во-2-х, на крепкость трубок самым плачевным образом оказывают влияние недостатки кристаллической решетки. Согласно воззрению неких ученых, конкретно эти неминуемые недостатки станут неодолимым препятствием для галлактического лифта. Ведь даже если в безупречных критериях мы и научимся изготавливать идеальные волокна, то повреждения от микрометеоритов и галлактических лучей, эрозия под действием атмосферного кислорода могут свести все усилия на нет.

Если мы попробуем подставить в формулы характеристики углеродных нанотрубок, то высшая часть троса выходит всего на 20—50% толще нижней. Это означает, что трос в форме ленты шириной с лист бумаги даже в самом широком месте не будет превосходить нескольких 10-ов см.

Галлактический «фуникулер»

Подъемник, построенный командой Мичиганского института (справа), в первый раз поднялся на высоту 60 метров, получая энергию только от солнечных батарей. На это ушло 6 минут 40 секунд при зачетном времени 1 минутка. Самым резвым стал подъемник, сделанный в Институте провинции Саскачеван (Канада). Он только на пару секунд не уложился в отведенный норматив. На снимке понизу: последние изготовления перед пуском канадского макета галлактического лифта. Направьте внимание, что для подъема употребляется не трос, а узкая широкая лента. Это устраняет от заморочек с ориентацией аппарата

Подъем на лазерном луче

Другая важная неувязка, которую предстоит решить, — это создание стремительных и легких подъемников, способных взобраться по тросу по последней мере на 36 тыщ км (на высоту геостационарной орбиты). Фактически, сложность заключается в отсутствии довольно энергоемких источников питания. Ведь затраты энергии на преодоление земного притяжения на пути до геостационарной орбиты составляют 49 мегаджоулей на килограмм (это не считая неминуемых утрат энергии). Для сопоставления: при сжигании килограмма водород-кислородной топливной консистенции выделяется всего 16 МДж. Это не означает, что на хим горючем галлактический лифт не сумеет работать в принципе, но по эффективности собственной работы он тогда сравнится с теми же ракетами, принужденными для выведения полезной нагрузки спаливать неограниченное количество горючего и сбрасывать отработавшие ступени. Еще ужаснее с аккумами, которые, очевидно, всякий раз на пути к звездам сбрасывать не получится. Хотя здесь тоже может быть уловка: кабины, идущие вниз, могут делиться выработанной при спуске электроэнергией со своими встречными партнерами. Но все это накладывает на организаторов грузопотока очень жесткие ограничения.

Потому питание для собственной работы (во всяком случае, на первых порах) лифт будет получать в главном с Земли. Изобретатель концепции галлактического лифта Юрий Арцутанов предлагал подводить электричество по вплетенным в канат железным полосам. Но на сегодняшнем шаге эта мысль не кажется настолько симпатичной, так как усложняет конструкцию троса.

Более многообещающей представляется передача энергии направленными пучками видимого либо СВЧ-излучения, для которого земная атмосфера прозрачна. Чтоб расходимость пучка была малой, можно, к примеру, использовать лазеры. Вобщем, передать энергию — это полдела, необходимо ее к тому же принять. Для этого нужно снабдить лифт высокоэффективными фотоэлектрическими преобразователями.

Любопытно, что многие принципные трудности, связанные с устройством дороги с Земли на орбиту, пропадают (либо же теряют свою остроту), если находить применение «лифтовому хозяйству» в далеком космосе, на что указывал снова же еще Арцутанов. Ведь с гравитацией астероидов, спутников планет либо даже Марса полностью могут совладать сегодняшние материалы и энерго установки. Не исключено, что 1-ые конструкции такового типа возникнут где-нибудь около Луны. Ее неспешное вращение, правда, не позволяет использовать ту же схему, что и с земной геостационарной орбитой, но конец троса с грузом можно поместить, к примеру, в точку либрации меж Луной и Землей. Таковой лифт будет длиннее земного, но требования к нему предъявляются не настолько жесткие.

Галлактическое ткачество

Представим, что трудности с материалом и энергетикой благополучно разрешены. Но ведь нужно еще каким-то образом выстроить сам галлактический лифт. Если сделать трос на Земле, то ракетные технологии навряд ли позволят полностью забросить его на орбиту. Даже если выводить трос в космос по частям, цена проекта навечно сделает лифт невыгодным — ведь масса материала может достигать многих тыщ тонн. Еще Арцутанов предложил начать с маленький спущенной с небес «нитки». Но как спустить с геостационарной орбиты первую, хотя бы и очень узкую нить? Необходимо, конечно, выпускать сходу два «уса» — в обратных направлениях, к Земле и от нее, — с тем расчетом, чтоб сам спутник в процессе вытравливания этого троса не сдвигался с подходящей орбиты. При движении на трос будет действовать сила Кориолиса, отклоняющая его от вертикального направления, а на исходном участке нить вообщем будет покоиться в невесомости. Потому ее движением, возможно, придется какое-то время управлять при помощи маленьких движков корректировки.

Галлактический «фуникулер»

Противовес галлактического лифта, находящийся на высоте геостационарной орбиты, обеспечивал бы неизменное натяжение конструкции

Когда нить достигнет Земли, по ней взберутся 1-ые роботы-строители, которые примутся увеличивать толщину каната уже на месте. В принципе эти «паучки» могут быть самых что ни на есть микроскопичных размеров. Может быть, к тому времени, когда развернется галлактическая стройка, нанороботы, которые сейчас кажутся нам чуть ли не большей фантастикой, чем сам лифт с Земли на небо, уже станут реальностью, и довольно будет просто их запрограммировать. Эти же невидимые труженики-нанороботы могли бы подновлять материал, устраняя повсевременно возникающие недостатки и повреждения. Кстати, если развитие нанотехнологий пойдет в согласовании с оптимистичными прогнозами, то должны показаться и саморазмножающиеся нанороботы. Вся цена галлактического лифта будет тогда определяться только услугами проектировщиков и программистов, ну и созданием первичной нити. Нужно только побеспокоиться о безопасности внедрения нанороботов «на свежайшем воздухе» — исключить неконтролируемое размножение, мутации и т. п. Если это будет изготовлено, лифты вообщем станут «самособирающимися» и самообслуживающимися и органично впишутся в ландшафт будущего века нанотехнологий.

Вобщем, целый ряд суровых заморочек остается и после удачного построения галлактического лифта — на стадии эксплуатации. Определенное беспокойство спецам, следящим за целостностью нитей, может доставлять разный галлактический мусор. Очевидные грозы с ураганами либо оледенение могут разрушить нижний, самый узкий участок троса, а так как вверху он только утолщается, нельзя вернуть обрыв, просто малость приспустив трос. В число вероятных бед включают и собственные колебания огромной «струны», которые могут привести к ее разрушению. У трудности построения дороги на небо есть также определенные военные и политические нюансы. Довольно представить, как симпатичной мишенью для террористов станет такое циклопическое хрупкое сооружение!

Допустив на минутку, что все трудности удалось обойти, и посчитав вероятную выгоду от этого предприятия, мы сходу усвоим интерес NASA. Ведь с приходом лифтов себестоимость поднятия килограмма на высоту геостационарной орбиты составит от нескольких баксов (согласно оптимистичным оценкам) до сотен баксов (по самым пессимистичным). Сравните это с тыщами и десятками тыщ баксов за килограмм при современных ракетных разработках. По воззрению Брэдли Эдвардса, 1-го из основоположников компании HighLift Systems, которой NASA выделило финансирование для исследовательских работ по дилемме галлактического лифта, на реализацию проекта будет нужно от 10 до 40 млрд баксов — сопоставимо с разработкой новых шаттлов. Если веровать этой оценке, то издержки с лихвой окупятся уже за 1-ые десятилетия эксплуатации нового чуда техники.

Галлактический лифт в фантастике

Артур Кларк (Англия), «Фонтаны рая» (1978). Российский перевод — 1980.

Чарльз Шеффилд (США), «Паутинка меж мирами» (1979) — роман содержит подробное описание галлактического лифта. На российский язык не переводился.

Ким Стэнли Робинсон (США), трилогия «Цветной Марс» (начиная с 1992) — история марсианского и земного лифтов от южноамериканского лауреата премий «Небьюла» и «Хьюго»; тросы лифтов делаются из углеродных нанотрубок, которые вырабатываются на астероиде, а потом погружаются в атмосферу, астероид при всем этом употребляется как противовес.

Фредерик Пол и Томас Т. Томас (США), «Марс Плюс» (1994) — в качестве «лифта» на Марсе бытует так именуемый галлактический фонтан, безпрерывно выбрасывающий железные кольца. Роман переведен на российский язык.

Дэвид Геррольд (США), «Соскочить с планеты» (1998). В ближнем будущем мир поделят меж собой огромные компании, а в Западном полушарии построят космолифт. При помощи него на геостационарную орбиту сбегает 13-летний мальчишка Чарльз.

Павел Шумил (Наша родина), «Должны любить» (2002). В романе бытует привязь, спущенная с объекта на геостационарной орбите и прикрепленная на экваторе планетки. С ее помощью планетку разворачивают, чтоб растопить ледяные континенты. Герои Шумила вспоминают «Фонтаны рая» Кларка, но, похоже, к звездам в том мире путешествуют без внедрения галлактического лифта.

Александр Громов (Наша родина), «Завтра наступит вечность» (2002). Галлактический лифт, затерянный кое-где на задворках Москвы, уживается со всей неустроенностью нашей жизни. Правда, у лифта там «нормальный» сверхпрочный трос подменяет некоторый «энергошнур». При подъеме герои также вспоминают книжку Артура Кларка.

Бен Бова (США), «Меркурий» (2005). Изображен случай нападения террористов на галлактический лифт, из-за которого гибнут миллионы людей. Перевода на российский язык еще как бы нет.

Мысль галлактического лифта отыскала также свое отражение в кинофильмах, сериалах, мультах, аниме… К примеру, в телесериале «Стар Трек» (эпизод «Подъем» 4-ого сезона подсерии «Вояджер», 1995) грузовой галлактический лифт служит средством спасения для экипажа звездолета, застрявшего на планетке с буйной турбулентной атмосферой. В аниме-фильме «GUNNM: Боевой Ангел Алита» (1993) японского художника Йокито Киширо зрителям удается полюбоваться остатками разрушенного галлактического лифта, нависающего над городской свалкой. В восхитительном французском мульте «Каена: Пророчество» (2003) в качестве космолифта выступает циклопическое дерево, уходящее корнями на орбиту. Галлактический лифт просочился и в некие компьютерные игрушки. К примеру, он бытует на одном из последних уровней известной экономической реал-тайм стратегии «Civilization: Call To Power». Так что фантасты успели поработать над развитием идеи галлактического лифта никак не меньше, чем «безумные» инженеры.

Галлактический лифт в вебе

www.liftport.com — Компания LiftPort, планирующая запустить лифт в 2031 году

www.isr.us/research_es_se.asp — Материалы по галлактическому лифту от Institute for Scientific Research

www.spaceelevatorblog.com — Официальный блог соревнований галлактических лифтов

www.spaceelevator.com — Независящий блог по теме галлактического лифта

Нашествие лифтеров

Уже 2-ой год попорядку группы энтузиастов со всех концов света собираются для того, чтоб показать свои разработки в области «космического лифтостроения» и попробовать выиграть X Prize Cup, учрежденный при содействии NASA. При всем этом часть групп привозит механизированные «вагончики», ползающие по канату и получающие энергию от фотоэлементов, а другие показывают эталоны материалов, довольно легких и крепких, чтоб выдержать собственный свой вес и вес передвигающихся по ним устройств. Все эти проекты объединены одной целью: приготовить 1-ые ступени той лестницы, по которой мы поднимемся прямо на небеса…

Участники должны были предъявить бота весом менее 50 кг, который ползал бы по узкому вертикальному канату длиной 50 метров со скоростью 1 метр за секунду, питаясь дистанционно от 10-киловаттного прожектора (требования пока довольно умеренные), также эталон материала для троса, превосходящего по собственной прочности эталон, уже имеющийся в распоряжении у NASA. К огорчению, за два года никто так и не сумел совладать с этими задачками.

После проведения 20 и 21 октября 2006 года второго шага соревнований призовой фонд составляет уже 600 тыщ баксов. В отличие от прошедшего года команде Института канадской провинции Саскачеван (University of Saskatchewan, Саскатун) сейчас удалось впритирку приблизиться к решению первой из намеченных целей. Их роботу-альпинисту не хватило только пары секунд, чтоб впору достигнуть самого верха.

С созданием троса все еще ужаснее. Для испытаний команды должны были представить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала, которое особая установка проверила бы на разрыв. К испытаниям была допущена всего одна команда, и ее трос разорвался при нагрузке в 606 кг, еще ранее эталона от NASA, который разорвать так и не удалось — опыт закончили при нагрузке в 754 кг, так как начали гнуться железные элементы установки.

В конкурсах X Prize Cup не участвует южноамериканская компания LiftPort Group, получившая известность после очень звучного обещания запустить галлактический лифт уже к 2018 году. (Позже срок был перенесен на 2031 год.) Компания проводит собственные опыты, которые смотрятся впечатляющими, да и их еще нельзя именовать совершенно точно успешными. Так, сначала 2006 года автоматический подъемник, работающий на аккумах, взбирался в небо по крепкому канату, натянутому при помощи 3-х воздушных шаров. Из полутора км бот смог преодолеть только 1-ые 460 м. Все же компания планирует скоро провести повторные тесты на тросе высотой 3 км.

Таким макаром, создание галлактического лифта пока находится за пределами способностей современных технологий, и нет полной ясности, получится ли с течением времени решить все трудности, стоящие перед разработчиками. А поэтому нет и конкретного ответа на вопрос, стоит вкладывать суровые средства в проекты галлактических лифтов либо лучше издержать их на предстоящее развитие ракетной техники.

Максим Борисов