В космос на лифте?

Полеты в космос пока еще чрезвычайно дороги, опасны и разрушительны для окружающей среды. Ракеты с химическими двигателями не позволяют кардинально изменить ситуацию, а использование более эффективных типов двигателей в ближайшей перспективе не предвидится. Альтернативой ракетам может стать космический лифт.

В настоящее время человечество столкнулось с рядом серьезных проблем экономического, экологического, социального характера. Нехватка природных ресурсов и энергии, безработица, загрязнение окружающей среды – вот далеко не полный перечень. Предлагаемые решения зачастую неэффективны, а иногда просто неприемлемы.

Одним из способов преодоления данных проблем является распространение среды обитания человека в околоземное космическое пространство. Об этом уже давно говорили выдающиеся мыслители. Это позволило бы создать принципиально новые направления деятельности и вывело бы человечество на новый уровень развития.

Примером могут служить орбитальные заводы по выпуску сверхчистых полупроводников, а также конструкционных материалов с особыми свойствами (полученных в условиях невесомости  и вакуума). Развитие нанотехнологий в условиях космоса открывает безграничные перспективы для создания уникальных устройств и машин.

Построение солнечных электростанций на орбите позволит получить большое количество энергии. Освоение ресурсов Луны и астероидов даст необходимые и редкие на Земле элементы. Реализация идеи масштабного освоения космического пространства дала бы мощный импульс развитию научной мысли, открыла бы неограниченный потенциал для создания новых рабочих мест, решила бы многие экономические проблемы.

Однако при современном уровне развития ракетной техники организовать столь объемные проекты невозможно. Полеты в космос пока еще чрезвычайно дороги, опасны и разрушительны для окружающей среды. Ракеты с химическими двигателями не позволяют кардинально изменить ситуацию, а использование более эффективных типов двигателей в ближайшей перспективе не предвидится. Альтернативой ракетам может стать космический лифт.

Реализация данного проекта в корне изменит ситуацию и сделает транспортное сообщение с ближним космосом недорогим, эффективным и надежным. Рассмотрению данного вопроса и посвящен этот проект.

В космос на лифте: общие понятия

Космический лифт — замысел устройства по выведению грузов на планетарную орбиту или за её пределы. Основан на применении троса, протянутого от поверхности планеты к геостационарной орбитальной станции. Такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.

Трос будет удерживаться одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим — в неподвижной над планетой точке выше геостационарной орбиты за счёт силы, вызванной центростремительным ускорением. По тросу поднимается подъёмник (лифт-капсула), несущий груз.

За пределами геостационарной орбиты груз будет ускоряться, что позволит отправлять его при необходимости на более высокие орбиты. Горизонтальная скорость каждого участка троса растет с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости.

Существует несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.

Основание 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 дешевые и доступные источники энергии и возможность уменьшить длину троса.

Трос должен изготавливаться из материала с чрезвычайно высоким пределом прочности на растяжение (65—120 ГПа) и быть одновременно легким. Наиболее подходящим материалом являются углеродные нанотрубки (теоретическая прочность более 120 ГПа). Технология получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель разрабатывается. Нагрузка в разных точках троса будет неодинакова, поэтому его толщина должна быть различной.

Предлагаются разные способы конструкции подъёмников. На плоских тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счет силы трения. Другие варианты — движущиеся спицы с крючками на пластинах, ролики с выдвижными крючками, магнитная левитация.

Возможные внешние источники энергии — лазерные или микроволновые лучи.

Противовес может быть создан двумя способами — путем привязки тяжелого объекта (например, астероида) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант более предпочтителен, поскольку его легче осуществить и он позволит запускать грузы на другие планеты (горизонтальная скорость на конце троса может достигать второй космической).

Космический лифт: история вопроса и исследования в данной области

Впервые идею создания подобного устройства высказал Константин Циолковский в 1895 году. Он предложил построить башню высотой несколько тысяч километров, закрепленную на тверди околоземной орбиты. Основываясь на этой идее, в 1960 году аспирант Ленинградского технологического института Юрий Арцутанов в газете “Комсомольская правда” опубликовал статью “В космос на электровозе”.

Арцутанов писал: “Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните вращать эту примитивную пращу. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет веревку. Ну а что будет, если такую веревку укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз? Расчеты показывают, что если «веревка» будет достаточно длинной, то центробежная сила будет так же растягивать ее, не давая упасть на землю, как камень растягивает наш шпагат.

Ведь сила притяжения земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растет с увеличением расстояния. И уже на высоте около 42 тысяч центробежная сила оказывается равной силе тяжести. Вот, оказывается, какой длинной должна быть наша «веревка» в Космос – 50, а то и 60 тысяч километров. Да и груз к ней должен быть подвешен не маленький – ведь центробежная сила должна уравновесить вес каната… Но если это будет сделано, возникнет прямая канатная дорога с Земли в Космос!”

Юрий Арцутанов был первым, кто предложил идею кабельного космического транспорта для людей и грузов как альтернативу ракетам. Многие серьезные ученые сегодня серьезно рассматривают эту проблему. В частности, исследователи NASA и компания LiftPort Inc. вполне серьезно приступили к разработке данной системы. Согласно публикуемым данным, запуск реального космического лифта они собираются реализовать к 2018 году.

Сейчас идет разработка элементов системы, проводятся подъемы экспериментальных капсул по тросам, подвешенных к воздушным шарам. Идет неустанный поиск путей соединения углеродных нанотрубок в волокна, из которых и будет состоять трос. Эта проблема является ключевой, т. к. прочность, надежность и доступная цена троса – это главные условия реализации проекта. Ученые из политехнического университета Турина (Италия) разработали и продемонстрировали компьютерную программу, которая может моделировать и просчитывать многокилометровые кабели на основе углеродных нанотрубок.

Итальянские ученые промоделировали различные размеры, форму кабеля и зон концентрации дефектов. Расчеты показали, что максимальные нагрузки в кабеле не превышают ~ 10 ГПа, что делает реализацию проекта вполне осуществимой. Россия не может оставаться в стороне от данных разработок, так как обладатель такой транспортной системы получит неоспоримое преимущество в освоении космоса. В данной статье предлагается принципиальная схема возможной реализации проекта и представлен видеопроект, в котором эта схема наглядно представлена в действии.

В космос на лифте: составные элементы космического лифта в предложенной концепции и принцип действия системы

Космический лифт — конечная станция, являющаяся причалом для межпланетных кораблей. Предлагаемая система “Космический лифт” включает в себя следующие элементы: стартовая башня, нижняя станция (находящаяся на геостационарной орбите), верхняя станция (находящаяся на геосинхронной орбите, 60–100 тыс. км), лифт-капсула для перемещения грузов и пассажиров, трос (соединяющий стартовую башню с верхней станцией).

В качестве основания выбрано горное плато, на котором размещается стартовая башня максимально возможной высоты. Общая высота основания в этом случае составит несколько километров над уровнем океана. Такой выбор сделан с целью максимального сокращения длины троса. Кроме того, высокое расположение стартовой площадки позволяет избежать влияния дождевых облаков, что очень важно для эффективного применения лазера.

Доставка грузов и необходимого оборудования к башне осуществляется с помощью тоннелей, проделанных в горной породе. Стартовая площадка располагается в сферическом куполе башни. В верхней части купола расположен лазер постоянного действия для подачи энергии на лифт-капсулу.

Лифт-капсула представляет собой однообъемный модуль, на котором закреплены светопреобразовательные элементы для приема лучей лазеров. Нижний элемент предназначен для наземного лазера, верхний – для лазера, размещенного на орбитальной станции. Предлагаемая схема энергоснабжения должна обеспечить эффективную работу электропривода лифта-капсулы даже в случае облачности.

Модуль включает в себя отсек для полезной нагрузки, центр управления, электропривод с аккумуляторами, спасательный аппарат. Конструкция модуля предусматривает возможность присоединения дополнительного отсека с полезной нагрузкой.

В космос на лифте: схема системы

Система состоит из двух отрезков пути: стартовая башня – нижняя станция и нижняя станция – верхняя станция. Для упрощения эксплуатационных характеристик системы предлагается соединить эти два отрезка отдельными тросами. Во-первых, изготовить более короткий трос легче и дешевле, во-вторых, – в случае обрыва одного из участков троса его будет легче восстановить. Первый участок пути составляет 36 тыс. км.

На этой высоте располагается нижняя станция, имеющая линейную скорость, достаточную для запуска спутников на круговую орбиту. Поэтому грузы, предназначенные для вывода на орбиту, будут доставляться именно сюда. Космические челноки будут доставлять эти грузы и пассажиров в места назначения (орбитальные заводы, электростанции, лаборатории, лунные поселения). Станция имеет собственную электростанцию, получая энергию от Солнца и обеспечивая питание лазера для привода лифта-капсулы.

В случае обрыва троса с одной или другой стороны автоматически сработают ракетные двигатели станции, удерживая ее на нужной орбите (не давая ей упасть на Землю или улететь в межпланетное пространство), а специальная ракета с закрепленным на ней концом троса доставит его к стартовой башне или к верхней станции. Программное обеспечение бортового компьютера ракеты поможет точно доставить трос к цели. Соединение автоматически будет восстановлено, после чего двигатели станции будут отключены.

Верхняя станция  находится на высоте 60–100 тыс. км от поверхности Земли, являясь противовесом по отношению к первому отрезку пути и обеспечивая натяжение троса. Её линейная скорость достигает второй космической, поэтому она будет использоваться как стартовая площадка для отправки аппаратов в межпланетные полеты. Станция также снабжена собственными двигателями, электростанцией и системой восстановления троса.

Конструкция предложенной системы предоставляет возможность организации независимой работы лифтов-капсул на двух отрезках пути (стартовая башня – нижняя станция и нижняя станция – верхняя станция). Такая схема не потребует модернизации всей системы, но при этом возрастёт скорость транспортного оборота и повысится эффективность системы в целом.