В космос на лифте

Главная деталь этого фантастического сооружения - сверхлегкий и сверхпрочный трос, по которому будет подниматься кабина, движимая мощнейшим пучком света. Создание такого пучка - предмет второго конкурса. Победитель в каждом из объявленных состязаний получит по 50 тысяч долларов, а общий фонд Премии столетия составляет сейчас 400 тысяч долларов.
Премии всегда играли важную роль в стимулировании новых достижений в науке и технике. И в данном случае разработки, поддержанные обещанной наградой, помогут, как ожидается, реализовать проект НАСА под названием Vision for Space Exploration, предусматривающий, в частности, создание обитаемой базы на обратной стороне Луны. О серьезности проекта говорит хотя бы то, что в нем, кроме НАСА, участвуют Национальная лаборатория в Лос-Аламосе и Американский институт научных исследований.[!]
“Это волнующее начало всей затеи: инновации, почерпнутые из этих состязаний, будут способствовать прогрессу в создании аэрокосмических материалов и структур, приведут к новым методам работы на поверхностях планет и даже к развитию футуристических концепций вроде космических подъемников и спутников на солнечной энергии”, - считает один из менеджеров программы Брент Спонберг. Итоги первых этапов обоих конкурсов будут подведены к концу текущего года.
А началась эта история лет тридцать назад. Тогда, в конце 1970-х годов, в НАСА вышел очередной меморандум №75174. Техническое издание на этот раз содержало перевод статьи из советского научно-популярного журнала – настолько заинтересовала американских специалистов идея кандидата физико-математических наук, доцента Астраханского пединститута Георгия Полякова. Сотрудников американского космического ведомства привлекла в статье “Космическое ожерелье Земли” мысль о возможности принципиально нового решения транспортной проблемы для будущих орбитальных поселений. Ученый из России считал, что вместе с ракетами-носителями эту задачу поможет выполнить... космический лифт.
Собственно, сама идея высказывалась не впервые. Еще в 1960 году о ней узнали читатели “Комсомольской правды”. В номере от 31 июля в газете была помещена статья ленинградского инженера Юрия Арцутанова, в которой он описывал “небесный фуникулер”, поднимающий грузы на геосинхронную орбиту.
Фантастический проект остался тогда почти незамеченным. Только космонавт Алексей Леонов и художник А. Соколов откликнулись на него своей картиной. Но через несколько лет после выступления Арцутанова материалы об аналогичных сооружениях стали появляться и в иностранных журналах. А в 1979 году вышел научно-фантастический роман Артура Кларка “Фонтаны рая”, канву которого составляет строительство космического лифта.
Однако зарубежные авторы, в том числе и известный английский писатель-фантаст, ни единым словом не упомянули о приоритете основоположника теоретической космонавтики, как его называли на родине, Константина Циолковского, хотя Поляков и говорил об этом в своей статье.
Вот что было написано в конце XIX века в маленькой провинциальной Калуге: “На планете стояла страшной высоты башня, сверху и снизу тонкая, вроде веретена, и совсем без опоры, то есть не касаясь планеты. Мы ходили под этим воздушным замком и удивлялись, почему он не падает к нам на головы. Дело в том, что верхняя его часть от центробежной силы стремится улететь, а нижняя – тянет в противоположную сторону. Форма и положение ее таковы, что равновесие неизменно соблюдается”.
Книга, из которой взята эта цитата, называется “Грезы о Земле и небе”. И действительно, тогда это могло быть лишь мечтой. Однако, описывая свой проект, Поляков почти буквально, только используя более современную терминологию, повторяет Циолковского: “На экваторе Земли закреплен трос, к свободному концу которого “привязан” спутник. Длина троса превышает высоту геосинхронной орбиты, где тело имеет период обращения такой же, как и Земля. Другими словами, оно неподвижно висит над поверхностью планеты. На лифт действуют две противоположные силы: гравитационная и центробежная, обусловленные тяготением и суточным вращением Земли. В точке, расположенной на отметке стационарной орбиты, они взаимно уравновешены”.
Несущий трос такого лифта будет устойчив лишь тогда, когда действующая на него центробежная сила несколько превысит силу притяжения Земли. Поэтому спутник или орбитальная станция на его верхнем конце располагаются немного выше стационарной орбиты. По сравнению с ее высотой – 36 тысяч километров – превышение это совсем небольшое.
Выше и ниже основной базы симметрично подвешиваются помещения, в которых по условиям работы требуется наличие гравитации. Это могут быть промежуточные станции-вокзалы, научные лаборатории, жилые и производственные блоки, оранжереи... К ним швартуются грузовые и пилотируемые транспортные корабли и другие космические аппараты.
Все эти проекты и сегодня выглядят совершенно нереальными. Да и как можно иначе относиться к висячим конструкциям протяженностью в несколько тысяч километров? Какие материалы выдержат такие нагрузки? Канаты из самой лучшей стали порвутся под собственным весом, не достигнув и малой доли нужной длины.
Но это сегодня, а завтра? После того как в 1991 году японец Сумио Идзима открыл углеродные нанотрубки, многие эксперты стали утверждать, что человечество уже обладает необходимым материалом для реализации идеи космического лифта. Нанотрубка - это пустотелый цилиндр, состоящий из атомов углерода. Фактически это как бы одна гигантская молекула углерода. Диаметр такого цилиндра в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Однако при этом канаты, сплетенные из нанотрубок, обладают феноменальной прочностью: они прочнее стали в сто раз. Это примерно в 3-5 раз большая прочность, чем требуется для постройки лифта.
По расчетам ученых, представленным осенью 2003 года на Второй ежегодной конференции по космическим лифтам (Second Annual Space Elevator Conference) в городе Санта-Фе, штат Нью-Мексико, несмотря на кажущуюся хрупкость, трос, состоящий из нанотрубок, способен поднимать груз в 13 тонн на высоту сто тысяч километров! При этом вес километра троса составит всего 7,5 кг. А на первой аналогичной конференции, проходившей годом ранее в Альбукерке, физик Лос-Аламосской национальной научной лаборатории, колыбели атомной бомбы, Брэдли Эдвардз заявил, что лет этак через пятнадцать десяток таких лифтов будут доставлять на орбиту по 50 тонн грузов в сутки.
Конечно, конструкторам предстоит еще решить очень много научных и инженерных задач. Самая главная из них - научиться плести сверхдлинные канаты из нановолокна. Дело в том, что на сегодня самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, имеют длину всего в несколько сантиметров. А ведь речь идет о тросе длиной в десятки тысяч километров. Сейчас над этим работают специалисты во многих странах. Первых успехов достигли ученые из Кембриджского университета в Англии, которые разработали способ формирования пряжи из нанотрубок. Так что вполне возможно, что совсем скоро тросы из наноматериалов перестанут быть экзотикой.
Следует учитывать, что протянувшиеся между Землей и небом канатные дороги не обязательно должны быть однородными. Расчеты показывают, что наибольшие усилия прикладываются к тросу на высоте геостационарной орбиты, а по мере удаления от нее напряжение спадает. Поэтому верхние и нижние участки несущей конструкции могут быть тоньше средних и изготовляться из менее прочных материалов. Именно этим, по-видимому, объясняется и “веретенообразная” форма “воздушного замка” Циолковского.
Строительство космического лифта начнется с запуска на стационарную орбиту мощными ракетами-носителями крупной станции. К ней будет крепиться один конец троса из нанотрубок, а другой закрепят на океанской платформе, плавающей на Земле в районе экватора. А по тросу будут перемещаться грузовые кабины с электромоторами.
По мере приближения кабин к геосинхронной орбите устремленная к Земле сила притяжения убывает, а центробежная, напротив, растет. Когда они сравняются, наступит невесомость. А выше начнет превалировать центробежная сила, стремящаяся отбросить дальше в космос любой попавший сюда предмет. Это можно использовать для “безракетных” запусков космических аппаратов к другим планетам и астероидам.
Скорость и направление полета при этом будут определяться удаленностью стартовой площадки от наземной базы и временем отделения корабля от лифта. На нем можно построить несколько таких “космодромов”, каждый из которых будет обслуживать свою межпланетную трассу. Если же стартовые площадки расположить на лифте ниже точки равновесия, отделившиеся от них спутники будут летать вокруг Земли внутри стационарной орбиты.
Как транспорт, космические лифты выгодно отличаются от ракет-носителей. Стоимость доставки с помощью лифта одного килограмма груза на околоземную орбиту составит 200 долларов. В настоящее время каждый поднятый в космос килограмм обходится налогоплательщикам в сотни раз дороже. Конечно, на постройку самого лифта, особенно первого, уйдут немалые средства. Специалисты называют внушительную сумму в десять миллиардов долларов. Конгресс и НАСА уже выделили на эти цели более трех миллионов - лиха беда начало.
При малом потреблении энергии лифт имеет очень высокую пропускную способность, не загрязняет окружающую среду, не разрушает озоновый слой атмосферы, защищающий нас от солнечного ультрафиолета. Правда, вместо считанных минут подъем в космос на лифте займет больше недели - предполагаемая скорость космического подъемника 15 метров в минуту, – но, учитывая перечисленные выше преимущества, с этим недостатком можно смириться.
Интересный проект космического лифта разрабатывают сейчас по заданию Европейского космического агентства (ESA) российские ученые из Самарского государственного аэрокосмического университета. Они предложили использовать подобное устройство для спуска на Марс. Речь идет о спускаемом аппарате, который будет прикреплен к орбитальному модулю при помощи суперлегкого троса из полиэтиленового волокна - дайнима длиной в 30 километров. Ученые полагают, что трос будет удерживать капсулу только в верхних слоях атмосферы - потом он сгорит, а спускаемый аппарат “примарсится” на парашюте.
Один из создателей первого искусственного спутника Земли как-то признался, что далеко не сразу осознал, какое великое дело было совершено тогда, в 1957 году. И в оправдание сослался на поэта Валерия Брюсова, сказавшего, естественно, по другому поводу, что “грандиозные события почти неощутимы для непосредственных участников: каждый видит лишь одну деталь, находящуюся перед глазами, объем целого ускользает от наблюдения. Поэтому, вероятно, очень многие как-то не замечают, что человечество вошло в “эпоху чудес”.
Создание космического лифта несомненно станет одной из наиболее ярких примет этой эпохи.