Космические лифты: Космический лифт. Как, зачем, из чего / Хабр

Космический лифт. Как, зачем, из чего / Хабр

Узнать замечательное слово «ретрофутуризм» и даже прочесть эту статью мне довелось уже в бытность активного существования хаброблога, когда под моим последним январским постом развернулась дискуссия об осуществимости и целесообразности воздвижения сферы Дайсона. Немного разочаровавшись реакцией на тот пост, я отложил в долгий ящик обзорную статью о технологии и применении космического лифта, но вот и она дождалась своего часа. Во многом я нашел нужные мысли и слова, готовя материал о фуллеренах и, соответственно, освежив знания об углеродных нанотрубках. Поэтому вас ждет пост, категорически не относящийся к научной фантастике.

Вступление

Автором идеи космического лифта является Константин Эдуардович Циолковский. В 1895 году, осматривая в Париже новенькую Эйфелеву башню, Циолковский задумался о том, насколько реально было бы построить башню высотой до геостационарной орбиты, чтобы доставлять по ней грузы прямо в космос. Конструкция получалась практически неосуществимой: мало того, что ее основание на земле было бы сопоставимо по площади со всем Парижем, так и даже самая прочная сталь не выдержала бы такой нагрузки. Тем не менее, идею башни или мачты, выходящей прямо на орбиту, можно отнести к «невозможностям первого класса» в соответствии с парадигмой Мичио Каку: создание такой конструкции не противоречит законам физики, мы просто не владеем материалами и технологиями для осуществления проекта.

Следующая, вполне прикладная попытка подступиться к идее космического лифта была предпринята уже в СССР в 1960 году. 31 июля в воскресном приложении к «Комсомольской правде» вышла статья «В космос – на электровозе», написанная Юрием Николаевичем Арцутановым (1929 – 2019), в ту пору учившимся в аспирантуре Ленинградского технологического института. Тогда (третий год продолжаются космические запуски, но человек на орбите еще не бывал) Юрий Николаевич справедливо отметил, что космический полет на ракете не сможет стать массовым явлением, так как оказывает запредельные нагрузки на человеческий организм, а также требует тратить непозволительно много ресурсов и энергии на преодоление гравитации. Поэтому, предположил Арцутанов, запуск ракет должен осуществляться с орбиты, там, где они с легкостью будут приобретать вторую космическую скорость и отправляться в нужном направлении. Для этой цели на орбите должен быть развернут «целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет». Доставка людей и грузов на такую орбитальную станцию должна осуществляться по вертикальной трассе длиной 50-60 тысяч километров, так как для металлической конструкции такого размера примерно на высоте 42 тысячи километров центробежная сила (обусловленная орбитальным вращением Земли) станет примерно равна силе тяжести, под которой конструкция могла бы рухнуть на землю. Соответственно, такую конструкцию потребовалось бы составить из «наземной» несущей части, которая имеет переменную, увеличивающуюся толщину на пути к геосинхронной орбите, и из противовеса, который начинается на высоте порядка 42 000 километров и уравновешивает силу тяготения собственной центробежной силой.

Ажурную конструкцию подобной мачты Арцутанов предполагал снабдить железнодорожными путями, действующими по принципу маглева (поезда на магнитной подушке). Поезд должен был бы постепенно разгоняться до тех пор, пока не достигнет первой космической скорости, причем, гнать его вверх должно было исключительно магнитное поле. Горючее при этом бы не тратилось.

Здесь вкратце остановлюсь на практических соображениях, позволяющих осознать пользу и даже необходимость космического лифта. Космический лифт технически нереализуем в настоящее время – прежде всего, потому что у нас нет технологии для промышленного производства нанотрубок или аналогичного легкого и крепкого материала, из которого можно было бы собрать такой лифт. Тем не менее, космический лифт в отличие, например, от гиперлупа, не является улучшением какой-либо существующей технологии. Это принципиально новый, экологически чистый, а в долгосрочной перспективе — еще и экономичный проект. Космический лифт  открывает реальные возможности долговременной колонизации околоземной орбиты, колонизации Луны с возможностью устраивать экспедиции в любую точку нашего спутника. Космический лифт является одной из самых реалистичных предпосылок для освоения точек Лагранжа, которые, в свою очередь, могут оказаться удобны для промышленной переработки астероидов. Наконец, космический лифт – незаменимая технология для высадки на суперземли и благополучного отбытия с них. Теперь давайте обо всем по порядку.  

Конструкция космического лифта           

Примерно в таком виде космический лифт представляли еще в 1960-е. Возвращаясь к «башенной» модели космического лифта, предложенной Циолковским, отметим, что сила тяготения будет противоположным образом воздействовать на секции башни, расположенные ниже и выше геостационарной орбиты: нижняя часть башни будет стремиться упасть на землю, а верхняя – улететь в космос. Поэтому для стабилизации башни достаточно расположить центр ее массы существенно выше геостационарной орбиты. Земное притяжение, воздействующее на лифт, будет наименьшим на поверхности Земли и наибольшим – на геостационарной орбите. Выше геостационарной орбиты притяжения уже практически не будет, и именно там уместно развертывать первый космопорт дальнего следования.  

Следующее принципиальное отличие космического лифта от традиционного является неподвижность «ствола» всей конструкции относительно Земли (естественно, относительно спутников и космических станций лифт будет вращаться с той же скоростью, что и Земля). Напротив, подвижной частью лифта будут одинаковые подъемники-вагоны, которые будут уравновешивать друг друга, если в каждый момент времени один из них будет двигаться снизу вверх, а другой – сверху вниз. Подобную идею выдвинули в статье 2021 года китайские ученые.  Путь такого вагона с поверхности Земли на геостационарную орбиту может занимать от нескольких дней до считанных часов. Поскольку подъемники будут выполнять не только транспортную, но и уравновешивающую функцию, они не могут нести с собой горючего. Во-первых, объем горючего относительно объема вагона был бы настолько же велик, как и объем горючего, необходимого для вывода ракеты-носителя на орбиту. Во-вторых, с выгоранием топлива менялась бы и масса всего подъемника, вернее, всех задействованных подъемников одновременно – что значительно дестабилизировало и раскачивало бы всю систему. Поэтому в модели Арцутанова предполагалось запитывать подъемники электричеством, пропущенным через кабели на протяжении всего лифта (нереализуемо), впоследствии высказывалась версия, что передавать энергию подъемнику можно было бы при помощи лазеров. В наше время гораздо логичнее выглядит конструкция, при которой лифт использует солнечную энергию, поскольку (например, по всей длине) облицован солнечными батареями. Ниже я упомяну, почему единственным реалистичным материалом для возведения космического лифта представляются углеродные нанотрубки. Тем не менее, уже здесь можно оговориться, что углеродные структуры, прежде всего, фуллерены, вполне могут применяться и в качестве фотоэлектрических элементов. Таким образом, принципиально возможно собрать из углерода как несущую конструкцию лифта, так и его энергетическое оснащение (солнечные батареи). Также упомяну ниже, почему это возможно, но не оптимально.

Базовая станция космического лифта должна располагаться на экваторе, поскольку вывод тела на геостационарную орбиту тем проще, чем ближе к экватору находится точка старта. При этом, благодаря закону Архимеда, вес плавучей морской платформы будет снижаться, даже если она будет обширна как искусственный остров.       

При этом на экваторе удобно расположить базовую станцию так, чтобы она находилась далеко от крупных течений, при этом была в нейтральных водах, и к ней без проблем подходили контейнеровозы любого размера, в том числе, подвозящие сборные и негабаритные грузы.

Итак, собрать наземную платформу для космического лифта можно уже на нынешнем уровне технологического развития. По-настоящему монструозная задача – именно дотянуть ствол лифта до 50 000-километровой высоты, так, чтобы он не разорвался задолго до геостационарной орбиты, а также найти, как (и из чего) собрать противовес на той стороне конструкции. При этом возводимая конструкция должна находиться в плотной земной атмосфере и выдерживать капризы погоды, солнечную радиацию, удары метеоритов, а выше атмосферы – и столкновения с космическим мусором. Наконец, необходимый для лифта материал ни в коем случае не должен быть горючим – потушить пожар на такой высоте будет практически невозможно.

Предполагается, что достаточной прочностью для сборки космического лифта обладают лишь углеродные нанотрубки. На сайте Роснано читаем, что коэффициент прочности одностенных углеродных нанотрубок составляет 50 ГПа. Этот коэффициент можно вычислить, поделив силу разрыва (70 нН для углеродной нанотрубки диаметром 1,5 нм) на площадь поперечного сечения. Такой расчет показывает, что прочность нанотрубок по пессимистичным оценкам составляет 40 ГПа, но может доходить и до 100 ГПа, то есть, кабель выдержит нагрузку 10 тонн на сечение площадью 1 мм². Для сравнения: у стали этот показатель доходит до 0,4 ГПа (ближе к 0,34 ГПа), у монокристалла железа – 1,3 ГПа, для графена – 350 ГПа. Значения, достигнутые на практике для углеродных нанотрубок и графена к 2019 году, составляют 28 и 94 ГПа соответственно.

Несмотря на столь оптимистичные показатели, пока до промышленного применения нанотрубок еще очень далеко, поскольку к настоящему времени удалось вырастить нанотрубку длиной не более нескольких метров.

В качестве альтернативы углеродным нанотрубкам могут использоваться еще более прочные сверхтонкие алмазные волокна, полученные в 2017 году группой Джона Баддинга в Пенсильванском университете. Такую углеродную структуру удалось получить сжатием молекул бензола под давлением 200 000 атмосфер. В результате атомы углерода пересобирались в чрезвычайно прочную кристаллическую решетку, ячейка которой напоминает по форме тетраэдр.

С физической точки зрения длина углеродных трубок может быть практически неограниченной, но даже столь прочный материал как графен наверняка не выдержит наращивания до геостационарной орбиты и рухнет под собственной тяжестью.

Революционное решение, позволяющее решить эту проблему уже на современном уровне развития технологий, было предложено Зефиром Пенуаром и Эмили Сэндфорд в 2019 году. Возможно, первую очередь космического лифта было бы реалистичнее не возвести с Земли, а свесить с Луны.

Точки Лагранжа и космический лифт

В районе земной орбиты есть удивительные места, в которых гравитация практически не действует, поскольку в них гравитация Земли и другого небесного тела гасит друг друга. В 1772 году эти точки открыл французский математик Лагранж, заинтересовавшийся, есть ли в Солнечной системе такое место, где гравитация Солнца и Земли равны. Выяснилось, что таких точек, где гравитация Земли и Солнца и Земли и Луны гасят друг друга, целых 5. Их назвали L1, L2, L3, L4 и L5. Если поместить в точку Лагранжа космический аппарат или, например, космическую станцию, он(а) никуда оттуда не денется. Точки Лагранжа определенно есть и у других объектов в Солнечной системе – например, по-видимому, именно в такой точке между Марсом и Юпитером засел астероид Ахиллес.    

Идея Пенуара и Сэндфорд заключается в следующем. Если бы удалось построить на Луне базу для космического лифта, закрепить там тонкий углеволоконный трос, а затем протянуть его через точку Лагранжа в направлении Земли, то именно в этой точке можно было бы начать обустройство постоянной колонии на полпути между Землей и Луной.

Поскольку на такой станции естественная гравитация бы отсутствовала, оттуда можно было бы сравнительно легко добираться в любую точку Луны. Стали бы технически целесообразны регулярные лунные экспедиции, в том числе, за ценнейшим гелием-3, необходимым для развития термоядерной энергетики. С этой станции, в свою очередь, было бы удобно тянуть космический лифт в сторону Земли, собирая в нужной точке тот противовес, который обеспечит нужное натяжение для участка лифта «Земля – точка Лагранжа». Подробнее о потенциальном использовании точек Лагранжа в космонавтике и в особенности в освоении Луны рассказано в статье с сайта gagarin.ru, где на вопросы журналиста отвечает доктор технических наук Юрий Петрович Улыбышев, заместитель руководителя корпорации «Энергия».  

Я же в данном случае хочу подчеркнуть еще два важнейших аспекта, связанных со спусканием космического лифта из точки Лагранжа.

Во-первых, такая конфигурация значительно облегчает строительство орбитального противовеса-стабилизатора, поскольку материалы для него будут буквально под рукой. На сборку стабилизатора можно пустить космический мусор и отработанные искусственные спутники.

Во-вторых, стабилизатор можно было бы укрепить металлами с небольшого астероида, пришвартовать который к станции также удалось бы лишь в условиях пренебрежимой гравитации.

Более того, в будущем технология спускаемого космического лифта (с естественных спутников или из точек Лагранжа) могла бы стать незаменима при освоении суперземель. Как известно уже сегодня по результатам работы телескопа «Кеплер», в нашей Галактике широко распространены каменные планеты, подобные Земле по химическому и, возможно, геологическому составу, но превышающие ее по размеру в два-три раза. Существует предположение, что такие планеты могут оказаться сверхобитаемыми, так как смогут удерживать на поверхности больше воды и плотные насыщенные атмосферы. Но при этом они являются настоящими «гравитационными колодцами» как для любой пилотируемой экспедиции с Земли, так и для потенциальной аборигенной космонавтики. Первая космическая скорость на суперземле настолько велика, что для выхода на ее орбиту с использованием привычного нам топлива потребовалась бы ракета-носитель размером с пирамиду Хеопса. Поэтому, возможно, жители таких планет просто заперты в своих мирах. Соответственно, как с обитаемой, так и с необитаемой суперземли не мог бы улететь и случайно оказавшийся там земной корабль. Не хватило бы топлива.

Но освоение суперземель серьезно упрощается при наличии отлаженной технологии космического лифта. Даже если у суперземли не будет удобного спутника, близ нее наверняка удастся найти удобную точку Лагранжа и размотать углеволоконный (или аналогичный, более прочный) трос до горной вершины на этой планете – кстати, из-за усиленной гравитации горы на суперземле должны быть сравнительно низкими. Но здесь я уже слишком углубляюсь в научную фантастику.

Важной критичной уязвимостью углеродного космического лифта, которую здесь следует рассмотреть, является горючесть углеволокна. Углеродные нанотрубки не просто горят, а вспыхивают. Поэтому предполагается, что более безопасным и при этом крепким материалом для производства таких трубок может стать не углерод, а кремний, точнее, силицен – кремниевый аналог графена. Кристаллические решетки из кремния значительно сложнее получать, чем графен. Тем не менее, силицен удалось наблюдать в 2010 году, а в 2012 году – вырастить искусственно. Исходно с силиценом связывались определенные надежды в полупроводниковой промышленности, но практика показала, что он неприменим в микроэлектронике, так как слишком быстро распадается на обычный кремний. Мне не удалось найти материалов о практическом получении кремниевых нанотрубок, аналога углеродных, на основе кремния. С другой стороны, именно при армировании космического лифта силицен мог бы прийтись кстати, в том числе, и потому, что должен легко интегрироваться с микроэлектроникой, также создаваемой на кремниевой основе. Возможно, организовать поточное производство силиценового волокна удастся при помощи 3D-печати.

Заключение

Я отдаю себе отчет в том, что на момент подготовки этой публикации создание космического лифта – далеко за пределами возможностей человечества. Даже Илон Маск, известный своими масштабными проектами, отказался высказаться на тему космического лифта. Я намеренно обошел здесь сугубо экономическую выгоду такого проекта – потенциально космический лифт позволил бы удешевить доставку одного килограмма груза на орбиту с 20 000 долларов (сейчас) до 500 долларов; при описанных же здесь перспективах лифт мог бы работать «на спуск» не менее активно, чем «на подъем». Надеюсь, мне удалось парировать все или хотя бы некоторые критические замечания из статьи «Придется ли нам распрощаться с мечтой о космических лифтах?», вышедшей в 2015 году, и дать вам пищу для размышления.

Лифт на орбиту: научная фантастика или вопрос времени?

• Ник Флеминг
• BBC Future

12 марта 2015

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Science Photo Library

Благодаря космическим лифтам, способным доставлять людей и грузы с поверхности Земли на орбиту, человечество смогло бы отказаться от использования экологически вредных ракет. Но создать подобное устройство непросто, как выяснил корреспондент
BBC Future.

Когда речь заходит о прогнозах по поводу развития новых технологий, многие считают авторитетом миллионера Элона Маска — одного из лидеров сектора негосударственных научно-исследовательских работ, которому пришла в голову идея «Гиперпетли» — проекта высокоскоростного трубопроводного пассажирского сообщения между Лос-Анджелесом и Сан-Франциско (время в пути займет всего 35 минут). Но есть проекты, которые даже Маск считает практически не осуществимыми. Например, проект космического лифта.

«Это слишком технически сложная задача. Вряд ли космический лифт можно создать в реальности», — заявил Маск на конференции в Массачусетском технологическом институте прошлой осенью. По его мнению, проще соорудить мост между Лос-Анджелесом и Токио, чем построить лифт на орбиту.

(Похожие статьи из раздела «Журнал»)

Идея отправлять людей и грузы в космос внутри капсул, скользящих вверх вдоль гигантского троса, который удерживается на месте благодаря вращению Земли, не нова. Подобные описания можно встретить в работах таких писателей-фантастов, как Артур Кларк. Однако осуществимой на практике эту концепцию до сих пор не считали. Может быть, уверенность в том, что нам по силам решить эту чрезвычайно сложную техническую задачу, — на самом деле лишь самообман?

Энтузиасты космического лифта считают, что построить его вполне возможно. По их мнению, ракеты, работающие на токсичном топливе, представляют собой устаревший, опасный для человека и природы и чрезмерно дорогостоящий вид космического транспорта. Предлагаемая альтернатива по сути является железнодорожной веткой, проложенной на орбиту — суперпрочный трос, один конец которого закреплен на поверхности Земли, а другой — к противовесу, находящемуся на геосинхронной орбите и потому постоянно висящему над одной точкой земной поверхности. В качестве лифтовых кабинок использовались бы электрические аппараты, движущиеся вверх и вниз вдоль троса. Благодаря космическим лифтам стоимость отправки грузов в космос удалось бы снизить до 500 долларов за килограмм — согласно недавнему отчету Международной академии астронавтики (IAA), сейчас эта цифра составляет приблизительно 20000 долларов за килограмм.

Автор фото, Getty

Подпись к фото,

Энтузиасты космических лифтов указывают на вредность технологий запуска ракет на орбиту

«Данная технология открывает феноменальные возможности, она обеспечит человечеству доступ к Солнечной системе, — говорит Питер Суон, президент Международного консорциума по созданию космического лифта ISEC и соавтор отчета IAA. — Я думаю, что первые лифты будут работать в автоматическом режиме, а спустя 10-15 лет в нашем распоряжении уже будет от шести до восьми таких устройств, достаточно безопасных, чтобы транспортировать людей».

Истоки идеи

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Сложность в том, что высота подобного сооружения должна составлять до 100 000 км — это больше, чем два земных экватора. Соответственно, конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать собственный вес. На Земле просто нет материала с необходимыми прочностными характеристиками.

Но некоторые ученые думают, что эту проблему можно будет решить уже в текущем столетии. Крупная японская строительная компания объявила о том, что собирается соорудить космический лифт к 2050 г. А американские исследователи недавно создали новый алмазоподобный материал на основе нанонитей из сжатого бензола, расчетная прочность которого может сделать космический лифт реальностью еще при жизни многих из нас.

Впервые концепция космического лифта была рассмотрена в 1895 г. Константином Циолковским. Российский ученый, вдохновленный примером недавно построенной Эйфелевой башни в Париже, занялся исследованием физических аспектов строительства гигантской башни, при помощи которой можно было бы доставлять космические корабли на орбиту без использования ракет. Позднее, в 1979 г., эту тему упомянул писатель-фантаст Артур Кларк в романе «Фонтаны рая» — его главный герой строит космический лифт, схожий по конструкции с обсуждаемыми сейчас проектами.

Вопрос в том, как воплотить идею в жизнь. “Мне нравится дерзость концепции космического лифта, — говорит Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона. — Я могу понять, почему она кажется людям такой привлекательной: возможность добираться до низких орбит Земли недорого и безопасно открывает для нас всю внутреннюю область Солнечной системы».

Проблемы безопасности

Однако построить космический лифт будет непросто. «Начать с того, что трос необходимо изготовить из суперпрочного, но гибкого материала, обладающего необходимыми весовыми и плотностными характеристиками, чтобы поддерживать вес движущихся по нему аппаратов, и одновременно способного выдерживать постоянные поперечные воздействия. Сейчас такого материала просто не существует, — говорит Фонг. — Кроме того, строительство такого лифта потребует самого интенсивного использования космических кораблей и самого большого количества выходов в открытый космос за всю историю человечества».

По его словам, нельзя сбрасывать со счетов и проблемы безопасности: «Даже если нам удастся преодолеть огромные технические сложности, связанные с постройкой лифта, получившаяся конструкция будет представлять собой гигантскую натянутую струну, сводящую космические аппараты с орбит и постоянно подвергающуюся бомбардировке космическим мусором».

Автор фото, Nasa

Подпись к фото,

Смогут ли когда-нибудь туристы воспользоваться лифтом, чтобы отправиться в космос?

За последние 12 лет в мире опубликованы три подробных проекта космического лифта. Первый описан Брэдом Эдвардсом и Эриком Уэстлингом в книге «Космические лифты», вышедшей в 2003 г. Этот лифт предназначен для транспортировки 20-тонных грузов за счет энергии расположенных на Земле лазерных установок. Расчетная себестоимость перевозки — 150 долларов за килограмм, а стоимость проекта оценивается в 6 млрд долларов.

В 2013 г. академия IAA развила эту концепцию в собственном проекте, обеспечивающем повышенную защиту лифтовых кабинок от атмосферных явлений до высоты в 40 км. , при достижении которой движение кабинок на орбиту должно происходить уже за счет солнечной энергии. Себестоимость транспортировки — 500 долларов за килограмм, а стоимость постройки первых двух таких лифтов — 13 млрд долларов.

В ранних концепциях космического лифта приводились разнообразные возможные решения проблемы космического противовеса, призванного удерживать трос в натянутом положении — в том числе предлагалось использовать в этих целях захваченный и доставленный на нужную орбиту астероид. В отчете IAA отмечается, что когда-нибудь такое решение, может быть, и удастся реализовать, но в ближайшем будущем это невозможно.

Плавучий «якорь»

Чтобы удерживать трос массой в 6300 тонн, противовес должен весить 1900 тонн. Частично его можно сформировать из космических кораблей и других вспомогательных аппаратов, которые будут использоваться для постройки лифта. Возможно также использование находящихся неподалеку отработавших спутников, отбуксировав их на новую орбиту.

Авторы отчета IAA отмечают, что противовес должен быть устойчивым к воздействию радиации, бомбардировке метеорами и перепадам температур.

Они также предлагают выполнить «якорь», крепящий трос к Земле, в виде плавучей платформы размером с крупный нефтеналивной танкер или авианосец, и разместить его неподалеку от экватора, с целью увеличения его несущей способности. В качестве оптимальной точки размещения «якоря» предлагается район в 1000 км на запад от Галапагосских островов, редко подверженный ураганам, торнадо и тайфунам.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Космический мусор можно было бы использовать в противовесе на верхнем конце троса космического лифта

Корпорация Obayashi — одна из пяти крупнейших строительных фирм Японии — в прошлом году объявила о планах по созданию космического лифта более прочной конструкции, по которому перемещались бы автоматические кабинки на магнитной подвеске. Подобная технология применяется на высокоскоростных железных дорогах. Более прочный трос необходим потому, что японский лифт предполагается использовать и для транспортировки людей. Стоимость проекта оценивается в 100 млрд долларов, при этом себестоимость транспортировки грузов на орбиту может составить 50-100 долларов за килограмм.

Хотя технических трудностей при строительстве подобного лифта, несомненно, будет предостаточно, на самом деле единственный элемент конструкции, который пока невозможно создать, — это сам трос, говорит Суон: «Единственная технологическая проблема, которую предстоит решить — подбор подходящего материала для изготовления троса. Все остальное мы можем построить уже сейчас».

Алмазные нити

На данный момент самым подходящим материалом для троса можно считать углеродные нанотрубки, созданные в лабораторных условиях в 1991 г. Эти цилиндрические структуры имеют предел прочности на разрыв в 63 гигапаскаля, то есть они примерно в 13 раз прочнее самой прочной стали.

Максимально достижимая длина таких нанотрубок постоянно увеличивается — в 2013 г. китайским ученым удалось довести ее до полуметра. Авторы доклада IAA прогнозируют, что к 2022 г. будет достигнута длина в километр, а к 2030 гг. можно будет создавать нанотрубки подходящей длины для использования в космическом лифте.

Тем временем в сентябре прошлого года появился новый сверхпрочный материал: в статье, опубликованной в научном журнале по материаловедению Nature Materials, группа ученых под руководством профессора химии Джона Бэддинга из Университета штата Пенсильвания сообщила о получении в лаборатории супертонких «алмазных нанонитей», которые могут оказаться даже прочнее, чем углеродные нанотрубки.

Ученые сжали жидкий бензол под давлением, превышающим атмосферное в 200 000 раз. Затем давление медленно понизили, и оказалось, что атомы бензола перегруппировались, создав высокоупорядоченную структуру из пирамидальных тетраэдров.

В результате образовались супертонкие нити, очень напоминающие по структуре алмаз. Хотя напрямую измерить их прочность невозможно из-за сверхмалых размеров, теоретические расчеты указывают на то, что эти нити могут оказаться более прочными, чем самые прочные из существующих синтетических материалов.

Снижение рисков

«Если мы научимся создавать алмазные нанонити или углеродные нанотрубки необходимой длины и с необходимыми качествами, можно быть практически уверенным в том, что они окажутся достаточно прочными для использования в космическом лифте», — говорит Бэддинг.

Впрочем, даже если удастся найти подходящий материал для троса, собрать конструкцию будет весьма непросто. Вероятнее всего, возникнут и трудности, связанные с обеспечением безопасности проекта, необходимого финансирования и грамотного разведения конкурирующих интересов. Однако Суона это не останавливает.

Автор фото, Nasa

Подпись к фото,

Так или иначе, человечество стремится в космос и готово тратить на это большие деньги

«Разумеется, мы столкнемся с большими сложностями, но проблемы приходилось решать и при строительстве первой трансконтинентальной железной дороги [в США], и при прокладке Панамского и Суэцкого каналов, — говорит он. — Потребуется много времени и денег, но, как и в случае с любым крупным проектом, просто нужно решать проблемы по мере их возникновения, одновременно с этим постепенно снижая возможные риски».

Даже Элон Маск не готов категорически отмести возможность создания космического лифта. «Не думаю, что на сегодня эта идея реализуема, но если кто-то сможет доказать обратное, будет здорово», — сказал он на прошлогодней конференции в Массачусеттском технологическом институте.

Прочитать
оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте
BBC Future.

Что произойдет, если космический лифт сломается

Ретт Аллен

Наука

21 января 2022 г. 9:00 утра

Эти конструкции представляют собой научно-фантастическое решение проблемы вывода объектов на орбиту без ракеты, но вы не хотите оказаться под ним, если кабель порвется.

Фотография: TCD/Prod.DB/Apple TV+/Alamy

В первом эпизоде ​​сериала Foundation на Apple TV мы видим, как террорист пытается уничтожить космический лифт, используемый Галактической Империей. Кажется, это отличный шанс поговорить о физике космических лифтов и подумать о том, что произойдет, если один из них взорвется. (Подсказка: это было бы нехорошо.)

Людям нравится размещать вещи за пределами атмосферы Земли: это позволяет нам иметь метеорологические спутники, космическую станцию, спутники GPS и даже космический телескоп Джеймса Уэбба. Но прямо сейчас наш единственный способ отправить что-то в космос — это привязать его к контролируемому химическому взрыву, который мы обычно называем «ракетой».

Не поймите меня неправильно, ракеты — это круто, но они дороги и неэффективны. Давайте рассмотрим, что нужно, чтобы вывести 1-килограммовый объект на низкую околоземную орбиту (НОО). Это около 400 километров над поверхностью Земли, примерно там, где находится Международная космическая станция. Чтобы вывести этот объект на орбиту, нужно выполнить две вещи. Сначала нужно поднять его вверх на 400 километров. Но если бы вы только увеличили высоту объекта, он бы не был в космосе долго. Он просто упадет на Землю. Итак, во-вторых, чтобы удержать эту штуку на НОО, она должна двигаться очень быстро.

Небольшое напоминание об энергии: оказывается, количество энергии, которую мы вкладываем в систему (мы называем это работой), равно изменению энергии в этой системе. Мы можем математически моделировать различные виды энергии. Кинетическая энергия — это энергия, которой объект обладает благодаря своей скорости. Поэтому, если вы увеличите скорость объекта, его кинетическая энергия увеличится. Гравитационная потенциальная энергия зависит от расстояния между объектом и Землей. Это означает, что увеличение высоты объекта увеличивает гравитационную потенциальную энергию.

Допустим, вы хотите использовать ракету, чтобы увеличить потенциальную гравитационную энергию объекта (чтобы поднять его на нужную высоту), а также увеличить его кинетическую энергию (чтобы разогнать его). Выход на орбиту зависит больше от скорости, чем от высоты. Только 11 процентов энергии приходится на гравитационную потенциальную энергию. Остальное будет кинетическим.

Полная энергия, необходимая для вывода на орбиту всего лишь этого килограммового объекта, составит около 33 миллионов джоулей. Для сравнения, если взять с пола учебник и положить его на стол, на это уходит около 10 джоулей. Чтобы выйти на орбиту, потребуется гораздо больше энергии.

Самые популярные

Но на самом деле проблема еще сложнее. С химическими ракетами им нужна не только энергия, чтобы вывести этот 1-килограммовый объект на орбиту — ракетам также нужно нести свое топливо для полета на НОО. Пока они не сожгут это топливо, это по сути просто лишняя масса для полезной нагрузки, а значит надо запускать с еще больше топлива. Для многих реальных ракет до 85 процентов общей массы может быть просто топливом. Это супер неэффективно.

А что, если вместо того, чтобы запускаться на химической ракете, ваш объект может просто подняться по кабелю, уходящему в космос? Вот что случилось бы с космическим лифтом.

Основы космического лифта

Предположим, вы построили гигантскую башню высотой 400 километров. Вы можете подняться на лифте наверх, а затем оказаться в космосе. Просто, верно? Нет, на самом деле это не так.

Во-первых, такую ​​конструкцию из стали построить нелегко; вес, вероятно, сожмет и разрушит нижние части башни. Кроме того, для этого потребуется огромное количество материала.

Но это не самая большая проблема — есть проблема со скоростью. (Помните, чтобы выйти на орбиту, нужно двигаться очень быстро.) Если бы вы стояли на вершине 400-километровой башни с основанием где-то на экваторе Земли, вы бы действительно двигались, потому что планета вращается — это подобно движению человека снаружи вращающейся карусели. Поскольку Земля вращается примерно один раз в день (есть разница между сидерическим и синодическим вращением), ее угловая скорость составляет 7,29. x 10 ^-5 радиан в секунду.

Угловая скорость отличается от линейной скорости. Это мера скорости вращения, а не то, что мы обычно называем скоростью — движение по прямой. (Радианы — это единица измерения оборотов, а не градусов.)

Если два человека стоят на вращающейся карусели, они оба будут иметь одинаковую угловую скорость. (Допустим, это 1 радиан в секунду.) Однако человек, находящийся дальше от центра вращения, будет двигаться быстрее. Допустим, один человек находится в 1 метре от центра, а другой человек в 3 метрах от центра. Их скорости будут соответственно 1 м/с и 3 м/с. То же самое работает и с вращающейся Землей. Можно уйти достаточно далеко, чтобы вращение Земли давало вам необходимую орбитальную скорость, чтобы оставаться на орбите вокруг планеты.

Вернемся к нашему примеру с человеком, стоящим на вершине 400-километровой башни. Достаточно ли они удалены от Земли, чтобы оставаться на орбите? За один полный оборот Земли их угловая скорость составит 2π радиан в сутки. Это может показаться не очень быстрым, но на экваторе такое вращение дает вам скорость 465 метров в секунду. Это более 1000 миль в час. Однако этого все еще недостаточно. Орбитальная скорость (скорость, необходимая для пребывания на орбите) на этой высоте составляет 7,7 км/с, или более 17 000 миль/ч.

Самый популярный

На самом деле, есть еще один фактор: по мере удаления от Земли орбитальная скорость также уменьшается. Если выйти с высоты от 400 до 800 километров над поверхностью Земли, орбитальная скорость уменьшится с 7,7 км/с до 7,5 км/с. Это не кажется большой разницей, но помните, что на самом деле важен радиус орбиты, а не только высота над поверхностью Земли. Теоретически вы могли бы построить волшебную башню достаточно высокой, чтобы вы могли просто сойти с нее и оказаться на орбите, но она должна быть высотой 36 000 километров. Это не произойдет.

Вот кое-что очень крутое и более практичное: Орбита на высоте 36 000 километров имеет особое название. Это называется геосинхронной орбитой , что означает, что время, необходимое объекту для совершения одного оборота, точно равно времени, которое требуется Земле для вращения. Если вы поместите этот объект на орбиту прямо над экватором, он появится в том же месте на небе относительно поверхности Земли. (Тогда это называется геостационарной орбитой .) Это полезно, потому что вы точно знаете, где ее найти. Геостационарная орбита упрощает связь с такими объектами, как телевизионные или метеорологические спутники, или со спутниковыми камерами, которые должны оставаться сфокусированными на одной и той же части Земли.

Хорошо, возвращаемся к космическому лифту. Если мы не можем построить башню с нуля, мы можем протянуть 36 000-километровый кабель от объекта, находящегося на геостационарной орбите. Бум: Это космический лифт.

Чтобы это заработало, вам понадобится большая масса на орбите — либо космическая станция, либо небольшой астероид. Масса должна быть большой, чтобы ее не сбрасывало с орбиты каждый раз, когда что-то поднимается по кабелю.

Но, возможно, теперь вы видите проблему с космическим лифтом. Кто хочет сделать кабель длиной 36 000 километров? Для кабеля такой длины даже самый прочный материал, такой как кевлар, должен быть очень толстым, чтобы предотвратить его разрыв. Конечно, более толстые тросы означают, что внизу свисает больший вес, а это означает, что более высокие части троса должны быть еще толще для поддержки кабеля внизу. Это комплексная проблема, которая кажется практически невозможной. Единственная надежда на будущее строительства космических лифтов — это выяснить, как использовать сверхпрочный и легкий материал, такой как углеродные нанотрубки. Возможно, когда-нибудь у нас это получится, но этот день не сегодня.

Как насчет падающего троса лифта?

В первом эпизоде ​​ Foundation некоторые люди решают взорвать взрывчатку, которая отделяет верхнюю станцию ​​космического лифта от остальной части кабеля. Кабель падает на поверхность планеты и наносит там реальный ущерб.

Как бы выглядел падающий кабель космического лифта в реальной жизни? Это не так просто смоделировать, но мы можем сделать приблизительное предположение. Давайте смоделируем кабель, состоящий из 100 отдельных частей. Каждый кусок начинает движение вокруг Земли, но с той же угловой скоростью, что и Земля. (Значит, не на орбите.) В реальном кабеле космического лифта между частями будут существовать некоторые силы натяжения. Но для простоты в модели каждый кусок будет иметь только гравитационную силу от взаимодействия с Землей. Теперь я могу просто смоделировать движение этих отдельных 100 частей кабеля, чтобы посмотреть, что произойдет. (На самом деле это не так уж сложно сделать с помощью некоторого кода на Python, но я все это пропущу.)

Самые популярные

Вот как это будет выглядеть:

Видео: Ретт Аллен, что происходит

3 9 Обратите внимание, что нижняя часть кабеля просто падает на Землю и, вероятно, вызывает серьезные разрушения. В этой модели он охватывает примерно треть пути вокруг экватора, хотя его полная длина почти полностью охватывает Землю, длина окружности которой составляет 40 000 километров.

Но некоторые части кабеля могут даже не коснуться поверхности. Если части стартуют достаточно высоко, их скорость будет увеличиваться по мере приближения к поверхности. Возможно, части разовьются достаточно быстро, чтобы вывести их на некруговую орбиту вокруг Земли. Если вы живете на экваторе, это хорошо. Лучше иметь этот мусор в космосе, чем упасть тебе на голову, верно?

Конечно, если кабель цел, то каждый кусок будет тянуть за собой соседние куски. Это приведет к тому, что большая часть кабеля упадет на Землю. Но в какой-то момент силы в кабеле станут настолько сильными, что он просто порвется. Вы бы все равно остались с космическим мусором.

Таким образом, построить космический лифт не только очень сложно, но вы действительно не хотите, чтобы трос оборвался и упал. Может быть, это и хорошо, что мы все еще находимся на ракетной фазе освоения космоса.

Другие замечательные истории WIRED

• 📩 Последние новости о технологиях, науке и многом другом: получайте наши информационные бюллетени!
• Жизнь Кая Ленни, разрушившая метавселенную
• Градостроительные инди-игры учитывают изменение климата
• Худшие взломы 2021 года, от программ-вымогателей до утечки данных
• Вот как на самом деле выглядит работа в виртуальной реальности
• Как вы практикуете ответственную астрологию?
• 👁️ Исследуйте ИИ, как никогда раньше, с нашей новой базой данных
• ✨ Оптимизируйте свою домашнюю жизнь с помощью лучших решений нашей команды Gear, от роботов-пылесосов до доступных матрасов и умных колонок

Ретт Аллен — доцент физики в Университете Юго-Восточной Луизианы. . Он любит преподавать и говорить о физике. Иногда он разбирает вещи и не может собрать их обратно.

ТемыТочечная физикаСилыГравитацияКруговое движениеНаучная фантастикаТелевидение, кино и музыкаОценкафизика

Еще из WIRED

Космический лифт возможен с помощью современных технологий, говорят исследователи (нам просто нужно свесить его с Луны)

Космос

Космические лифты значительно снизят стоимость достижения космоса, но никогда не были технически осуществимы. До нынешнего момента.

By

• Новые технологии со страницы arXivarchive

12 сентября 2019 г.

Фотоиллюстрация космического лифта. Оригинальные изображения: Мишель Паз, Джереми Томас | Убрать брызги; под редакцией MIT Technology Review

Возможно, самым большим препятствием для расширения человечества по Солнечной системе является непомерно высокая стоимость выхода из гравитационного притяжения Земли. Так считают Зефир Пенойр из Кембриджского университета в Великобритании и Эмили Сэндфорд из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

Проблема в том, что ракетные двигатели работают, выбрасывая массу в одном направлении, чтобы создать тягу для космического корабля в другом. А для этого нужны огромные объемы топлива, которое в итоге выбрасывается, но его тоже нужно разгонять вместе с космическим кораблем.

В результате вывод одного килограмма на орбиту стоит порядка десятков тысяч долларов. Долететь до Луны и дальше еще дороже. Таким образом, существует значительный интерес к поиску более дешевых способов выхода на орбиту.

Одна из идей состоит в том, чтобы построить космический лифт — кабель, протянувшийся от Земли до орбиты и позволяющий подняться в космос. Большим преимуществом является то, что процесс восхождения может осуществляться за счет солнечной энергии и, таким образом, не требует бортового топлива.

Но есть и большая проблема. Такой трос должен быть невероятно прочным. Углеродные нанотрубки являются потенциальным материалом, если их когда-либо удастся производить достаточно долго. Но варианты, доступные сегодня, слишком слабы.

Входят Пенойр и Сэндфорд, которые пересмотрели идею с изюминкой. Они говорят, что их версия космического лифта, которую они называют космической линией, может быть построена из материалов, которые сегодня есть в продаже.

Сначала предыстория. Космический лифт в традиционном понимании должен состоять из троса, закрепленного на земле и простирающегося за пределы геостационарной орбиты примерно на 42 000 километров (26,098 миль) над Землей.

Такой кабель будет иметь значительную массу. Поэтому, чтобы предотвратить его падение, его нужно было бы уравновесить на другом конце такой же вращающейся массой. Тогда весь лифт будет поддерживаться центробежными силами.

На протяжении многих лет физики, писатели-фантасты и провидцы взволнованно подсчитывали величину этих сил, но результат их разочаровывал. Ни один известный материал не обладает достаточной прочностью, чтобы справиться с этими силами — ни шелк паука, ни кевлар, ни даже самые прочные современные полимеры из углеродного волокна.

Итак, Пенойр и Сэндфорд выбрали другой подход. Вместо того, чтобы закреплять кабель на Земле, они предлагают закрепить его на Луне и протянуть к Земле.

Большая разница возникает из-за центробежных сил. Обычный космический лифт совершал бы полный оборот каждый день в соответствии с вращением Земли. Но космическая линия, базирующаяся на Луне, будет совершать обороты всего один раз в месяц — гораздо медленнее, с соответственно меньшими силами.

Более того, силы расставлены иначе. Протянувшись от Луны до Земли, космическая линия будет проходить через область космоса, где земная и лунная гравитация уравновешивают друг друга.

Эта область, известная как точка Лагранжа, становится центральным элементом космической линии. Под ним, ближе к Земле, гравитация тянет кабель к планете. Но над ней, ближе к Луне, гравитация тянет трос к лунной поверхности.

Пенойр и Сэндфорд быстро показывают, что протяжение кабеля от Луны до поверхности Земли создает силы, которые слишком велики для современных материалов. Но кабель не обязательно должен растягиваться до конца, чтобы быть полезным.

Главный результат исследователей — показать, что самые прочные на сегодняшний день материалы — углеродные полимеры, такие как Zylon — могут с комфортом поддерживать кабель, протянувшийся от Луны до геостационарной орбиты. Далее они предполагают, что экспериментальное устройство, сделанное из кабеля толщиной с грифель карандаша, может быть сброшено с Луны по цене, измеряемой миллиардами долларов.

Это явно амбициозно, но ни в коем случае не чрезмерно для современных космических миссий. «Продлив линию, закрепленную на Луне, глубоко в гравитационном колодце Земли, мы можем построить стабильный, проходимый кабель, позволяющий свободно перемещаться от окрестностей Земли до поверхности Луны», — говорят Пенойр и Сэндфорд.

Экономия была бы огромной. «Это уменьшит количество топлива, необходимого для достижения поверхности Луны, до трети текущего значения», — говорят они.

И это откроет для исследования совершенно новую область космоса — точку Лагранжа. Это представляет интерес, потому что и сила тяжести, и градиент силы тяжести в этом регионе равны нулю, что делает его гораздо более безопасным для строительных проектов. Напротив, гравитационный градиент на низкой околоземной орбите делает орбиты гораздо менее стабильными.

«Если вы уроните инструмент с Международной космической станции, он будет стремительно удаляться от вас», — отмечают Пенойр и Сэндфорд. «Точка Лагранжа имеет почти пренебрежимо малый градиент гравитационной силы; упавший инструмент останется под рукой гораздо дольше».

В этом регионе также нет значительных обломков. «Точка Лагранжа была в основном нетронутой предыдущими миссиями, и орбиты, проходящие через нее, хаотичны, что значительно уменьшает количество метеороидов», — говорят они.

По этим причинам Пенойр и Сэндфорд говорят, что доступ к точке Лагранжа является основным преимуществом космической линии. «Базовый лагерь в точке Лагранжа — это то, что мы считаем наиболее важным и влиятельным для раннего использования космической линии (и для исследования космоса людьми в целом)», — говорят они. «Такой базовый лагерь позволил бы строить и поддерживать космические эксперименты нового поколения — можно было бы представить себе телескопы, ускорители частиц, детекторы гравитационных волн, виварии, станции выработки электроэнергии и точки запуска для миссий в остальную часть Солнечной системы».

Это интересная работа, которая заставляет по-новому взглянуть на идею космического лифта. Дешевый доступ к точке Лагранжа, Луне и точкам за ее пределами мог стать значительно дешевле и более вероятным.

Ref: arxiv.org/abs/1908.09339: Космос: практическая альтернатива космического лифта, достигаемая с текущей технологией

. ворона

Я наблюдал за стаей ворон в TikTok и теперь пытаюсь связаться с некоторыми местными птицами.

Оставайтесь на связи

Иллюстрация Роуз Вонг

Узнайте о специальных предложениях, главных новостях,
предстоящие события и многое другое.

Введите адрес электронной почты

Политика конфиденциальности

Спасибо за отправку вашего электронного письма!

Ознакомьтесь с другими информационными бюллетенями

Похоже, что-то пошло не так.

У нас возникли проблемы с сохранением ваших настроек.
Попробуйте обновить эту страницу и обновить их один раз
больше времени. Если вы продолжаете получать это сообщение,
свяжитесь с нами по адресу
customer-service@technologyreview.