Содержание
Что такое космический лифт и когда его построят?
Космические полеты обходятся слишком дорого? Один из вариантов решения проблемы, по мнению ученых, — космический лифт. Однако перспективы у технологии пока туманны, и даже Маск не верит в ее реальность
Аудиоверсия материала:
Ваш браузер не поддерживает аудиоплеер.
Материалы РБК Трендов можно не только читать, но и слушать. Ищите и подписывайтесь на подкаст «Звучит как тренд» в Apple Podcasts, «Яндекс.Музыке», Castbox или на другой платформе, где вы слушаете подкасты.
Что такое космический лифт?
На преодоление земного притяжения во время космических полетов тратится огромное количество энергии и денег. Каждый дополнительный килограмм груза на корабле стоит не одну тысячу долларов. И чем дальше летит космический аппарат — тем больше требуется средств.
Именно поэтому ученые предложили оптимальный, на их взгляд, способ доставки грузов за пределы Земли — космический лифт.
Это сверхпрочный трос длиной от 42 тыс. до 100 тыс. км, который тянется от Земли до ее орбиты или орбиты ближайших спутников — например, Луны.
Так будет выглядеть лифт Obayashi Corporation
В современном понимании космический лифт будет состоять из блоков, которые передвигаются вверх и вниз по тросу от космодрома на экваторе до космической станции на геостационарной орбите (то есть орбите Земли над экватором, используемой для искусственных спутников). Центробежные силы, вызванные вращением Земли, будут удерживать трос в воздухе. Стоимость проекта оценивают в $10 млрд [1], при этом доставка грузов подешевеет с $3500 до $25 за 0,45 кг (1 фунт).
История идеи космического лифта
Впервые идею безракетной доставки грузов на орбиту предложил в 1895 году Константин Циолковский — основоположник теории космонавтики. Он вдохновился Эйфелевой башней в Париже и предложил построить по ее подобию космический лифт. В теории Циолковского лифт представлял собой башню из прочных материалов, которые препятствуют его сжатию, а верхушка его находилась бы на геоцентрической орбите.
В 1959 году российский ученый Юрий Арцутанов предложил идею лифта, который приводится в движение тросами, устойчивыми к растяжению. В 1975 году появились научные работы с соответствующими расчетами, а в 1979-м Артур Кларк описал идею космического лифта в «Фонтанах рая».
Один из концептов космического лифта
Реально ли построить космический лифт?
Чтобы построить космический лифт, нужен сверхпрочный материал, который способен выдержать многотонные грузы и не сломаться под влиянием атмосферного давления. Таким материалом могут быть нанотрубки, но на сегодня их прочности недостаточно: при необходимых 120 ГПа самый лучший результат испытаний — пока что 52 ГПа. Большие надежды возлагают на графен, который в 200 раз прочнее стали.
Выпуск YouTube-канала «Индустрии 4.0», посвященный графену
Вторая проблема — это космический мусор: мелкие астероиды, обломки ракет, вышедшие из строя спутники, всего около 500 тыс. единиц. Все они вращаются по той же орбите и могут повредить лифт.
Чтобы справиться с этой проблемой, ученые предлагают различные технологии для сбора мусора, вплоть до совместных проектов с Минобороны США.
Какие проекты есть сейчас?
Самый амбициозный проект космического лифта предложили исследователи Зефир Пеньор из Кембриджского университета и Эмили Сэндфорд из Колумбийского университета. Их лифт представляет собой кабель, который соединяет Землю с Луной. По расчетам исследователей, такой кабель достаточно протянуть от Луны до геосинхронной орбиты (то есть орбиты Луны). Изготовить его можно из углеродных полимеров толщиной с карандаш.
Лифт, согласно проекту, совершает полный оборот раз в месяц. Это позволит распределить центробежную силу так, чтобы она проходила через точку Лагранжа — там, где гравитационные поля Земли и Луны полностью нейтрализуют друг друга. Там же предлагают разместить орбитальные станции (сейчас они вращаются на орбите Земли). В точке Лагранжа значительно меньше изменение скорости силы тяжести, поэтому оброненные предметы остаются рядом, а не улетают в атмосферу.
На реализацию проекта понадобятся миллиарды долларов. Но это позволит на две трети сократить расходы на топливо, которое уходит на запуски ракет. Кроме того, проект откроет возможности для создания колоний-поселений на поверхности Луны.
С 2005 года NASA проводит конкурс на лучшую модель космического лифта — аппарата, который поднимется по тросу на максимальную высоту с максимальной скоростью. Подобные же конкурсы проводят в Германии и Японии. Пока что самый выдающийся результат — 1,2 км. Победители получали гранты на свои исследования, но так и не смогли продвинуться дальше прототипа.
В Канаде разработкой лифта занимается Thoth Technology. Компания получила патент США на свою разработку башни, которая сохраняет жесткость за счет сжатого газа. В концепции канадцев лифт будет доставлять грузы на высоту 20 км, откуда их будут забирать ракеты. Это позволит экономить до 30% топлива.
Проект башни канадской компании Thoth Technology
В Японии создание космического лифта активно поддерживается государством.
Местная Obayashi Company обещает построить лифт к 2050 году. Компания работает с частными подрядчиками и университетами, чтобы создать максимально прочные нанотрубки.
В 2018 году на МКС стартовал эксперимент STARS-Me, разработанный физиками из японского университета Сидзуока. Это автономный роботизированный спутник с космическим мини-лифтом, который будет в миниатюре моделировать условия, с которыми могут столкнуться подобные системы. Его камеры будут следить за движением двух крошечных лифтов по десятиметровому тросу в невесомости.
Китайцы намерены опередить Японию и построить космический лифт к 2045 году. Они тоже ведут разработки в области углеродных нанотрубок. В 2018-м исследовательская группа Университета Цинхуа запатентовала технологию создания углеродного волокна, 1,6 г которого выдерживает до 800 тонн.
Что думают эксперты?
В NASA считают, что сама концепция космического лифта очень перспективна. Главную ставку делают на японский и китайский проекты — то есть, запуск лифта к 2050 году.
Митио Каку, профессор физики Городского колледжа Нью-Йорка, популяризатор науки и футуролог, называет космический лифт «Святым Граалем освоения космоса»:
Митио Каку о космическом лифте
Питер Суон, президент Международного консорциума по созданию космического лифта ISEC, тоже настроен оптимистично: «Эта технология открывает феноменальные возможности, она обеспечит человечеству доступ к Солнечной системе. Я думаю, что первые лифты будут работать в автоматическом режиме, а спустя 10-15 лет в нашем распоряжении уже будут от шести до восьми таких устройств, достаточно безопасных, чтобы транспортировать людей».
Однако Суон также говорит и о трудностях: «Единственная технологическая проблема, которую предстоит решить — подбор подходящего материала для изготовления троса. Все остальное мы можем построить уже сейчас».
Кевин Фонг, основатель Центра высотной, космической и экстремальной медицины при Университетском колледже Лондона, тоже считает идею амбициозной: «Мне нравится дерзость концепции космического лифта.
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».
При этом Фонг признает, что строительство космического лифта — достаточно сложный процесс. Он считает, что даже если людям удастся преодолеть технические сложности, получившаяся конструкция будет представлять собой «гигантскую натянутую струну, сводящую космические аппараты с орбит и постоянно подвергающуюся бомбардировке космическим мусором». Кроме того, строительство такого лифта потребует активного использования космических кораблей и большого количества выходов в открытый космос за всю историю человечества.
Илон Маск и вовсе усомнился в реальности этой идеи. Выступая на конференции в Массачусетском технологическом институте, он сказал:
Дмитрий Рогозин: Мы создадим универсальный лифт на Луну
Валерий Шарифулин/ТАСС
Отвечая на вопрос «РГ», он отметил, что выбор эскизных проектов определялся в строгом соответствии с техническим заданием, которое было сформулировано корпорацией «Роскосмос» перед РКК «Энергия».
«В результате была предложена схема, которая в итоге была принята. Она предполагает возможность использования в рамках двигателей первой ступени — РД-171МВ», — сказал Рогозин. Он добавил, что испытания будут проводиться в ближайшее время.
«На второй ступени — двигателей РД-180, которые имеют уникальную статистику пусков, в том числе в рамках пусков ракетоносителя Atlas 5 в США, — отметил Рогозин. — Напомню, что предстоящий пуск пилотируемого корабля в безэкипажном варианте Boeing будет осуществляться именно на ракете с двигателем РД-180. Что говорит о том, что эти двигатели даже в Америке сертифицированы под пилотируемую программу».
«Это очень важно. Это наше богатство, это наш задел, — считает Рогозин. — Таким образом сконструирована ракета, что она использует наше мировое преимущество в ракетном двигателестроении. Что касается иных параметров ракеты — она будет иметь потенциал для того, чтобы доставить транспортный пилотируемый корабль нового поколения на лунную орбиту.
Но еще иметь запас прочности, чтобы иметь возможность доставить не только корабль, но и лунный взлетно-посадочный модуль, конструирование которого сейчас начинается. То есть мы рассчитываем на эти самые 20 тонн на Луне».
Если говорить о больших весах, большей массе, 27-35 тонн, то это ракета сверхтяжелого класса второго этапа.
«Которая предполагает, что та же самая конструкция будет обеспечена не водородным разгонным блоком, а самостоятельной третьей водородной ступенью. Это даст возможность запускать с того же стартового комплекса на «Восточном» более мощную ракету — 140 тонн на низкую орбиту».
«Вот этим и определяются эти два варианта, делать их последовательно или одновременно готовить сразу третью водородную ступень. В этом и была развилка, которую обсуждали специалисты, — добавил гендиректор «Роскосмоса».
По его словам, вопрос доставки массы к такому объекту, как Луна — это вопрос баллистиков. «Либо это низкая орбита, более сложная, либо это высокая, окололунная орбита — более простая с точки зрения подхода к ней, торможения.
Мы принимаем во внимание программу, которую развивают наши американские коллеги. Они приглашают нас войти в эту программу. Мы понимаем, что программа не столько международная, сколько чисто американская. Но у нас есть взаимопонимание с НАСА о том, что Россия, делая транспортную систему «Дальний космос», может и должна создать вместе с американцами адаптивность, то есть способность нашего корабля пристыковаться к американской станции. Это задача и американцев, и наша. Потому что дальний космос опасен. Американцы или кто-то еще может столкнуться с чем-то, что они еще не видят».
По словам Рогозина, в этой связи российская транспортная система дальнего космоса в виде ракеты сверхтяжелого класса может быть применена не только для решения наших национальных задач по Луне, по дальним планетам, но может быть использована в случае необходимости и для решения задач партнеров.
Как отметил Рогозин, конфигурация научной станции, которая могла бы быть размещена на Луне, еще не определена.
«С кем мы ее будем делать — самостоятельно или с другими партнерами, с тем же самым Китаем — переговоры только ведутся. Мы сейчас планируем создание уникального «железа», «умного железа», которое способно стать инструментом достижения цели, — сказал он. — При этом одновременно ведется с Академией наук определение того, что должно быть конкретно размещено на лунной поверхности. Понятно, что человек в данной конкретной ситуации будет обслуживать станцию, делать те операции, которые не может делать автомат. Речи не может быть о долгосрочном пребывании человека. То есть он прилетел, выполнил задачу и улетел. В силу того, что риски для человеческой жизни при работе вне рамок геомагнитного поля Земли колоссальны. И до сих пор никто их не решил — ни мы, ни специалисты из других стран».
У ракеты сверхтяжелого класса могут быть и другие задачи, считает Рогозин.
«Мы планируем создание универсального посадочного модуля на Луне, который может доставлять как наши нагрузки, так и полезные нагрузки других стран, — говорит он.
— Сейчас много стран, которые рвутся в космос, хотели бы себя проявить, хотели бы создать какой-то аппарат, но не знают, как его доставить. Мы создадим универсальный лифт, который в ситуации с окололунной станцией может посадить эту нагрузку по заказу партнеров. Здесь возможна коммерциализация проекта, что важно для оправдания тех колоссальных средств, которые потребуются для ее реализации. Мы сейчас перебираем все возможные варианты и делаем универсальную транспортную систему как первый шаг. Корабль — тоже первый шаг. А вот дальше набор инструментов, который позволит нам обеспечить работу по луне как одному из этапов дальнейшего покорения космоса».
По словам Рогозина, сейчас обсуждается и возможность запуска орбитального лабораторного модуля (МЛМ). В начале 2020 года планируются испытания, а в конце 2020 — начале 2021 года может состояться пуск к МКС.
«Что касается последующих блоков, будут ли они направлены на МКС или станут прототипом для создания модулей, который будут работать на орбите Луны — это хороший вопрос, который мы начали обсуждать.
Нам надо взвесить — есть ли смысл отправлять к МКС. Ведь судьба МКС известна — 2028 год и все. А у этих модулей будет ресурс 15-20 лет. Стоить ли их отправлять на три-четыре года, чтобы потом топить вместе со станцией в океане — я не уверен. Может быть есть смысл сейчас внести изменения в наши планы, чтобы те заделы, которые созданы по научному, энергетическому, тепловому модулю, использовать как некий прообраз окололунной станции. Этот вопрос мы сейчас как раз обсуждаем и ждем предложений от РКК Энергия. И их доставка — это тоже вопрос либо тяжелой Ангары с водородной третьей ступенью либо ракеты сверхтяжелого класса. Будем считать и принимать окончательное решение».
Космический лифт на Луну вполне осуществим — и на удивление дешев. Но пара аспирантов говорит, что теперь мы сможем перевозить людей и грузы между Землей и нашим естественным спутником с помощью своего рода высокотехнологичного лифта.
Идея космических лифтов не нова; провидцы космических полетов говорят о них по крайней мере с 1895 года.
Но Зефир Пенойр и Эмили Сэндфорд представляют себе систему, которая будет использоваться не для доставки людей и грузов с поверхности Земли на околоземную орбиту — цель так называемых классических концепций космического лифта — но обеспечить транспортировку на Луну и обратно.
В исследовании, опубликованном 25 августа в онлайн-архиве исследований arXiv, студенты утверждают, что технически и финансово возможно построить такой «лунный космический лифт», который впервые был публично подробно описан Джеромом Пирсоном на конференции в 1977 году и Юрий Арсутанов в отдельной статье, опубликованной в 1979 году. построить такой лифт «входит в прихоть одного особо мотивированного миллиардера».
Очень длинный кабель
Пенойр и Сэндфорд, аспирант астрономии Колумбийского университета и соавтор исследования, называют свою концепцию лунного космического лифта Spaceline. Его центральным элементом является кабель, который будет прикреплен к Луне и протянется на расстояние более 200 000 миль до точки над поверхностью Земли — возможно, на орбиту на расстоянии около 27 000 миль от нашей планеты.
(Трос лунного космического лифта не мог быть закреплен на поверхности Земли, потому что относительное движение Луны и нашей планеты не позволяло бы этого.)
Как поясняется в документе, простейшая версия кабеля Spaceline может быть чуть толще грифеля карандаша и весить около 88 000 фунтов — в пределах грузоподъемности ракет NASA или SpaceX следующего поколения. Его можно сделать из кевлара или других существующих материалов, а не из экзотических и сложных в производстве материалов на основе углерода, которые долгое время считались ключом к созданию классического космического лифта.
Будущие космические путешественники будут использовать космический корабль, чтобы лететь с Земли к концу свисающего кабеля, который будет натянут под действием земной гравитации, а затем пересядут на роботизированные транспортные средства на солнечных батареях, которые поднимутся по кабелю на Луну. Путешествие может занять дни или недели. Обратные поездки просто повернули бы процесс вспять.
Зачем тратить сотни миллионов или даже миллиарды долларов на строительство лунного космического лифта вместо того, чтобы полагаться на проверенную ракетную технологию? Пенойр и Сэндфорд говорят в своей статье, что первый в конечном итоге может быть более экономичным, особенно для доставки сырья на Землю из лунных шахт.
В документе, опубликованном Американским институтом аэронавтики и астронавтики, подсчитано, что система лунных космических лифтов может окупиться за 53 рейса за счет транспортировки лунных материалов на космическую станцию между Луной и Землей.
Добыча полезных ископаемых на Луне
В течение многих лет эксперты рассматривали Луну как потенциальный источник ценного сырья, начиная от гелия-3, тяжелой версии знакомого газа, который может найти возможное применение в термоядерных реакторах, и заканчивая редкоземельными минералами. такие как неодим и гадолиний, которые используются для изготовления мобильных телефонов, медицинских сканеров и других высокотехнологичных устройств.
«Космический лифт похож на железную дорогу — вы не построите его, если не ожидаете большого железнодорожного движения», — говорит физик Маршалл Юбэнкс, главный научный сотрудник Space Initiatives, компании спутниковых технологий в Палм-Бей, Флорида. Он называет расчеты, использованные в статье Spaceline, обоснованными, но предупреждает, что спутники на околоземной орбите могут столкнуться с колоссальным кабелем — потенциальная проблема, которую можно смягчить, если оставить кабель за пределами орбитальных космических путей Земли.
Несмотря на свои потенциальные преимущества перед ракетным транспортом, ни лунные космические лифты, ни классические космические лифты не привлекли особого внимания со стороны космических агентств или производителей аэрокосмической техники. НАСА время от времени финансирует исследования классических концепций космического лифта с конца 1970-х годов. Но на данный момент SpaceX для космических лифтов не существует, хотя компании в Китае и Японии выдвинули предложения построить классические космические лифты к 2045 и 2050 годам соответственно.
«Одна вещь, которая разочаровывает, это то, что идея лунного космического лифта не имеет большой привлекательности, и все же это осуществимая идея и экономически меняет правила игры», — говорит генеральный директор Space Initiatives Чарльз Рэдли.
Дебаты о лифте
Некоторые эксперты говорят, что классический космический лифт может иметь больше смысла, чем лунный космический лифт, по крайней мере на начальном этапе, потому что он может облегчить исследования.
Например, классический космический лифт можно использовать для сборки огромного космического корабля на околоземной орбите, а затем запускать его оттуда. Эксперты говорят, что это, вероятно, будет проще, чем запуск космического корабля с Земли, где сила гравитации очень высока.
Но для классического космического лифта потребуется гораздо более прочный трос, чтобы выдерживать более высокие нагрузки, воздействующие на трос, и пока неясно, когда появятся материалы, достаточно прочные и достаточной длины для изготовления подходящего троса.
«Классический космический лифт — действительно сложная задача, потому что гравитационное поле Земли настолько велико, что вам нужны такие прочные материалы, которых у нас сейчас нет», — говорит Джером Пирсон, аэрокосмический инженер и президент Star, Inc. ., аэрокосмической компании в Маунт-Плезант, Южная Каролина, и автор нескольких статей о космических лифтах. «С другой стороны, вы можете прямо сейчас построить лунный космический лифт из существующих материалов».
Учитывая это беспокойство, Пирсон поддерживает идею создания лунного космического лифта в качестве предшественника создания классического космического лифта. «У лунного космического лифта есть много преимуществ, — говорит Пирсон. «И эта новая программа НАСА по возвращению на Луну может вызвать дополнительный интерес».
Хотите больше историй о космосе?
- Китайский луноход обнаружил что-то странное на обратной стороне Луны
- Странная «хлыстовая» планета не похожа ни на что, что астрономы когда-либо видели
- Поездка на Марс может привести к повреждению мозга. Вот как НАСА стремится защитить астронавтов.
Подпишитесь на информационный бюллетень MACH и следите за NBC News MACH в Twitter, Facebook и Instagram.
Забудьте о ракетах — лунный лифт — это будущее путешествий на Луну
Что вы видите, когда смотрите на Луну? Красота? Кратеры? Некоторые люди видят знаки доллара. Время от времени вы будете видеть наш единственный естественный спутник, объявленный «восьмым континентом Земли», потому что он полон ресурсов, которые трудно игнорировать.
Редкая форма гелия, гелий-3, может использоваться на термоядерных электростанциях здесь, на Земле. Редкие элементы, такие как неодим, можно было извлечь и вернуть домой для использования в смартфонах и другой электронике.
Но как их сюда доставить, не спустив всю прибыль на ракеты? Согласно исследованию, опубликованному в 2019 г., лунный лифт может быть ответом. Кабель, закрепленный на поверхности Луны, протянулся бы на большую часть дома протяженностью 400 000 км (250 000 миль). Его нельзя было напрямую прикрепить к Земле из-за относительного движения двух объектов, но он мог остановиться высоко на околоземной орбите.
Это имело бы дополнительное преимущество, заключающееся в размещении его над массой нашего космического мусора, что становится все более серьезной проблемой по мере того, как мы запускаем все больше спутников. Роботизированные шаттлы на солнечных батареях могут перемещаться вверх и вниз по кабелю, выступая в роли конвейерной ленты, доставляющей к нам ценные ресурсы.
Это может показаться диковинным, но Зефир Пенойр и Эмили Сэндфорд — два кандидата астрономических наук Колумбийского университета, стоявшие за исследованием, — считают, что мы могли бы осуществить это за несколько миллиардов долларов США.
Чтобы представить это в контексте, Джефф Безос ежегодно ликвидирует 1 миллиард долларов (более 700 миллионов фунтов стерлингов) из своих акций Amazon, чтобы финансировать свою компанию космического туризма Blue Origin. Программа НАСА Artemis, которая отправит первую женщину-астронавта и первого цветного астронавта на Луну в конце этого десятилетия, стоит 86 миллиардов долларов (60 миллиардов фунтов стерлингов). Такова ценность ресурсов Луны, отдельное исследование показало, что лунный лифт окупит себя всего за 53 поездки.
Кабель толщиной не больше карандаша будет весить 40 тонн, что вполне соответствует возможностям современных ракет, таких как Starship компании SpaceX. В отличие от космического лифта, который перемещался бы с поверхности Земли в космос, лунный лифт, останавливающийся немного в стороне от нашей планеты, не должен был бы бороться с огромными гравитационными силами.
Больше похоже на это
На Луне тоже нет атмосферы, что упрощает дело. Это означает, что кабель может быть изготовлен из существующих материалов, таких как кевлар, вместо еще не изобретенных сверхпрочных материалов, необходимых для лифта с Земли в космос.
Мы могли бы также объединить их. В апреле 2021 года китайские государственные СМИ представили идею страны о «небесной лестнице». Это будет означать, что космический корабль поднимается на лифте с поверхности Земли к ожидающей космической станции, а затем его отбрасывает к Луне, где он встречает другой лифт, который опускает его на лунную поверхность.
Идея космических лифтов витала в воздухе уже более века, но особого прогресса не получила. Но если достаточное количество людей — или, что более вероятно, корпораций — будут очарованы возможностью заработать большие деньги, мы можем увидеть лунный эквивалент золотой лихорадки в ближайшие десятилетия. Лифты вполне могут оказаться способом снижения затрат и буквально заоблачной прибыли.