Лифт в космос: Как построить космический лифт | Будущее, Космос, Наука

Конечно, мы могли бы ускорить процесс, если бы захотели. НАСА, вероятно, могло бы построить три или четыре космических лифта на 28 миллиардов долларов, которые оно тратит(opens in a new tab) на возвращение на Луну. Но трудно собрать волю, чтобы построить что-то, чего никто никогда не видел. Провидцы научной фантастики сделали все возможное, чтобы помочь нам представить это, от нашего старого друга Кима Стэнли Робинсона(opens in a new tab) до покойного легендарного Артура Кларка. Прошло 42 года с момента выхода отмеченного наградами бестселлера Кларка 9.0029 Фонтаны Рая показали, что космический лифт строился, как вы уже догадались, в 22 веке.

До этого года я бы сказал, что сроки слишком оптимистичны. Но новости этого года изменили мое мнение, и теперь я думаю, что есть большая вероятность, что в небе над вашей планетой есть несколько лифтов. Мало того, что Китай и Япония строят предварительные планы по строительству космического лифта на Земле и за ее пределами, но в новой статье инженера из канадского университета изложено, как мы можем построить космический лифт, используя доступные материалы в 2021 году. 0003

Все, что для этого требуется, — это внести существенную поправку в традиционный дизайн: мы не кладем первый этаж на землю.

Но прежде чем мы перейдем к этой еще более невероятной идее, давайте на мгновение остановимся на фундаментальной науке. Если люди вашего времени настолько привыкли к космическим лифтам, что они кажутся такими же унылыми, как и обычные разновидности, то это происходит потому, что достаточное количество людей нашего времени (ваши бабушки и дедушки, прадедушки и прадедушки) начали искренне верить, что мы можем построить такую ​​вещь. .

И это трудно, потому что идея кабеля, идущего прямо в небеса, не имеет интуитивного смысла. Наоборот. Для многих из нас Лифт звучит как бобовый стебель из сказки или Вавилонская башня: какая-то вызывающая головокружение глупость, которая к концу истории обязательно рухнет с небес. Мы видели достаточно памятников человеческой гордыне, чтобы заподозрить это.

Но если мы так думаем, то это потому, что мы забываем что-то еще, что не имеет интуитивного смысла: Земля вращается с впечатляющей скоростью 1000 миль в час. Это означает, что трос, соединенный с космической станцией на нужном расстоянии (не менее 60 000 миль), с центром на геостационарной орбите, то есть движущейся над экватором со скоростью 1000 миль в час, так что Земля, кажется, стоит на месте, быть таким же прочным, как любой кабель в шахте лифта.

Это объяснение все еще требует математики. Вот аналогия, которая пришлась мне по душе, когда я впервые написал о космических лифтах 15 лет назад, и она до сих пор работает для многих людей, плохо знакомых с этой концепцией. Представьте, что вы находитесь во дворе и крутитесь со всей возможной скоростью с теннисным мячиком на конце веревки. Будет ли эта струна натянута? Наверняка — настолько, чтобы муравей легко мог перелезть с вашей руки на мяч. Итак, Земля — это вы, космическая станция — противовес — мяч, а космический лифт — струна. (Единственная разница в том, что Земля никогда не устает и не испытывает головокружения.)

Лифт «Земля-Спутник»

Мы также должны очистить наши умы от традиционных представлений о том, как построить что-то такое высокое. Российскому ученому Константину Циолковскому иногда приписывают разработку концепции космического лифта в 1895 году. Но в своих весьма спекулятивных эссе Циолковский предлагал строить с нуля — по сути, орбитальную башню — потому что он только что видел Эйфелеву башню. Это не сработает; даже при наличии сверхпрочных материалов основание такой башни должно быть шире Парижа.

Только в 1960 году советскому инженеру Юрию Арцутанову пришла в голову основная идея, известная нам сегодня: вы выводите спутник на геостационарную орбиту, а внутри него скручивается трос, как рулетка. Затем вы протягиваете трос одновременно вверх в космос и вниз к экватору Земли, сохраняя идеальный баланс между ними. У Арцутанова был хороший оборот речи; он назвал свое предложение лифтом «Земля-Спутник-Земля» и «небесным фуникулером». К сожалению, его работа была опубликована только в Правда , советская пропагандистская газета, а не большие научные журналы, так что мир за железным занавесом ничего о ней не знал.

К счастью, американские ученые независимо друг от друга придумали эту идею. В 1966 году четыре американских океанографа предложили то, что они назвали «небесный крюк», который «удлинял бы спутники». (Кажется, у океанографов есть любопытная связь с историей космических лифтов, что имеет смысл, если учесть, что они имеют дело с длинными кабелями, которые должны висеть под собственным весом.) Но предложенный ими трос был слишком тонким, что делало его легкой мишенью для микрометеориты. И знаменитый ученый-космонавт Джером Пирсон даже не знал об этом, когда тоже заново изобрел космический лифт в 1975 бумага.

Космический лифт был таким прыжком в неизвестность, что некоторые неприятные сюрпризы были практически неизбежны.

Артур К. Кларк(opens in a new tab)

Версия Пирсона, наконец, зажгла синюю сенсорную бумагу. НАСА начало обращать внимание. Артур С. Кларк, который фактически изобрел концепцию геостационарного спутника связи, связался с Пирсоном и был в восторге. Фонтаны Рая были результатом; в нем инженер 22-го века Ванневар Морган сражается со скептиками, чтобы построить лифт из вымышленной «гиперволокна», прикрепив его к вершине горы на экваториальном острове, который, по сути, должен был стать домом Кларк, Шри-Ланка. Роман получил награды Хьюго и Небьюла, что является редкостью в научной фантастике.

Всю оставшуюся жизнь Кларк только больше воодушевлялся возможностью построить лифт, тем более что «гиперфиламент» начал появляться по-настоящему. Описание Кларка очень похоже на новые сверхпрочные материалы на основе углерода, появившиеся в лабораториях в 1990-х годах, такие как углеродные нанотрубки. Он постоянно повторял и уточнял известную цитату о том, что лифт будет построен «примерно через 50 лет после того, как все перестанут смеяться». В своем последнем интервью перед смертью в 2008 году Кларк сократил это число до 10 лет.

Честно говоря, мир должен был перестать смеяться в 2003 году. Именно тогда Брэдли Эдвардс, физик, финансируемый НАСА, который был возмущен тем, что космическое агентство думает о развитии лифта с точки зрения столетий, опубликовал основополагающую книгу Космический лифт . . В нем тщательно описывалась стоимость в 6 миллиардов долларов и упоминались почти все потенциальные опасности для строения. Молнии, ветер, ураганы, космический мусор, метеориты: ничто из этого не было препятствием, если вы правильно спроектировали это.

(TL;DR: вы сужаете трос так, чтобы он был действительно широким наверху, а это означает, что большинство обломков оставят пулевые отверстия, которые могут быть отремонтированы простыми роботами-краулерами, такими, какие мы имеем сегодня; вы привязываете его к плавающему океану. платформу, чтобы вы могли переместить ее подальше от больших кусков космического мусора или метеоритов, которые мы можем видеть; поскольку она должна быть на экваторе, вы помещаете платформу недалеко от побережья Эквадора, недалеко от Галапагосских островов, где молнии и ураганы исторически минимальный.)

Эдвардс — весельчак, а по частям Космический лифт читается как научно-фантастический роман. В других он был настолько набит уравнениями, что у меня кружилась голова. Поэтому, когда я встретил Эдвардса на космической конференции в 2005 году, я попросил его свести все к одному изображению. Что мы увидим на кабельных новостных каналах или на первых страницах новостных веб-сайтов в тот день, когда лифт будет наконец закончен? Он не колебался. — Трос, спускающийся с неба, — сказал он. лента, неуклонно разматывающаяся к плавучей платформе в Тихом океане, как лестница с небес.

ПОДЪЕМ

Туристы в лифте Bailong в Китае, который на высоте 1000 футов является самым высоким лифтом в мире. Представьте себе Instagram, которые вы получили бы за тысячи миль над Землей.

ВАН ЧЖАО / AFP

Изображение очаровало меня, и я стал истинно верующим космическим лифтом — примерно на пять минут. Именно тогда я столкнулся с Ларри Пейджем, соучредителем Google. Поисковый гигант только что стал публичным, и Пейдж пришел на конференцию, чтобы узнать, стоит ли инвестировать в Elevator свои вновь обретенные миллиарды. Его заключение? Нет . «С физикой все в порядке, но я не уверен, что химия работает», — сказал Пейдж. То есть независимо от того, какой материал вы используете для изготовления привязи, независимо от того, насколько высока его температура плавления или насколько велика его гибкость, связанное с этим натяжение может быть настолько велико, что привязь разрушится при малейшей провокации.

Пейдж был прав? Мы понятия не имеем; нет никакого способа провести эксперимент в необходимом масштабе без создания самого лифта. И, как скажет вам любой инженер, единственное, что мы можем гарантировать, это то, что препятствие, которое мы не можем предвидеть, появится где-то в будущем. Как пишет Кларк в Фонтаны Рая: «Космический лифт был таким прыжком в неизвестность, что некоторые неприятные сюрпризы были практически неизбежны».

Вот так, кажется, ходят новости Space Elevator с той конференции: краткий всплеск восторга, за которым следует большая доза скептицизма. Эдвардс перешел на работу в ряд компаний, разрабатывающих сверхпрочные углеродные нанотрубки; все компании закрылись. (На сегодняшний день никто не произвел нити углеродных нанотрубок длиннее 20 дюймов(opens in a new tab).) Пейдж не инвестировал, но Google X кратко изучил проект космического лифта в 2014 году, прежде чем положить его в «глубокую заморозку». до тех пор, пока не будут готовы необходимые материалы для привязи.

Другой ученый НАСА, Майкл Лэйн, начал бизнес с Эдвардсом. Затем в повороте, достойном мыльной оперы, он разделился в поисках более раннего IPO(opens in a new tab) и основал LiftPort Group, которая продемонстрировала робота-альпиниста, который может подняться на привязной воздушный шар высотой в милю. Но LiftPort также не удалось построить завод по производству углеродных нанотрубок, он обанкротился во время финансового кризиса 2008 года, а затем вновь появился на Kickstarter(opens in a new tab) в 2012 году.

«Сегодня мы не можем построить космический лифт на Земле, мы просто не можем», — признался Лейн, прежде чем перейти к неизвестному прорыву, который позволит компании построить лифт на Луне к концу десятилетия. Действительно, гораздо проще построить трос в условиях низкой лунной гравитации и без атмосферы; теоретически астронавты могли бы вернуться на Луну и построить там уже сегодня, никакого «прорыва» не требуется. Вы могли бы использовать один из наших нынешних широко производимых сверхпрочных материалов, таких как кевлар.

В поисках 8000 долларов для начала работы Лейн получил 100000 долларов от более чем 3000 спонсоров. Но даже этого не хватило, чтобы начать строить необходимую команду, признался он NJ.com(opens in a new tab) в 2019 году, и LiftPort снова развалился.

Это был не единственный случай, когда финансовый стимул не дал результатов. С 2005 по 2019 год в мире проводилось множество соревнований по космическому лифту. Некоторые из них финансировались НАСА, некоторые X Prize (некоммерческая организация, которая финансирует конкурсы на крупные достижения, такие как первый частный космический полет, выигранный SpaceShipOne в 2004 году (opens in a new tab)). Некоторые из этих призов были вручены командам, которые заставляли своих роботов-альпинистов подниматься по тросу со скоростью, превышающей определенную; другим предлагались тросы сверх определенной силы (максимальный предлагаемый приз: 2 миллиона долларов). Несколько команд выиграли соревнования альпинистов. Ни одна команда никогда не выигрывала конкурс тросов.

Неутешительные результаты этих игр Space Elevator были компенсированы обнадеживающими новостями из Японии. Когда книга Эдвардса была опубликована на японском языке, она произвела фурор в научном и инженерном сообществах. В 2012 году Obayashi Corporation, одна из крупнейших строительных компаний страны, объявила о своих планах построить к 2050 году космический лифт с плавающей платформой. Обаяши пообещал, что будет два троса — один вверх, один вниз — и что автомобили будут вмещать не менее 30 астронавтов плюс груз. Это привлекло к проекту инженеров Tokyo Skytree, самой высокой башни в мире. Сделать это к 2050 году — довольно большой срок, но он дает компании реалистичные три десятилетия на разработку тросовых материалов. И, по крайней мере, с глубокими карманами Обаяши шансов на взрыв в стиле LiftPort мало.

Обаяши также приложил руку к проекту STARS-Me, который впервые отправил трос в космос в 2018 году. Рядом с Международной космической станцией два крошечных спутника-куба натянули между собой трос и запустили мини-лифт. взад и вперед. «Кабина» лифта имеет длину 2,4 дюйма; кабель, по которому он идет, составляет 32 фута. Это как впервые протестировать концепцию поездов, построив модель железной дороги в своем подвале. Тем не менее, вот он, крошечный трос, впервые выведенный на орбиту, и второй STARS-Me должен быть запущен в этом году.

В то же время шансы увидеть лунный лифт в следующем десятилетии или около того значительно возросли. В апреле космическая программа Китая обнародовала планы «Небесной лестницы» в рамках своих следующих шагов к постоянному обитанию на Луне. Видео, опубликованное китайским информационным агентством Синьхуа(opens in a new tab), показывает двухэтапный процесс: наземный лифт поднимает объект с планеты и направляет его на лунный лифт, который опускает его на поверхность Луны. . (Китай конкретно не объявлял о планах создания «Небесной лестницы» на Земле, но в 2018 году пекинский университет хвастался, что у него есть углеродные нанотрубки, достаточно прочные, чтобы выполнить эту работу(opens in a new tab). )

Начиная с 2024 года, НАСА планирует переправлять астронавтов на Луну и обратно через громоздкие «Лунные врата», мини-космическую станцию, которую критики высмеивают как дорогостоящую и ненужную «лунную чушь(opens in a new tab)». Возможно, если китайская Sky Ladder окажется более эффективной для доставки полезных грузов на поверхность Луны, начнется новая космическая гонка — на этот раз по созданию лучшего лифта.

Для станков с лифтами две крупнейшие экономики мира, соревнующиеся в создании версии предпочитаемой ими модели космической доставки, могут быть только хорошей новостью. Если Китай построит кевларовый лифт на Луне, возможно, Америка соберется с силами и первой построит земную версию. «Тот, кто построит первый лифт, будет иметь виртуальную монополию на все будущие»: это еще что сказал мне Брэд Эдвардс еще в 2000-х годах. «Политическая и экономическая структура мира, — добавил он, — может быть совершенно другой 50». лет спустя».

Подготовьтесь к резиновой ленте… в космосе

Между тем, на Земле инженеры не ждут, пока будут готовы эти новые наноразмерные углеродные технологии. Они начинают выяснять, как мы можем построить что-то вроде космического лифта из старого доброго титана или алюминия — сделав что-то, что разрядит все напряжение в ситуации.

Привязи, которые на самом деле не связаны с Землей, уже некоторое время висят на краю теории космического лифта. Название «Skyhook» теперь относится к тросу, который просто висит в верхних слоях атмосферы и вращается быстрее, чем Земля(opens in a new tab), что означает, что он может захватить космический корабль за нижний конец, а затем запустить его в космос в конце. верхний конец похож на какую-то вращающуюся собачью пусковую установку. (Когда дело доходит до причудливых, но работоспособных систем доставки в космос, нам нужно как можно больше аналогий с мячом на заднем дворе.) 

Идея частичного космического лифта — троса, который просто неподвижно болтается в верхних слоях атмосферы — начала привлекать внимание в последнее десятилетие. Пара документов из Университета Макгилла в Канаде в 2010(opens in a new tab) и 2014(opens in a new tab) предполагает, что вы можете построить лифт из обычных металлов, который начинается на высоте 100 миль над поверхностью Земли; начните чуть ниже этого уровня, и атмосфера станет слишком плотной, слишком сильно будет тянуться конструкция.

ВЕРХНИЙ ЭТАЖ

Частичное пространство Лифты могут выглядеть примерно так, как этот коллаж.

NASA / Shutterstock

Теперь 100 миль — это далеко вверх — это край низкой околоземной орбиты, где небо уже стало черным, а звезды светят днем. Но учтите, что спутники и другое космическое оборудование обычно пытаются подняться намного выше. Геосинхронная орбита, на которой живут спутники связи, превышает 22 000 миль. Добраться до 100 миль намного проще; туда можно было попасть на космическом самолете, таком как «Шаттл» или SpaceShipOne, или на небольшой ракете, запущенной с воздушного шара. Согласно оценке документов Макгилла(opens in a new tab), частичный лифт может снизить стоимость запуска примерно на 40 процентов по сравнению с обычными ракетами.

Другими словами, не так дешево, как полноценный космический лифт. Но эй, кто не любит 40-процентную скидку?

С этими частичными предложениями по космическому лифту была одна проблема, и это сила Кориолиса. Разные части атмосферы движутся вокруг Земли с разной скоростью, поэтому частичный лифт может быть отправлен вращаться в направлении, противоположном вращению планеты. (Даже на тросе, соединенном с Землей, сила Кориолиса может значительно замедлить движение лифта(opens in a new tab).) 

Затем, в марте, профессор машиностроения Йоркского университета по имени Джордж Чжу(opens in a new tab) (в частности, еще один бывший океанограф) опубликовал статью(opens in a new tab), в которой показано, как можно стабилизировать частичный лифт. Все, что вам нужно, говорит он, это чтобы одна машина шла вниз одновременно с другой. В идеале система должна была бы использовать небольшие многоступенчатые ракеты: первая ступень — чтобы добраться до нижней кабины лифта, вторая ступень — для ускорения лифта — придавая ему максимальную мощность для выхода в глубокий космос наверху, в то время как другая кабина сходит одновременно.

«Это похоже на канатные дороги, перемещающиеся с нижнего космического корабля на верхний», — объясняет Чжу. «Они продолжают двигаться по петле, они сохраняют ее стабильность. С технической точки зрения это почти сделано… Я уверен, что к 22 веку у нас это будет».

Опять же, это не имеет интуитивного смысла. То, что предлагает Чжу, будет выглядеть как гигантская резиновая лента, болтающаяся в верхних слоях атмосферы перпендикулярно Земле. Визуализировать это сложно (ну, возможно, нет, если вы принимаете что-то психоактивное и достаточно долго смотрите в небо). Но если расчеты Чжу верны, резиновая лента может простираться вверх на многие тысячи миль, выводя вас и вашу инфраструктуру на высокую орбиту и дальше за копейки на доллар.

Когда я спросил Чжу, сколько будет стоить его строительство, он сделал в уме несколько приблизительных расчетов, в основном по стоимости таких материалов, как алюминий. «Не знаю, — сказал он, — 100 миллионов долларов?» Он скромный ученый, поэтому я быстро посоветовал ему умножить это на 10 или около того, если он будет вести переговоры с какими-либо государственными учреждениями. 1 миллиард долларов за частичный лифт в невесомость, снижающий затраты на космические путешествия на 40 процентов, по-прежнему является невероятной сделкой в ​​книге любого космонавта. Для сравнения, предлагаемый бюджет Пентагона на 2022 год составляет 715 миллиардов долларов (opens in a new tab).

Действительно, Чжу считает, что основным препятствием для строительства частичного космического лифта является растущее количество космического мусора. Ситуация будет только усугубляться, поскольку Илон Маск и Джефф Безос запускают «мега-созвездия» спутников, тысячи из них, чтобы принести миру дешевый интернет. Но непредвиденных последствий предостаточно. Мало того, что их спутники уже усложняют жизнь астрономам(opens in a new tab), ученые согласны с тем, что мы находимся в «переломном моменте» для космического мусора(opens in a new tab), когда его количество будет продолжать расти даже если мы прекратим запуск.

Шестьдесят процентов наших спутников уже мертвы и разваливаются, а остальные, скорее всего, выйдут из строя к вашему столетию. На данный момент отслеживается 16 000 крупных обломков плюс неисчислимое количество космической пыли, и все они движутся со скоростью до 17 500 миль в час (opens in a new tab). космическое жилье, а не только потенциальные лифты. Даже самый хорошо спроектированный сужающийся трос не выдержит ливня мусора 21-го века.

Извините за беспорядок!

Это напоминает нам фильм Netflix 2021 года Space Sweepers , действие которого происходит на пороге 22-го века и представляет собой гигантскую орбитальную структуру, соединенную с Землей несколькими лифтами. (Это именно то, что Артур Кларк представлял в качестве финальной стадии всего этого здания лифта: огромный жилой обруч вокруг Земли, как шина на колесе). Будущее должно носиться на крошечных кораблях, приводя его в порядок.

Чжу работает над чуть менее захватывающей системой, электродинамическим тросом (отдельно от троса лифта), который мог бы притягивать мусор, а затем «сбрасывать его с орбиты» в атмосферу, где он мог бы безопасно сгореть. Его команда уже запустила тестовый трос на крошечном спутнике. С другими странными трюками по ловле мусора, такими как эта космическая сеть, похожая на инопланетян(opens in a new tab), которая уже проходит испытания, эра Space Sweepers уже наступила.

Значит, это наше будущее? До тех пор, пока полностью привязанный к Земле Лифт не появится во всей своей красе из монокристаллического графена, нам, возможно, придется довольствоваться частичным Лифтом. Не экспресс в космос, а местный — делает серию остановок, от земли до шаттла, до канатной дороги на орбиту. В то же время жизни пользователей лифта спасает невидимый труд, низкооплачиваемая бригада уборщиков, основные работники, которые всегда готовы поддержать любой крупный инженерный подвиг.

Это определенно звучит как неоптимальный способ, которым человечество склонно устраивать свои дела. Я просто вижу, как мы наполняем наше путешествие к звездам большим количеством ворчания и шарканья, когда мы перекладываем наш багаж из машины в машину по пути к нашим неделям в дешевом надувном космическом отеле на вершине лифта. Большинство из нас, вероятно, устанет от вида еще до того, как мы выйдем из самолета, и обратимся к развлечениям и опьяняющим возможностям в гостиной.

Но я, например, буду прижиматься носом к армированному стеклу до самого верхнего этажа.

С уважением,

2021 

• Автор:

  Крис Тейлор

• Под редакцией

  Бриттани Левин Бекман

• Топ-арт от

  Боб Эл-Грин

Материал толщиной в один атом может воплотить в жизнь идею космических путешествий 127-летней давности

Космический лифт — одна из тех идей, которые, кажется, имеют бесконечный запас жизней. Первоначально предложенная около века с четвертью назад, эта концепция требует привязи сверхматериала, которая соединяет станцию ​​на орбите с поверхностью Земли.

Вращение нашей планеты будет поддерживать эту связь, а система «альпинистов» будет доставлять людей и полезные грузы в космос и из космоса. Инженерные проблемы и затраты, связанные с такой структурой, всегда были огромными. Но каждое поколение или около того появляются новые исследования, которые заставляют инженеров и космические агентства переоценивать концепцию.

Самой большой проблемой всегда был трос, поскольку ни один из известных материалов никогда не был достаточно прочным, чтобы выдерживать связанные с этим нагрузки. Но, как оказалось, эта проблема, наконец, может быть решена! По мнению ученых из Международного консорциума космических лифтов (ISEC), рентабельный производственный процесс может производить графеновые ленты, достаточно прочные, чтобы из них можно было сделать привязь! Их последние результаты подробно описаны в статье, которую они представят на предстоящем Международном астрономическом конгрессе 2022 года в Париже.

Исследование возглавил Адриан Никсон, специалист по графену и 2D-материалам, член Королевского химического общества, основатель и редактор Nixene Publishing, а также член правления StellarModal и ISEC. К нему присоединились Деннис Райт — вице-президент ISECIBM и бывший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) — и доктор Джон Кнапман, бывший специалист по искусственному интеллекту в IBM, член Британского межпланетного общества. и управляющий директор ISEC.

Ведущее издание Nixene ( Nixene Journal ) является аффилированным членом Инновационного центра графеновой инженерии Манчестерского университета (GEIC). Этот инженерный центр специализируется на быстрой разработке и масштабировании графена и других двумерных материалов.

Краткая история космического лифта

Как и большинство проверенных временем революционных идей для освоения космоса, космический лифт восходит к русскому/советскому ученому-ракетчику Константину Циолковскому (1857-1819 гг. ).35). Циолоковский, считающийся главным претендентом на звание «отца ракетостроения» (два других — Герман Оберт и Роберт Годдард), отвечает за разработку «ракетного уравнения» и конструкции, на основе которой построено большинство современных ракет. В своих более авантюрных размышлениях он предложил, как человечество может построить вращающиеся станции-вертушки в космосе и космический лифт.

Это предложение было навеяно его визитом в Париж в 1895 году, где он впервые увидел Эйфелеву башню (строительство было завершено в 1889 году)). После этой встречи Циолковский задумал структуру, которая достигала геостационарной орбиты (ГСО) или высоты 36 000 км (22 370 миль). Однако версия идеи Циолковского требовала конструкции сжатия, а не подвески. Он также отметил, что эта идея нереалистична, поскольку ни один из известных материалов не был достаточно прочным, чтобы выдержать вес стоящей конструкции.

К началу космической эры идея была пересмотрена советскими и американскими учеными как подвесная конструкция. Примеры включают советского инженера Юрия Арцутанова (1959) предложение «Электропоезда в космос» и «Небесный крюк», предложенное группой американских инженеров в 1966 году. стационарная точка на суше или мобильная платформа в море. «Привязь» будет простираться от этого до «противовеса» в космосе, которым может быть захваченный астероид, космическая станция за пределами ГСО или их комбинация.

Серия «Альпинистов» (или канатных дорог) будет доставлять на орбиту экипажи и полезные грузы, которые могут питаться от солнечных батарей, ядерных реакторов, беспроводной связи или прямой передачи энергии. С начала космической эры концепция осталась практически неизменной, как и предлагаемые преимущества такой структуры.

Преимущества космического лифта

Неизменную популярность космического лифта легко понять в свете преимуществ, которые он влечет за собой. Наиболее очевидным является возможность отправлять полезные грузы и людей в космос за небольшую часть стоимости их запуска с помощью ракет. Это также позволило бы нам строить космические корабли и космические станции на орбите, избавляя от необходимости производить их соответствующие компоненты или модули на Земле и запускать их в космос с помощью ракет большой грузоподъемности. Этот процесс никогда не был дешевым!

В период с 1970 по 2000 год стоимость запуска оставалась относительно постоянной и составляла в среднем ~ 18 500 долларов за кг (8 400 долларов за фунт). Благодаря разработке многоразовых ракет, таких как Falcon 9 и Falcon Heavy от SpaceX, эта цена упала до 1410 и 2719 долларов за кг (640 и 1235 долларов за фунт). Согласно анализу, проведенному Тайсоном М. Спарксом (Университет Колорадо, York Space Systems LLC) в 2014 году, стоимость отправки полезной нагрузки на орбиту с помощью космического лифта может составлять всего 113 долларов за фунт (250 долларов за кг).

Как Никсон объяснил Universe Today по электронной почте, еще одним преимуществом является то, что космический лифт является «зеленой технологией», которая может доставлять огромные полезные грузы на орбиту без воздействия на окружающую среду запусков ракет.

Согласно текущим исследованиям, запуск одной ракеты может привести к выбросу в верхние слои атмосферы до 300 тонн углекислого газа. Учитывая растущий спрос на запуски спутников, широкополосный доступ в Интернет и коммерциализацию низкой околоземной орбиты (НОО), они могут стать главной движущей силой антропогенного изменения климата.

Вагоны, напротив, не производят вредных выбросов парниковых газов и могут питаться от комбинации солнечных и ядерных реакторов космического базирования. Более того, космический лифт снизит стоимость доставки одного килограмма полезной нагрузки на орбиту и будет намного эффективнее, чем сотни или тысячи запусков ракет. Никсон сказал:

«Ракеты очень хороши для быстрой доставки небольшого количества ценных грузов в космос. Космическая экономика быстро развивается с планами таких миссий, как колония на Марсе, лунная деревня и космическая солнечная энергия. Запланированные миссии требуют больших объемов подъема массы с поверхности Земли в космос. Однако ключевым ограничением ракет является их неспособность масштабироваться для устойчивой доставки большого количества массы в космос. Уравнение ракеты означает, что даже SpaceX StarShip (самая эффективная ракетная система) может доставить только 2% массы стартовой площадки на низкую околоземную орбиту».

Это перекликается с одним из наиболее широко разрекламированных аспектов «Космической эры 2.0» — обещаниями таких предпринимателей, как Маск, Безос, Брэнсон и другие. Среди них обещание «построить дорогу в космос», расширить доступ за счет коммерциализации и создать первый человеческий аванпост на Марсе.

Но, как добавил Никсон, постоянные проблемы стоимости, неэффективности и воздействия запусков ракет на окружающую среду означают, что эти обещания останутся невыполненными. «Космический лифт способен поднимать массивные грузы и доставлять их ежедневно, недорого, безопасно, в плановом порядке и с нейтральным отношением к окружающей среде — выполняя эти обещания миссии», — сказал он.

«Наша команда считает, что развитие инфраструктуры постоянного доступа в космос с помощью космического лифта НЕОБХОДИМО для человечества, чтобы сохранить атмосферу и сделать возможным смелое перемещение за пределы планеты», — добавил президент и директор ISEC доктор Свон. «Ракеты — это наш исторический подход к этим мечтам, но у них нет ни мощности, ни возможностей, чтобы соответствовать потребностям человечества. Уравнение ракеты — убийца мечты — чрезвычайно низкая статистика доставки и повреждения на пути к нашей атмосфере».

«Мы ДОЛЖНЫ сделать космический лифт. Мы верим, что сотрудничество и сотрудничество между передовыми ракетами и космическими лифтами станет нашим будущим».

«Проблема троса»

К сожалению, у каждой ранее предложенной оценки концепции была ахиллесова пята. Короче говоря, в последние несколько десятилетий космический лифт был невозможен, поскольку ни один из известных материалов не обладал прочностью на растяжение, чтобы выдержать вес конструкции. В 1979 году Артур Кларк резюмировал проблему в своем выступлении на 30-м Международном астронавтическом конгрессе (IAC) под названием «Космический лифт: «Мысленный эксперимент или ключ к Вселенной?»»:

«Насколько мы близки к тому, чтобы достичь этого с помощью известных материалов? Не очень. Лучшая стальная проволока могла выдержать только жалкие 31 милю (50 км) или около того по вертикальной подвеске, прежде чем сломалась под собственным весом. Проблема с металлами в том, что они хоть и крепкие, но тяжелые; мы хотим что-то одновременно прочное и легкое. Это говорит о том, что нам следует присмотреться к современным синтетическим и композиционным материалам. Кевлар… например, может выдержать вертикальную длину 124 мили (200 км) до того, как сломается — впечатляюще, но все же совершенно недостаточно по сравнению с необходимыми 3100 (5000)».

С развитием углеродных нанотрубок (УН) в 1990-х годах интерес к космическим лифтам возродился. В июне 1999 года Дэвид Смитерман из Управления передовых концепций НАСА (ACO) выступил с речью на семинаре по усовершенствованной космической инфраструктуре, в котором предположил, что CN могут сделать космический лифт возможным. Его аргументы также были опубликованы в отчете 2000 года под названием «Космические лифты: передовая земно-космическая инфраструктура для нового тысячелетия».

В том же году ученый НАСА Брэдли С. Эдвардс выполнил технико-экономическое обоснование при поддержке Института передовых концепций НАСА (NIAC). В своем заключительном отчете (озаглавленном «Космический лифт») он заявил, что углеродные нанотрубки были лучшим кандидатом, поскольку считалось, что они обладают необходимой прочностью на растяжение и плотностью — 130 гигапаскалей (ГПа) и 1300 кг/м³ соответственно. В 2003 г. он опубликовал итоговый отчет NIAC по этапу II, в котором содержались столь же оптимистичные оценки. Однако его выводы были основаны на теории и моделировании и не учитывали две основные проблемы, связанные с ХН.

Они включали проблему массового производства, поскольку CN выращиваются, а не производятся машинным способом, с максимальной длиной около 50 см (20 дюймов) — достигнуто исследователями из Университета Цинхуа в Пекине. Хуже того, гексагональные ковалентные связи, которые придают углеродным нанотрубкам их высокую прочность на растяжение, также означают, что они могут изнашиваться при экстремальных нагрузках. Как резюмировал Никсон:

«В исследовании 2003 года сообщалось, что космический лифт основан на серьезных научных данных и может быть построен с использованием современных инженерных технологий — оставалось решить только одну часть — трос. Материал троса должен быть невероятно прочным и легким. Единственным материалом в то время были углеродные нанотрубки (УНТ). Во время отчета NIAC в 2003 г. УНТ не могли быть длиннее нескольких миллиметров. За последние два десятилетия развитие CNT не продвинулось вперед, и космическое сообщество потеряло интерес к космическому лифту».

Менее чем через год после того, как был опубликован отчет NIAC Phase II, впервые был выделен еще один суперматериал на основе углерода, который показал огромный потенциал!

Графен спешит на помощь?

Как и углеродные нанотрубки, графен представляет собой аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов, расположенных в гексагональных решетчатых структурах. В отличие от CN, графен представляет собой двумерный материал, организованный в виде листа. Профессора Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли этот материал и были удостоены Нобелевской премии по физике 2010 года «за новаторские эксперименты в отношении двумерного материала графена».

Материал обладает невероятными электрическими свойствами, а также невероятной прочностью на растяжение. Лист монокристаллического графена имеет прочность на растяжение примерно в 200 раз выше, чем у стали — до 130 гигапаскалей (ГПа), что находится в пределах допусков, указанных в отчете NAIC II.

В 2021 году Никсон и его коллеги из Nixene Publishing — Дебби Нельсон (ответственный редактор и руководитель проекта) и Роб Уилдон (операционный директор) — получили возможность проинформировать НАСА о потенциале графена. Их брифинг «Невозможно для промышленности за 17 лет» был частью серии лекций по коммерческому космосу.

На этой еженедельной телеконференции НАСА встречается с представителями коммерческого космического сектора, чтобы обсудить возможности взаимной помощи. В своей презентации они показали, как производство графена достигло точки, когда можно производить непрерывные графеновые волокна километрового масштаба.

Примеры включают в себя то, как в 2020 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод непрерывной рулонной печати, который может создавать большие листы графена со скоростью около 2 метров (6,5 футов) в минуту. Кроме того, компания General Graphene из Теннесси недавно начала производство поликристаллического графена методом CVD.

А в Корее промышленная компания Charmgraphene объявила, что она может производить листы поликристаллического графена со скоростью 2 метра (6,56 фута) в минуту и ​​длиной 1 км (0,62 мили). Все эти компании производят поликристаллический графен, предназначенный для электроники, а не 2D-монокристаллическую разновидность с самой высокой прочностью на растяжение. Но, как объяснил д-р Свон, они движутся в правильном направлении:

«Мы начинаем видеть, как производится листовой графен большой площади. Хотя этот метод был разработан для производства графеновых электродов, которые позволили бы создавать легкие и гибкие солнечные устройства и экраны дисплеев, этот метод можно адаптировать для создания материала для привязи».

В своей последней статье, которую они представят перед IAC 2022 года, доктор Никсон и его коллеги рассмотрели преимущества двумерного монокристаллического графена по сравнению с другими материалами-кандидатами. Ключевым моментом здесь было сопоставить прочность на растяжение со скоростью и экономической эффективностью производственного процесса, тем самым определив, какой суперматериал обеспечивает наилучшее соотношение затрат и выгод. Никсон сказал:

«Мы исследовали три материала-кандидата для исследования: углеродные нанотрубки (CNT), графен и гексагональный нитрид бора (hBN). hBN — еще один двумерный материал, почти такой же прочный, как графен, а также кандидат на материал троса. Процесс изготовления двумерных материалов и УНТ называется методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). В процессе CVD для производства графена используется газообразный метан, а это недорогое сырье и основа современного промышленного производства».

По их заключению, за последние три десятилетия в производстве CN был достигнут очень незначительный прогресс, процесс идет мучительно медленно, а получаемые в результате трубки никогда не бывают достаточно длинными. И хотя hBN является надежным с точки зрения прочности на растяжение, а производственный процесс является многообещающим (как правило, производство поликристаллических пластин размером 200 мм для электронных приложений), он еще не достиг тех масштабов и скоростей, которые необходимы для создания троса. Графен сочетает в себе лучшее из обоих миров, когда используется для создания разновидности Single Crystal.

В настоящее время Никсон и его коллеги из ISEC подсчитали, что может быть произведено достаточно материала для производства на тросе за 18 миллиардов долларов — меньше, чем бюджет НАСА на 2022 год в 24 миллиарда долларов. Еще более обнадеживает то, что, по их дальнейшим оценкам, при правильной поддержке и развитии цена на производство монокристаллических 2D-листов графена может упасть до 1 цента за квадратный метр (1/10 цента за квадратный фут). Это означает, что трос может быть построен за 3,6 миллиарда долларов (примерно 15 процентов бюджета НАСА на 2022 год).

«Зеленая дорога» в космос

Помимо оценки материалов, которые могли бы воплотить в жизнь эту проверенную временем мегаструктуру, ISEC также стремится сделать космический лифт реальностью! Однако общая архитектура, которую рассматривает ISEC (называемая «Галактическая гавань»), выходит за рамки создания одного лифта. В своем документе с изложением позиции ISEC от 2020 года под названием «Космические лифты — транспортная история 21 века» они поделились своим видением серии установок «Галактическая гавань» по всему миру. Каждая установка будет состоять из двух лифтов в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах.

Архитектура миссии также предполагает использование ракет и лифтов, работающих в тандеме, для создания космической транспортной инфраструктуры, которая облегчит «человеческую миграцию» с Земли и становление человечества как «межпланетного» вида. Чтобы ускорить разработку этой архитектуры, доктор Свон и его коллеги Верн Холл (специалист и инженер по транспортной отрасли) и Майкл Фитцджеральд (специалист по проектам ВВС США) создали компанию Galactic Harbour Associates (GHA). Вместе с многочисленными исследовательскими фондами и коммерческими партнерами эта компания намерена начать начальные операции с первой Галактической гаванью к 2037 году.0003

Преимущества космической гавани были изложены доктором Суоном и его коллегами в документе с изложением позиции ISEC 2020 года, а также в их более позднем исследовании «Космические лифты, зеленая дорога в космос». К ним относится возможность отправки 30 000 метрических тонн (33 069 тонн США) полезной нагрузки на GSO и ​​далее в год, исходя из его первоначальных эксплуатационных возможностей. При полной мощности он сможет отправить 170 000 метрических тонн (187 393 тонны США) на ГСО за небольшую часть стоимости (по сравнению с ракетами) и без загрязнения атмосферы. Это позволит сделать гораздо больше, в том числе:

• Использование солнечной энергии в космосе при поддержке Парижских соглашений
• Предоставление бесконечных возможностей для коммерческих предприятий, исследований и путешествий
• Подъем полезных грузов в качестве Зеленой дороги в космос, помогающий сохранить нашу атмосферу
• Улучшение жизни на Земле с помощью крупные достижения в космосе
• Обеспечение возможности раннего завершения масштабных проектов, таких как лунные деревни
• Обеспечение быстрого перехода на орбиту (7,76 км/с) в обычном, безопасном и надежном режиме
• Разрешить быстрый транзит экипажей и полезной нагрузки на Марс (минимум от 61 дня до 400+ дней)
• Разрешить запуск миссий на Марс каждый день (а не только каждые 26 месяцев)
• Разрешить создание космических станций в GSA, точках Лагранжа

Некоторые из этих преимуществ наверняка покажутся знакомыми (и весьма специфичными) для проницательного наблюдателя за космическими полетами и коммерческим космическим сектором. Короче говоря, космический лифт поможет Илону Маску реализовать свое видение отправки 1 миллиона человек на Марс в период до 2050 года, в то время как Безос мог бы реализовать свою мечту о создании мест обитания на орбите и в точках Лагранжа, что привело бы к цивилизации из «триллиона человек в Солнечной системе». ракет, доставляющих небольшие полезные грузы в космос, стоимостью в сотни миллиардов (или триллионов) и без ущерба для Земли9.0003

Конечно, многое должно произойти, чтобы мы пришли к этому, не в последнюю очередь, чтобы страны мира и коммерческий сектор инвестировали в эту идею. Это то, что Никсон, Райт и Кнапман надеются поддержать, выступая на Международном астрономическом конгрессе (IAC) в этом году, который пройдет в Париже с 18 по 22 сентября. На вопрос, чего они надеются достичь на IAC 2022 года, Никсон твердо ответил:

«Одним словом, профиль! С тех пор как космическое сообщество отвернулось от углеродных нанотрубок, оно не осознало, что 2D-материалы вообще существуют. Те, кто знает о графене и hBN, не понимают поразительного прогресса, достигнутого в производстве 2D-материалов. Мы надеемся распространить информацию с помощью хорошо проработанной статьи и призываем как можно больше людей снова заинтересоваться космическим лифтом. Космический лифт — это не научная фантастика, это ближе к техническому факту. Можно ли построить космический лифт при нашей жизни? Да, конечно, это просто зависит от того, сколько серьезных усилий будет направлено на эту удивительную технологию».

Художественная иллюстрация космического лифта. НАСА/Пэт Роулинг

Мы живем в захватывающее время, когда снижение затрат, усиление конкуренции и расширение сотрудничества делают космос более доступным. В наш век большей активности и возобновившегося интереса многие освященные веками концепции, которые когда-то считались неосуществимыми (или просто слишком дорогими), подвергаются переоценке. Но когда дело доходит до анализа затрат и выгод, немногие другие идеи имеют такой же потенциал, как космический лифт.