На орбиту без ракет

Опубликовано: 15 августа 2006 г.
Рубрики:

В прошлом году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) объявило об учреждении Премий столетия (Centennial Prizes), присуждаемых за развитие новых технологий для исследования космоса. Первым стартовал конкурс идей по созданию транспортных средств, работающих на солнечной энергии. В частности, речь идет о так называемом космическом лифте, для создания которого необходим сверхлегкий и сверхпрочный трос, по которому должна подниматься в космос кабина, и эффективные солнечные батареи, на электрической энергии которых будет работать подъемник.

Oбщая схема космического лифта

А началась история космических лифтов лет тридцать назад. Тогда в конце 1970-х годов в НАСА вышел очередной меморандум №75174. Научно-техническая публикация на этот раз содержала перевод статьи... из советского научно-популярного журнала — настолько заинтересовала американских специалистов идея кандидата физико-математических наук, доцента Астраханского пединститута Георгия Полякова.

Сотрудников НАСА в статье “Космическое ожерелье Земли” привлекла мысль о возможности принципиально нового решения транспортной проблемы для будущих орбитальных поселений. Ученый из России считал, что вместе с ракетами-носителями эту задачу поможет выполнить космический лифт.

Собственно, сама идея высказывалась не впервые. Еще в 1960-м году о ней узнали читатели “Комсомольской правды”. В номере от 31 июля была помещена статья ленинградского инженера Юрия Арцутанова, в которой он описывал “небесный фуникулер”, поднимающий грузы на геосинхронную орбиту. Спутник, при этом, как бы “висит” над одной и той же точкой поверхности Земли, то есть вращается вокруг Земли со скоростью вращения Земли вокруг своей оси.

Фантастический проект остался тогда почти незамеченным. Только космонавт Алексей Леонов и художник А.Соколов откликнулись на него своей совместной картиной. Но через несколько лет после публикации Арцутанова материалы об аналогичных сооружениях стали появляться и в западных журналах. А в 1979-м году вышел научно-фантастический роман Артура Кларка “Фонтаны рая”, канву которого как раз и составляет строительство космического лифта.

Однако известный английский писатель-фантаст ни единым словом не упомянул о приоритете основоположника теоретической космонавтики, как его называли на родине, российского самородка Константина Циолковского...

Вот что было написано в конце XIX века в маленькой провинциальной Калуге: “На планете стояла страшной высоты башня, сверху и снизу тонкая, вроде веретена, и совсем без опоры, то есть, не касаясь планеты. Мы ходили под этим воздушным замком и удивлялись, почему он не падает к нам на головы. Дело в том, что верхняя его часть от центробежной силы стремится улететь, а нижняя — тянет в противоположную сторону. Форма и положение ее (то есть башни) таковы, что равновесие неизменно соблюдается”.

Книга, из которой взята эта цитата, называется “Грезы о Земле и небе”. И действительно, тогда это могло быть лишь мечтой. Однако, описывая свой проект в научно популярной публикации 70-х годов XX века, кандидат физико-математический наук Георгий Поляков почти буквально повторяет Циолковского: “На экваторе Земли закреплен трос, к свободному концу которого “привязан” спутник. Длина троса превышает высоту геосинхронной орбиты, где тело имеет период обращения такой же как и Земля. Другими словами, оно неподвижно висит над поверхностью планеты. На лифт действуют две противоположные силы: гравитационная и центробежная, обусловленные тяготением и суточным вращением Земли. В точке, расположенной на отметке стационарной орбиты, они взаимно уравновешены”.

Несущий трос такого лифта будет устойчив лишь тогда, когда действующая на него центробежная сила несколько превысит силу притяжения Земли. Поэтому спутник или орбитальная станция на его верхнем конце располагаются немного выше стационарной орбиты. По сравнению с ее высотой, 36 тысяч километров, — превышение это совсем небольшое.

Выше и ниже основной базы симметрично подвешиваются помещения, в которых по условиям работы требуется наличие гравитации. Это могут быть промежуточные станции-вокзалы, научные лаборатории, жилые и производственные блоки, оранжереи… К ним швартуются грузовые и пилотируемые транспортные корабли и другие космические аппараты.

Все эти проекты и сегодня выглядят совершенно нереальными. Да и как можно иначе относиться к висячим конструкциям протяженностью в несколько тысяч километров? Какие материалы выдержат такие нагрузки? Канаты из самой лучшей стали порвутся под собственным весом, не достигнув и малой доли нужной длины.

Но это сегодня, а завтра? После того как в 1991 году японец Сумио Идзима открыл углеродные нанотрубки, многие эксперты стали утверждать, что человечество уже обладает необходимым материалом для реализации идеи космического лифта. Нанотрубка — это пустотелый цилиндр, состоящий из атомов углерода. Фактически это как бы одна гигантская молекула углерода. Диаметр такого цилиндра в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Однако при этом канаты, сплетенные из нанотрубок, обладают феноменальной прочностью: они в сто раз прочнее стали. Это примерно в 3-5 раз большая прочность, чем требуется для постройки лифта.

По расчетам ученых, представленным на Второй ежегодной конференции по космическим лифтам (Second Annual Space Elevator Conference) в городе Санта-Фе, штат Нью-Мексико, несмотря на кажущуюся хрупкость, трос, состоящий из нанотрубок, способен поднимать груз в 13 тонн на высоту сто тысяч километров!

При этом вес километра троса составит всего 7,5 кг. А на первой аналогичной конференции, проходившей годом ранее в Альбукерке, физик Лос-Аламосской национальной научной лаборатории, колыбели атомной бомбы, Брэдли Эдвардс заявил, что лет этак через пятнадцать десяток таких лифтов будут доставлять на орбиту по 50 тонн грузов в сутки.

Конечно, конструкторам предстоит решить еще очень много научных и инженерных задач. Самая главная из них — научиться плести сверхдлинные канаты из нановолокна. Дело в том, что на сегодня самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, имеют длину всего в несколько сантиметров. А ведь речь идет о тросе длиной в десятки тысяч километров. Сейчас над этим работают специалисты во многих странах.

Строительство космического лифта начнется с запуска на стационарную орбиту мощными ракетами-носителями крупной станции. К ней будет крепиться один конец троса из нанотрубок, а другой закрепят на океанской платформе, плавающей на Земле в районе экватора. А по тросу будут перемещаться грузовые кабины с электромоторами.

По мере приближения кабин к геосинхронной орбите устремленная к Земле сила притяжения убывает, а центробежная, напротив, растет. Когда они сравняются, наступит невесомость. А выше начнет превалировать центробежная сила, стремящаяся отбросить дальше в космос, любой попавший сюда предмет. Это можно использовать для “безракетных” запусков космических аппаратов к другим планетам и астероидам.

На лифте можно построить несколько таких “космодромов”, каждый из которых будет обслуживать свою межпланетную трассу. Если же стартовые площадки расположить на лифте ниже точки равновесия, отделившиеся от них спутники будут летать вокруг Земли внутри стационарной орбиты.

Как транспорт, космические лифты выгодно отличаются от ракет-носителей. Стоимость доставки с помощью лифта одного килограмма груза на околоземную орбиту составит 200 долларов. В настоящее время каждый поднятый в космос килограмм обходится в сотни раз дороже.

Конечно, на постройку самого лифта, особенно первого, уйдут немалые средства. Специалисты называют внушительную сумму в десять миллиардов долларов. Конгресс и НАСА уже выделили на эти цели более трех миллионов — лиха беда начало.

При малом потреблении энергии лифт имеет очень высокую пропускную способность, не загрязняет окружающую среду, не разрушает озоновый слой атмосферы, защищающий нас от солнечного ультрафиолета. Правда, вместо считанных минут, подъем в космос на лифте займет больше недели, но, учитывая перечисленные выше преимущества, с этим недостатком можно смириться.

Космическими лифтами занимаются не только в Америке. Интересный проект разрабатывают сейчас по заданию Европейского космического агентства (ESA) российские ученые из Самарского государственного аэрокосмического университета. Они предложили использовать подобное устройство для спуска на Марс.

Речь идет о спускаемом аппарате, который будет прикреплен к орбитальному модулю при помощи суперлегкого троса из полиэтиленового волокна “дайнима” длиной в 30 километров. Ученые полагают, что трос будет удерживать капсулу только в верхних слоях атмосферы — потом он сгорит, а спускаемый аппарат “примарсится” на парашюте.

Мы уже привыкли, что человечество вошло в эпоху “чудес”. Но создание космического лифта, несомненно, станет событием огромной важности даже на фоне самых последних научно-технических открытий и технологий.