По канату на небо. Когда земляне обзаведутся космическим лифтом
Запуск вещей в космос с помощью ракет — довольно неэффективный способ доставки. Мало того что ракеты очень дорогие, они также сжигают уйму топлива, чтобы выйти на околоземную орбиту. И хотя затраты на отдельные запуски сокращаются благодаря современным концепциям, таким как многоразовые ракеты и космические самолеты, но более долговременным решением могло бы стать создание космического лифта.
Правда, такой проект мегаинжиниринга пока еще неосуществим. Но уже многие ученые и компании по всему миру заняты разработкой космического лифта. А теперь дело перешло от теоретических расчетов и наземных экспериментов к первым космическим испытаниям. 14 сентября в космос отправлена модель космического лифта, созданная командой японских инженеров из Университета Сидзуоки.
Концепция космического лифта довольно проста. Он требует строительства космической станции на геостационарной орбите. Как можно понять уже из самого названия, на такой орбите (ее высота — 35 786 км над уровнем моря) станция "висит" в небе неподвижно по отношению к поверхности Земли. От станции к Земле должен быть протянут трос, по которому и можно будет перемещать кабины с грузами и астронавтами туда и обратно. С противоположной стороны станции должен быть прикреплен трос с противовесом, чтобы действующая на него центробежная сила компенсировала силу, с которой первый трос будет тянуть станцию к Земле.
Чтобы испытать эту систему в малом масштабе, специалисты инженерного факультета Университета Сидзуоки создали два кубических микроспутника размером 10 см каждый. Они соединены стальным кабелем длиной около 10 м. Контейнер, который действует как космический лифт, перемещается по кабелю с помощью двигателя.
Эта экспериментальная модель отправилась на Международную космическую станцию (МКС) в японском грузовом космическом корабле HTV7, запущенном с космодрома Танэгасима на юге префектуры Кагосима. Первоначально старт корабля планировался на 7:32 утра 11 сентября, позже ввиду неблагоприятных погодных условий он был перенесен на 6:20 утра 14 сентября, затем — на 6:00 утра 15 сентября.
Согласно программе испытаний астронавты, обитающие на МКС, после разгрузки корабля HTV7 должны отправить всю модель как единое целое в открытый космос. Затем два спутника начнут разделяться и разматывать 10-метровый трос. Если процесс пройдет успешно, после этого конструкторы дистанционно запустят движение микроскопического лифта. Это станет первым в истории космическим экспериментом, когда объект перемещается по кабелю между двумя спутниками.
Все будет сниматься на камеры, установленные на обоих спутниках. Камеры запишут все колебания или отклонения спутников от изначальной ориентации. Запуск должен доказать, что создание полноценного космического лифта возможно и не имеет непредвиденных ограничений. "Теоретически космический лифт очень правдоподобен, — говорит руководитель исследовательской группы Йоджи Исикава. — Космические путешествия с его помощью могут стать популярными в будущем".
Если эксперимент окажется успешным, отмечает сайт Universe Today, это поможет заложить основу для всамделишного космического лифта. Но, конечно, многие важные проблемы еще предстоит решить. Прежде всего, трос должен быть как можно более легким и притом иметь чрезвычайно высокую прочность на разрыв, чтобы выдержать собственный вес, тянущий к Земле, гравитационные силы со стороны Солнца и Луны, центробежную силу, а также напряжения, вызванные перепадами атмосферных условий на разных расстояниях от земной поверхности. Эта задача считалась неразрешимой в прошлом веке, когда концепция космического лифта была популяризирована такими писателями, как Артур Кларк. Однако после изобретения углеродных нанотрубок ученые стали относиться к этой идее более оптимистично.\
Тем не менее производство нанотрубок длиной, необходимой для достижения станции на геостационарной орбите, все еще остается далеко за пределами наших нынешних возможностей. Есть и другие проблемы, в том числе как уберечь космический лифт от столкновений с космическим мусором и метеоритами, как обеспечить устойчивость троса к космическим лучам высоких энергий, как передавать электричество с Земли на космическую станцию.
Но если все же удастся построить космический лифт, он сулит огромные выигрыши: это было бы возможностью перевозить экипажи и груз в космос за гораздо меньшие деньги. По некоторым оценкам, стоимость размещения полезных нагрузок на геостационарной орбите могла бы быть уменьшена в 100 раз. Кроме того, лифт мог бы использоваться для развертывания спутников следующего поколения, таких как космические солнечные батареи. В отличие от наземных солнечных батарей, которые подвержены суточному циклу (день-ночь) и изменяющимся погодным условиям, космические батареи смогут собирать энергию 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 365 дней в году. Ее можно было бы передавать с помощью микроволновых излучателей на приемные станции на Земле.
Космические корабли также могут собираться на орбите, если их компоненты доставит туда космический лифт. А со временем на орбите могут быть размещены автономные заводы для строительства космических аппаратов.
Неудивительно, почему многие компании и организации надеются найти способы преодоления технических и инженерных трудностей, препятствующих реализации всех этих перспектив. В США еще в 2008 г. создан Международный консорциум космического лифта (ISEC), в мае 2012 г. свою концепцию космического лифта представила NASA, а в апреле 2014 г. подобными задумками поделилась Google. В ноябре прошлого года Китайская академия ракетных технологий, подразделение Китайской аэрокосмической научно-технической корпорации, заявила о намерении построить космический лифт к 2045 г.
В Японии в феврале 2012 г. объявила о планах создания к 2050 г. космического лифта с использованием углеродных нанотрубок корпорация Obayashi. Кстати, она сотрудничает с Университетом Сидзуоки и помогла ему создать модель космолифта, которой сейчас предстоят испытания в космосе. Руководит проектом космического лифта корпорации Obayashi профессор Йошио Аоки из Университета Нихон. Он уверяет, что космический лифт "необходим для индустрий, учебных заведений и правительства, чтобы объединить усилия для технологического развития".
Obayashi оценивает стоимость космического лифта в 10 трлн иен (около $90 млрд). Разумеется, подобный проект потребует согласованных усилий на международном уровне. Но после этих разовых расходов человечество получит гораздо более дешевый и притом постоянно открытый доступ в космос. И если нынешний эксперимент на орбите окажется успешным, это может стать важным шагом к будущему космическому лифту.
В космос - на алмазных нанонитях
Углеродные нанотрубки — не единственный перспективный материал для космического лифта. Еще более многообещающими оказались алмазные нанонити. Представьте себе, если бы вы могли прясть из алмаза нити в 20 тыс. раз тоньше человеческого волоса. Впервые их получили в 2014 г. ученые из Университета штата Пенсильвания. Для этого нужно сжать бензол давлением, в 200 тыс. раз превышающим атмосферное, а затем медленно ослаблять его. Тогда из бензола получается полимер, в котором атомы углерода соединены в цепи из пирамидок. Каждая пирамидка состоит из четырех атомов углерода, точь-в-точь как в алмазе. И нанонити, образуемые этими пирамидками, по прочности сравнимы с алмазами.
Конечно, возникли опасения, что алмазные нанонити при увеличении в размерах могут становиться все более хрупкими. Это, понятно, серьезная проблема, когда речь идет о протяжке космического кабеля длиной в десятки тысяч километров. Однако моделирование, проведенное командой австралийских ученых из Квинслендского технологического университета, показало, что можно придать нанонити гораздо более гибкую структуру. "Перестраиваемая пластичность вместе со сверхлегкой плотностью и высоким сопротивлением растяжению-сжатию делает алмазную нанотрубку идеальной для создания чрезвычайно прочных трехмерных наноархитектур", — утверждают авторы исследования. Если их выводы окажутся верными, то для этого материала может открыться очень широкий спектр использования, не ограничивающийся строительством космических лифтов.
