По канату на небо. Коли земляни обзаведуться космічним ліфтом
Запуск речей в космос за допомогою ракети — досить неефективний спосіб доставки. Мало того що ракети дуже дорогі, вони також спалюють багато палива, щоб вийти на навколоземну орбіту. І хоча витрати на окремі запуски скорочуються завдяки сучасним концепціям, таким як багаторазові ракети і космічні літаки, але більш довготривалим рішенням могло б стати створення космічного ліфта.
Правда, такий проект мегаинжиниринга поки ще нездійсненний. Але вже багато вчені і компанії по всьому світу зайняті розробкою космічного ліфта. А тепер справа перейшла від теоретичних розрахунків і наземних експериментів до першим космічним випробувань. 14 вересня в космос відправлено модель космічного ліфта, створена командою японських інженерів з Університету міста сідзуока.
Концепція космічного ліфта досить проста. Він вимагає будівництва космічної станції на геостаціонарній орбіті. Як можна зрозуміти вже з самої назви, на такій орбіті (її висота — 35 786 км над рівнем моря) станція "висить" в небі нерухомо по відношенню до поверхні Землі. Від станції до Землі повинен бути протягнуть трос, по якому можна буде переміщати кабіни з вантажами і астронавтами туди і назад. З протилежного боку станції повинен бути прикріплений трос з противагою, щоб діюча на нього відцентрова сила компенсувала силу, з якою перший трос буде тягнути станцію до Землі.
Щоб випробувати цю систему в малому масштабі, фахівці інженерного факультету Університету міста сідзуока створили два кубічних мікросупутника розміром 10 см кожен. Вони з'єднані сталевим кабелем довжиною близько 10 м. Контейнер, який діє як космічний ліфт, переміщається по кабелю з допомогою двигуна.
Ця експериментальна модель вирушила на Міжнародну космічну станцію (МКС) в японському вантажному космічному кораблі HTV7, запущений з космодрому Танегасіма на півдні префектури Кагосіма. Спочатку старт корабля планувався на 7:32 ранку 11 вересня, пізніше через несприятливі погодні умови він був перенесений на 6:20 ранку 14 вересня, потім — на 6:00 ранку 15 вересня.
Згідно з програмою випробувань астронавти, що мешкають на МКС, після розвантаження корабля HTV7 повинні надіслати всю модель як єдине ціле у відкритий космос. Потім два супутника почнуть розділятися і розмотувати 10-метровий трос. Якщо процес пройде успішно, після цього конструктори дистанційно запустять рух мікроскопічного ліфта. Це стане першим в історії космічним експериментом, коли об'єкт переміщається по кабелю між двома супутниками.
Все буде зніматися на камери, встановлені на обох супутниках. Камери запишуть всі коливання або відхилення супутників від початкової орієнтації. Запуск повинен довести, що створення повноцінного космічного ліфта можливо і не має непередбачених обмежень. "Теоретично космічний ліфт дуже правдоподібним, — говорить керівник дослідницької групи Йоджі Ісікава. — Космічні подорожі з його допомогою можуть стати популярними в майбутньому".
Якщо експеримент виявиться успішним, зазначає сайт Universe Today, це допоможе закласти основу для всамделишного космічного ліфта. Але, звичайно, багато важливі проблеми ще належить вирішити. Насамперед, трос повинен бути як можна більш легким і мати надзвичайно високу міцність на розрив, щоб витримати власну вагу, тягне до Землі, гравітаційні сили з боку Сонця і Місяця, відцентрову силу, а також напруги, викликані перепадами атмосферних умов на різних відстанях від земної поверхні. Ця задача вважалася нерозв'язною в минулому столітті, коли концепція космічного ліфта була популяризована такими письменниками, як Артур Кларк. Однак після винаходу вуглецевих нанотрубок вчені стали ставитися до цієї ідеї більш оптимістично.\
Тим не менш виробництво нанотрубок завдовжки, необхідної для досягнення станції на геостаціонарній орбіті, все ще залишається далеко за межами наших нинішніх можливостей. Є й інші проблеми, в тому числі як уберегти космічний ліфт від зіткнення з космічним сміттям і метеоритами, як забезпечити стійкість троса до космічних променів високих енергій, як передавати електрику з Землі на космічну станцію.
Але якщо все ж таки вдасться побудувати космічний ліфт, він обіцяє величезні виграші: це було б можливістю перевозити екіпажі і вантаж у космос за набагато менші гроші. За деякими оцінками, вартість розміщення корисних навантажень на геостаціонарній орбіті могла б бути зменшено у 100 разів. Крім того, ліфт міг би використовуватися для розгортання супутників наступного покоління, таких як космічні сонячні батареї. На відміну від наземних сонячних батарей, які схильні до добового циклу (день-ніч) і мінливих погодних умов, космічні батареї зможуть збирати енергію 24 години на добу, сім днів в тиждень, 365 днів в році. Її можна було б передавати за допомогою мікрохвильових випромінювачів на приймальні станції на Землі.
Космічні кораблі також можуть збиратися на орбіті, якщо їх компоненти доставить туди космічний ліфт. А з часом на орбіті можуть бути розміщені автономні заводи для будівництва космічних апаратів.
Не дивно, чому багато компаній та організації сподіваються знайти способи подолання технічних та інженерних труднощів, що перешкоджають реалізації цих перспектив. У США ще в 2008 р. створено Міжнародний консорціум космічного ліфта (ISEC), в травні 2012 р. свою концепцію космічного ліфта представила NASA, а в квітні 2014 р. подібними задумами поділилася Google. У листопаді минулого року Китайська академія ракетних технологій, підрозділ Китайської аерокосмічної науково-технічної корпорації, заявила про намір побудувати космічний ліфт до 2045 р.
В Японії в лютому 2012 р. оголосила про плани створення до 2050 р. космічного ліфта з використанням вуглецевих нанотрубок корпорація Obayashi. До речі, вона співпрацює з Університетом міста сідзуока і допомогла йому створити модель космолифта, якій зараз чекають випробування в космосі. Керує проектом космічного ліфта корпорації Obayashi професор Йошіо Аокі з Університету Ніхон. Він запевняє, що космічний ліфт "необхідний для індустрій, навчальних закладів і уряду, щоб об'єднати зусилля для технологічного розвитку".
Obayashi оцінює вартість космічного ліфта в 10 трлн ієн (близько $90 млрд). Зрозуміло, подібний проект потребує узгоджених зусиль на міжнародному рівні. Але після цих разових витрат людство отримає набагато більш дешевий і притому постійно відкритий доступ в космос. І якщо нинішній експеримент на орбіті виявиться успішним, це може стати важливим кроком до майбутнього космічного ліфта.
У космос - на алмазних нанонитях
Вуглецеві нанотрубки — не єдиний перспективний матеріал для космічного ліфта. Ще більш багатообіцяючими виявилися алмазні нанонити. Уявіть собі, якщо б ви могли прясти з алмазу нитки в 20 тис. разів тонше людського волосся. Вперше їх отримали в 2014 р. вчені з Університету штату Пенсільванія. Для цього потрібно стиснути бензол тиском, в 200 тис. разів перевищує атмосферний, а потім повільно послаблювати його. Тоді з бензолу виходить полімер, в якому атоми вуглецю з'єднані у ланцюги з пірамідок. Кожна пірамідка складається з чотирьох атомів вуглецю, точь-в-точь як в алмазі. І нанонити, утворені цими пірамідками, по міцності порівнянні з алмазами.
Звичайно, виникли побоювання, що алмазні нанонити при збільшенні в розмірах можуть ставати все більш крихкими. Це, зрозуміло, серйозна проблема, коли мова йде про протяжці космічного кабелю довжиною в десятки тисяч кілометрів. Однак моделювання, проведене командою австралійських вчених з Квінслендського технологічного університету, показало, що можна надати нанонити набагато більш гнучку структуру. "Перестраиваемая пластичність разом з надлегкої щільністю і високим опором розтягування-стиснення робить алмазну нанотрубку ідеальною для створення надзвичайно міцних тривимірних наноархитектур", — стверджують автори дослідження. Якщо їх висновки виявляться вірними, то для цього матеріалу може відкритися дуже широкий спектр використання, не обмежується будівництвом космічних ліфтів.