Космический лифт циолковского кратко
Обновлено: 02.07.2024
Вступление
Ажурную конструкцию подобной мачты Арцутанов предполагал снабдить железнодорожными путями, действующими по принципу маглева (поезда на магнитной подушке). Поезд должен был бы постепенно разгоняться до тех пор, пока не достигнет первой космической скорости, причем, гнать его вверх должно было исключительно магнитное поле. Горючее при этом бы не тратилось.
Здесь вкратце остановлюсь на практических соображениях, позволяющих осознать пользу и даже необходимость космического лифта. Космический лифт технически нереализуем в настоящее время – прежде всего, потому что у нас нет технологии для промышленного производства нанотрубок или аналогичного легкого и крепкого материала, из которого можно было бы собрать такой лифт. Тем не менее, космический лифт в отличие, например, от гиперлупа, не является улучшением какой-либо существующей технологии. Это принципиально новый, экологически чистый, а в долгосрочной перспективе — еще и экономичный проект. Космический лифт открывает реальные возможности долговременной колонизации околоземной орбиты, колонизации Луны с возможностью устраивать экспедиции в любую точку нашего спутника. Космический лифт является одной из самых реалистичных предпосылок для освоения точек Лагранжа, которые, в свою очередь, могут оказаться удобны для промышленной переработки астероидов. Наконец, космический лифт – незаменимая технология для высадки на суперземли и благополучного отбытия с них. Теперь давайте обо всем по порядку.
Конструкция космического лифта
Базовая станция космического лифта должна располагаться на экваторе, поскольку вывод тела на геостационарную орбиту тем проще, чем ближе к экватору находится точка старта. При этом, благодаря закону Архимеда, вес плавучей морской платформы будет снижаться, даже если она будет обширна как искусственный остров.
При этом на экваторе удобно расположить базовую станцию так, чтобы она находилась далеко от крупных течений, при этом была в нейтральных водах, и к ней без проблем подходили контейнеровозы любого размера, в том числе, подвозящие сборные и негабаритные грузы.
Итак, собрать наземную платформу для космического лифта можно уже на нынешнем уровне технологического развития. По-настоящему монструозная задача – именно дотянуть ствол лифта до 50 000-километровой высоты, так, чтобы он не разорвался задолго до геостационарной орбиты, а также найти, как (и из чего) собрать противовес на той стороне конструкции. При этом возводимая конструкция должна находиться в плотной земной атмосфере и выдерживать капризы погоды, солнечную радиацию, удары метеоритов, а выше атмосферы – и столкновения с космическим мусором. Наконец, необходимый для лифта материал ни в коем случае не должен быть горючим – потушить пожар на такой высоте будет практически невозможно.
Предполагается, что достаточной прочностью для сборки космического лифта обладают лишь углеродные нанотрубки. На сайте Роснано читаем, что коэффициент прочности одностенных углеродных нанотрубок составляет 50 ГПа. Этот коэффициент можно вычислить, поделив силу разрыва (70 нН для углеродной нанотрубки диаметром 1,5 нм) на площадь поперечного сечения. Такой расчет показывает, что прочность нанотрубок по пессимистичным оценкам составляет 40 ГПа, но может доходить и до 100 ГПа, то есть, кабель выдержит нагрузку 10 тонн на сечение площадью 1 мм 2 . Для сравнения: у стали этот показатель доходит до 0,4 ГПа (ближе к 0,34 ГПа), у монокристалла железа – 1,3 ГПа, для графена – 350 ГПа. Значения, достигнутые на практике для углеродных нанотрубок и графена к 2019 году, составляют 28 и 94 ГПа соответственно.
Несмотря на столь оптимистичные показатели, пока до промышленного применения нанотрубок еще очень далеко, поскольку к настоящему времени удалось вырастить нанотрубку длиной не более нескольких метров.
В качестве альтернативы углеродным нанотрубкам могут использоваться еще более прочные сверхтонкие алмазные волокна, полученные в 2017 году группой Джона Баддинга в Пенсильванском университете. Такую углеродную структуру удалось получить сжатием молекул бензола под давлением 200 000 атмосфер. В результате атомы углерода пересобирались в чрезвычайно прочную кристаллическую решетку, ячейка которой напоминает по форме тетраэдр.
С физической точки зрения длина углеродных трубок может быть практически неограниченной, но даже столь прочный материал как графен наверняка не выдержит наращивания до геостационарной орбиты и рухнет под собственной тяжестью.
Революционное решение, позволяющее решить эту проблему уже на современном уровне развития технологий, было предложено Зефиром Пенуаром и Эмили Сэндфорд в 2019 году. Возможно, первую очередь космического лифта было бы реалистичнее не возвести с Земли, а свесить с Луны.
Точки Лагранжа и космический лифт
В районе земной орбиты есть удивительные места, в которых гравитация практически не действует, поскольку в них гравитация Земли и другого небесного тела гасит друг друга. В 1772 году эти точки открыл французский математик Лагранж, заинтересовавшийся, есть ли в Солнечной системе такое место, где гравитация Солнца и Земли равны. Выяснилось, что таких точек, где гравитация Земли и Солнца и Земли и Луны гасят друг друга, целых 5. Их назвали L1, L2, L3, L4 и L5. Если поместить в точку Лагранжа космический аппарат или, например, космическую станцию, он(а) никуда оттуда не денется. Точки Лагранжа определенно есть и у других объектов в Солнечной системе – например, по-видимому, именно в такой точке между Марсом и Юпитером засел астероид Ахиллес.
Идея Пенуара и Сэндфорд заключается в следующем. Если бы удалось построить на Луне базу для космического лифта, закрепить там тонкий углеволоконный трос, а затем протянуть его через точку Лагранжа в направлении Земли, то именно в этой точке можно было бы начать обустройство постоянной колонии на полпути между Землей и Луной.
Я же в данном случае хочу подчеркнуть еще два важнейших аспекта, связанных со спусканием космического лифта из точки Лагранжа.
Во-первых, такая конфигурация значительно облегчает строительство орбитального противовеса-стабилизатора, поскольку материалы для него будут буквально под рукой. На сборку стабилизатора можно пустить космический мусор и отработанные искусственные спутники.
Во-вторых, стабилизатор можно было бы укрепить металлами с небольшого астероида, пришвартовать который к станции также удалось бы лишь в условиях пренебрежимой гравитации.
Но освоение суперземель серьезно упрощается при наличии отлаженной технологии космического лифта. Даже если у суперземли не будет удобного спутника, близ нее наверняка удастся найти удобную точку Лагранжа и размотать углеволоконный (или аналогичный, более прочный) трос до горной вершины на этой планете – кстати, из-за усиленной гравитации горы на суперземле должны быть сравнительно низкими. Но здесь я уже слишком углубляюсь в научную фантастику.
Важной критичной уязвимостью углеродного космического лифта, которую здесь следует рассмотреть, является горючесть углеволокна. Углеродные нанотрубки не просто горят, а вспыхивают. Поэтому предполагается, что более безопасным и при этом крепким материалом для производства таких трубок может стать не углерод, а кремний, точнее, силицен – кремниевый аналог графена. Кристаллические решетки из кремния значительно сложнее получать, чем графен. Тем не менее, силицен удалось наблюдать в 2010 году, а в 2012 году – вырастить искусственно. Исходно с силиценом связывались определенные надежды в полупроводниковой промышленности, но практика показала, что он неприменим в микроэлектронике, так как слишком быстро распадается на обычный кремний. Мне не удалось найти материалов о практическом получении кремниевых нанотрубок, аналога углеродных, на основе кремния. С другой стороны, именно при армировании космического лифта силицен мог бы прийтись кстати, в том числе, и потому, что должен легко интегрироваться с микроэлектроникой, также создаваемой на кремниевой основе. Возможно, организовать поточное производство силиценового волокна удастся при помощи 3D-печати.
Заключение
Идея, которая четверть века назад, была научной фантастикой, может стать практической реальностью в следующие двадцать лет.
Космические ракеты, доставляющие на околоземную орбиту грузы для МКС (Международная космическая станция), или просто менее мощная ракета, запускающая спутник в космос, обязательно должны преодолеть гравитационное поле Земли.
При использовании ракеты, требуется невероятное количество энергии, чтобы поднять, даже небольшой груз, на околоземную орбиту. По оценкам НАСА, текущие затраты составляют около 20 000 долларов за килограмм.
Видео: Загадка удачная покупка.
Именно эта высокая цена, ограничивает освоение космоса Человечеством. Любой посадочный модуль на Марс, орбитальный аппарат Венеры, метеорологический спутник или пилотируемая космическая станция, очень затратные мероприятия.
Это не только дорого, но и опасно - выходить на орбиту Земли и возвращаться с нее. Случаются аварии и гибель ракет, которые вылетают в космос или возвращаясь на Землю.
Но, что если у Человечества, была бы технология, которая могла бы вывести грузы на орбиту, менее чем за 10 долларов за килограмм? Если, эта технология может выводить людей и грузы на орбиту и с нее, с гораздо более высоким коэффициентом безопасности?
Видео: Ангел - Хранитель или гипотеза.
Эта идея, возникла в 1895 году у русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского. Циолковский предвидел многие версии, для освоения космоса. Одна из его идей - это версия космической станции - на геосинхронной орбите ((ГСО). Оттуда, космические корабли, могли бы легко улетать с Земли на далекие планеты.
В те времена, когда возникла идея космического лифта, мысль о том, что такие станции можно создать, была всего лишь инженерным предположением. Однако в 1991 году эти предположения стали реальностью.
В 1991 год, был годом изобретения углеродных нанотрубок (УНТ).
УНТ - это крошечные листы углерода, свернутые в форму трубки, которая в сто раз прочнее, чем сталь. Они обладают твердостью алмазов, но гораздо менее хрупкие.
УНТ оказался технологическим прорывом, который понадобиться, чтобы сделать космический лифт возможным. В 1998 году, НАСА собрало группу ученых, чтобы изучить эту концепцию. По их оценкам, космический лифт можно построить, примерно, через 50 лет, если технологический прогресс, будет продолжаться, как ожидается в перспективе.
Ученые пришли к выводу, что базовая космическая станция, должна быть расположена на 30 км в высоту, а сами лифты будут левитировать над кабелем, чтобы они могли перемещаться на высоких скоростях, не касаясь поверхности Земли. Таким образом, они не будут изнашивать конструкцию.
От того, насколько высоко находится объект, зависит, насколько быстро он вращается вокруг Земли. Чтобы верхняя часть лифта вращалась с той же скоростью, что и Земля, было важно, чтобы центр масс конструкции находился на высоте 35 786 км над землей.
Это та же высота, на которой работают спутники погоды и связи. НАСА решило, что это означает, что космической станции наверху потребуется тяжелый противовес над ней. Для этого они решили, что может понадобиться захватить астероид и прикрепить его на самом верху лифта.
Ученый, доктор Брэдли Эдвардс, придумал план космического лифта с учетом современных технологий.
По упрощенному плану Эдварда, роботизированная платформа поднимается в космос до нужной высоты (35 786 км), необходимой для геостационарной орбиты. Платформа будет нести две катушки УНТ в виде ленты – троса.
Затем, один спускается на Землю, а другой поднимается на высоту около 99780 км (контрбаланс). Дополнительная лента - трос наверху гарантирует, что центр масс всегда остается на высоте 35 786 км, и устраняет необходимость в установке противовес астероида.
Как только нижняя катушка достигнет поверхности, она будет прикреплена к базовой станции, вероятно, чем-то похожим на морскую нефтяную вышку. Роботизированные устройства, использующие пару механизмов, сжимающих ленту - трос, поднимались бы вверх от базовой станции.
Одна из проблем, связанных с безопасностью любого космического лифта, - это количество мусора, находящегося в настоящее время на орбите, который может столкнуться с лентой - тросом.
У Эдварда, есть решение и для этой идеи. Базовая платформа будет мобильной и сможет перемещать лифт по мере необходимости, чтобы избежать попадания крупных обломков с орбиты.
НАСА заинтересовалось идеями Эдварда, ему был выдан двухлетний грант, в размере 500 000 долларов на разработку его проекта.
Стоимость всего проекта, по грубым подсчетам, составит от 6 до 12 миллиардов долларов. Хотя это кажется большими деньгами, по сравнению с другими проектами, такими, как пилотируемая миссия на Марс (около 1 триллиона долларов), это не кажется очень дорогим проектом.
Если такой космический лифт можно построить, он откроет возможности, для всех видов развития, которые сегодня слишком дороги. Колония на Луне, или, может быть, на Марсе, доставка полезных ископаемых с других планет.
Россия планирует, в ближайшее десятилетия, построить на Земной орбите космический модуль. Который станет стартовой площадкой, для освоения Луна и других планет.
Видео: Клад из прошлой жизни или наследство от пирата.
Если это так, то строительство космических лифтов, имело бы смысл и для этих проектов.
Сегодня освоение космоса – не просто всемирная идея, это цель, к которой стремится каждое отдельное государство и их коалиции в целом. Для дальнейшего изучения космоса, а также успешной колонизации планет, требуется интенсивное развитие технологий, которые могут за собой повлечь возникновение новых инструментов, средств и методов передвижения в космическом пространстве. Эксперименты, способствующие развитию подобных технологий, проводятся на орбитальных станциях вроде МКС или Тяньгун.
По этой причине, внушительная часть сегодняшних исследований в области космонавтики, направлена на повышение продуктивности работы этих станций и их экипажа, а также на снижение стоимости эксплуатации станций и обслуживания человеческого ресурса. Далее, нами рассматривается один из наиболее амбициозных и масштабных проектов в этой области – космический лифт.
Задача космического лифта
Космический лифт в представлении художника
Стоимость доставки на Международную космическую станцию полулитровой бутылки с водой составила бы 27 тыс. долларов, а кофемашины – пол миллиона долларов. По этой причине лица, организующие космические исследования, тщательно следят за целесообразностью доставляемых грузов. В некоторых случаях приходится ограничивать свои исследования самыми важными образцами, таким образом, возможно, упуская интересные результаты исследований. Сокращение же финансов на доставку грузов на орбиту Земли не только сократит давление на национальную экономику, но и расширит рынок доставляемых грузов, что в дальнейшем может повлиять на научный прогресс в целом.
Хотя постройка космического лифта – довольно затратное предприятие, его эксплуатация в дальнейшем обойдется космическим агентствам в разы меньше, нежели запуски транспортных космических кораблей.
Конструкция и принцип работы
Впервые идею космического лифта высказал основоположник теоретической космонавтики — Константин Эдуардович Циолковский, когда увидел Эйфелеву башню. Тогда он представлял себе лифт, расположенный внутри высочайшей башни. К сегодняшнему дню концепция было значительно доработана и видоизменена. Наиболее популярная концепция космического лифта состоит из четырех основных частей и представляется в следующем виде.
Первая часть – это основание. Это место располагается на поверхности Земли, к нему крепится трос и с него начинается подъем груза. Оно может быть двух видов: подвижным и стационарным. Подвижное основание, к примеру, установленное на океанском судне, способно проводить маневры уклонения троса от природных стихий, вроде ураганов и бурь. Стационарное же основание обойдется значительно дешевле, по причине уменьшения длины троса и более простого доступа к источнику энергии.
Вторая важная часть конструкции, это собственно сам трос, вдоль которого будет происходить перемещение подъемников. Его конец должен проходить через геостационарную орбиту, находясь на которой, любой объект обращается вокруг Земли с той же угловой скоростью, что и сама планета вокруг своей оси. Таким образом колебания троса будут минимальны. Толщина троса должна быть неоднородна, так как в каждой его части нагрузка разнится. То есть ближе к поверхности планеты конструкция будет вынуждена выдерживать свой собственный вес (в том числе и вес подъемников с грузом), тогда как ближе к орбите трос вынужден уравновешивать центробежную силу, направленную от Земли.
Третья часть конструкции – противовес. Его предназначение состоит в натяжении троса. Однако в перспективе его можно будет использовать также для удаленного запуска кораблей и космических грузов на другие планеты. Противовес должен располагаться за геостационарной орбитой на высоте более чем в 144 тыс. км, и представлять собой любой тяжелый объект, например, астероид или даже космический док. Если с поверхности Земли по тросу будет свободно двигаться космический аппарат, то он сможет набрать скорость, достаточную для того, чтобы выйти за пределы Солнечной системы.
Вариант реализации космического лифта
Четвертый основной компонент космического лифта – это сам подъемник. Его конструкция может быть представлена большим количеством концептов, среди которых можно выделить основной принцип работы. Как видно из представленной схемы, на подъемник будет действовать две силы: сила притяжения и сила Кориолиса. Вторая возникает в результате вращения Земли и с ее помощью подъемник воздействует на трос, прогибая его. В случае вертикального движения подъемника со скоростью 200 км/ч, трос наклоняется на 1 градус относительно поверхности планеты. Для осуществления этого подъема потребуется сила, направляющая подъемник от Земли, которой будет содействовать и горизонтальная сила Кориолиса. Вероятно, для создания подобной вертикальной силы потребуется использование эффектов электромагнетизма.
Проблемы постройки и их решения
Одной из основных проблем создания подобной конструкции – трос. Важнейший атрибут требуемого троса, это высокое значение отношения его прочности к удельной плотности. В цифрах, требуемая плотность троса должна быть близка к плотности графита (2,23 г/ см 3 ), а прочность в диапазоне 65-120 гигапаскалей. К сожалению, по сравнению с этой цифрой, прочность известных нам материалов в разы меньше. Так, например, прочность стали – 1-5 ГПа, кевлара 2,6—4,1 ГПа, кварцевого волокна около 20 ГПа. На сегодня, наиболее вероятным претендентом на роль материала для троса выступают углеродные нанотрубки. Теоретически их прочность может превышать даже 120 ГПа, однако в проведенных экспериментах нанотрубки лопались в среднем при нагрузке 30-50 ГПа. Хотя американским ученым из Университета Южной Калифорнии удалось достигнуть прочности в 98,9 ГПа, все же в эксперименте использовались однослойные нанотрубки длиною в 195 мкм. Сплетенный же с нанотрубок трос будет иметь прочность заметно ниже, чем сами нанотрубки.
Помимо троса можно использовать так называемую шину, проводящую электрический ток, приводящий в движение лифт. В роли такой шины может выступать графеновая бумага, недавно созданная в Сиднейском Технологическом университете. Диагональ таких листов графена достигает уже сегодня несколько десятков сантиметров.
Природные и искусственные препятствия
Следует также учитывать фактор природы, который представлен различными погодными изменениями вроде молний и сильных ветров. Возможное решение проблемы может заключаться в совокупности таких качеств троса как прочность и подвижность основания, что позволит избегать значительных природных угроз, и справляться с незначительными.
Сохранности космического лифта могут угрожать и такие искусственные объекты как космический мусор, который во внушительном количестве скопился на орбите Земли. Попадание мельчайшей частички, летящей на огромной скорости, в конструкцию может повлечь за собой значительные повреждения или вовсе разрушить лифт.
Источник энергии
Согласно подсчетам, вывод на низкую околоземную орбиту одной тонны груза можно потребовать мощность до десятков Гигаватт. Для сравнения, крупнейшая в мире АЭС (Касивадзаки-Карива, Япония) выдает мощность 8,2 ГВТ, один из самых мощных реактивных двигателей, советский РД-170 – 14,7 ГВт.
Проект канадской башни
Недавний патент Канадской космической компании Thoth Technology описывает проект башни высотой в 20 километров. Создание столь высокого здания возможно посредством использования сжатого газа внутри, который будет придавать жесткость конструкции. На вершину башни груз будет поднят известным способом. На вершине же будет располагаться стартовая площадка, с которой уже будут запускаться космические аппараты с указанным оборудованием. Подобная технология позволит сократить затраты на топливо на 30%, по сравнению с затратами на топливо для ракеты.
Выводы
Подводя итоги всего сказанного выше, можно отметить сложность реализации существующих концептов космического лифта, в силу отсутствия некоторых требуемых технологий, таких как материалы, инструменты и методы. Кроме того, проект потребует немалые финансовые затраты и значительные человеческие ресурсы. Вероятность скорой постройки данной конструкции возрастет в случае скооперированной работы ряда развитых государств.
Что можно сказать уже сегодня, так это лишь то, что перед человечеством стоит цель создания космического лифта, и над его разработкой трудится множество ученых по всему миру. Ежегодно совершаемые научные открытия в этой области с каждым разом все больше приближают нас к реализации такого амбициозного и масштабного проекта, как космический лифт.
Космический лифт, идея создания которого пришла в голову Константину Циолковскому ещё в 1895 году, может быть создан уже в ближайшем будущем, пишет NBC. Как сообщается, в скором времени на МКС будет проведён эксперимент для определения практической применимости лифта, протяжённостью от земли до околоземной орбиты. Как отмечает издание, создание подобного лифта позволит сократить стоимость выводимых на орбиту предметов до $25.
В течение полувека единственным способом добраться до космоса были ракеты, однако в недалёком будущем может появиться ещё один — гигантский лифт, построенный на поверхности земли, высотой в 22 тыс. миль (около 35 405 км — прим. ИноТВ), сообщает NBC.
Как заявляют в NASA, базовая концепция космического лифта выглядит достаточно прочной, и исследователи со всего мира оптимистично оценивают возможность его строительства. Так, глобальная строительная корпорация Obayashi со штаб-квартирой в Лондоне намерена построить подобный лифт к 2050 году, а Китай хочет завершить строительство к 2045 году.
Как передаёт сайт телеканала, в скором времени на борту МКС должен быть проведён эксперимент для определения практической применимости космического лифта в реальном мире.
Как напоминает NBC, впервые идея космического лифта пришла в голову российскому учёному-пионеру ракетостроения Константину Циолковскому в 1895 году. Согласно общепризнанным представлениям сегодня, космический лифт должен состоять из блока лифтовых двигателей, приводящих в движение трос, протяжённостью от космодрома, расположенного на экваторе, до геосинхронной земной орбиты. Центробежная сила, вызванная вращением Земли, будет поддерживать трос на высоте.
Разумеется, для изготовления настоящего лифта учёным ещё предстоит преодолеть некоторые препятствия, отмечает издание. Одно из них — поиск материала для изготовления троса. На сегодняшний день всё большее число специалистов полагают, что для этих целей подойдёт графен, однако его производство в необходимых размерах и количестве ещё предстоит наладить.
Другой проблемой является космический мусор, способный повредить космический лифт в случае столкновения.
Тем не менее, как передаёт NBC, настрой учёных остаётся оптимистичным. В настоящее время ведутся поиски способов уменьшить объём космического мусора, а также избежать столкновения с ним во время поездок на космическом лифте.
Читайте также: