Одним из серьезных препятствий в освоении космоса является сложность с доставкой груза на орбиту. Стоимость выведения каждого килограмма полезной нагрузки исчисляется тысячами долларов. Чем дальше и быстрее нам нужно запустить космический аппарат, тем мощнее и огромнее должна быть ракета. Но если мы хотим освоить Солнечную систему и двигаться дальше по Галактике, нам совершенно точно не обойтись без дешевой, надежной, а главное — обеспечивающей работу в тактовом режиме технологии доставки грузов на орбиту (и с орбиты на Землю, разумеется). Таким решением может стать космический лифт.
Построить башню до неба
Идея дотянуться до космоса каким-нибудь рукотворным объектом возникла у человечества еще в те времена, когда над нашими головами была не бескрайняя Вселенная, а небесная твердь. Да, Вавилонская башня — это ведь тоже о том, чтобы построить достаточно высокий объект, который своей макушкой уперся бы в небо.
Если оставить легенды в стороне, то в контексте пионера идеи космического лифта чаще всего упоминают Константина Циолковского, который в 1895 году выдвинул идею башни высотой несколько тысяч километров. Поскольку то были времена, когда человечество вовсю осваивало сталь — новый для себя строительный материал, — подобная башня предполагалась из этого сплава. Впрочем, уже в то время было понятно, что сталь слишком хрупкая для такой монструозной конструкции. То есть идея, в целом, была рабочей, но вот материалов для ее воплощения еще не изобрели.
В 1960 году на тот момент аспирант Ленинградского технологического института Юрий Арцутанов опубликовал статью «В космос — на электровозе». По представлениям инженера, транспортная система состоит из троса, прикрепленного к платформе на экваторе. На другом конце троса закреплен противовес. Благодаря центробежной силе трос при достаточной длине (она оценивалась в 50–60 тысяч километров) будет натянут. Само транспортное средство представлялось чем-то вроде поезда на магнитной подушке, состоящего из герметичных вагонов. После преодоления точки, где центробежная сила уравновешивается силой тяжести, состав должен двигаться за счет первой, не затрачивая энергии вообще. Такой космический лифт может установить постоянную связь с обитаемой станцией, перевозя грузы и пассажиров в обоих направлениях. В перспективе подобные устройства можно построить и на других планетах и даже соединить этим лифтом Землю и Луну.
Впрочем, в статье отмечалось, что материалов для реализации идеи на тот момент не существовало — учитывая гигантский вес сооружения, все оказывалось слишком малопрочным для строительства. Идея космического лифта стала оживать в конце ХХ века с изобретением углеродных нанотрубок, которые демонстрируют многообещающие свойства.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки — это одна из аллотропных модификаций углерода, то есть вариант простого вещества этого химического элемента, такой же как алмаз, графит или фуллерен. Она представляет собой полую цилиндрическую трубку, состоящую из графена (еще одна модификация углерода). Диаметр такой трубки варьируется от десятых долей до нескольких десятков нанометров, а длина может составлять несколько сантиметров. Трубки сплетаются между собой — в теории, таким способом можно получить структуру неограниченной длины.
Опять же в теории прочность нанотрубок может быть очень велика — до 120 гигапаскалей (этот коэффициент вычисляют, разделив силу, необходимую для разрыва, на площадь поперечного сечения). Этого хватило бы для создания космического троса (необходимый коэффициент оценивается в 60–120 гигапаскалей), но на практике все не так оптимистично. Во-первых, предел прочности созданных нанотрубок составляет (pdf) не больше 28 гигапаскалей, во-вторых, пока не удалось получить нить длиной больше нескольких метров. В-третьих, углеродные нанотрубки пожароопасны — они вспыхивают ярким пламенем, а потушить огонь в такой структуре, как космический лифт, будет невозможно.
Инженеры продолжают экспериментировать с материалами — например, с графеном или сверхтонкими алмазными трубками, а также с кремниевым аналогом графена — силиценом. Однако пока эти опыты на начальной стадии.
Впрочем, материал — это не единственная технологическая проблема в строительстве и эксплуатации космического лифта. Сила земного притяжения и центробежная сила будут действовать на конструкцию с разной силой в разных ее частях, и потребуется очень точный расчет, чтобы в итоге все не развалилось. Отдельный вопрос — устойчивость к погодным условиям в земной атмосфере, ударам метеоритов и столкновениям с космическим мусором. Наконец, каким образом строить такую систему? На этот вопрос есть неожиданный ответ — возможно, нужно начать с Луны.
Чем помогут точки Лагранжа
В системе массивных тел есть точки, в которых их гравитация уравновешивается — они называются точками Лагранжа (в честь открывшего их французского математика), и в системе Солнца, Земли и Луны их пять (в одной из них сейчас работает телескоп «Джеймс Уэбб»). Пребывая в такой точке, космический аппарат может не тратить топливо на поддержание орбиты.
Зефир Пенойр и Эмили Сэндфорд предложили начать строительство космического лифта с Луны, построив там базовую платформу. Другой «этаж» устройства должен находиться в точке Лагранжа — там можно создать промежуточную станцию для взаимодействия между Землей и спутником. А уже с этой промежуточной станции с помощью противовеса необходимо тянуть трос в сторону нашей планеты. Исследователи полагают, что такой метод позволит создать космический лифт от Луны до точки Лагранжа уже на текущем уровне развития технологий.
Однако не все разделяют оптимизм по поводу космического лифта. Например Илон Маск считает (youtube), что это слишком сложная инженерная задача и проще построить мост от Сан-Франциско до Токио. Но вот NASA активно поддерживает проекты космического лифта и даже устраивало соревнования Space Elevator Competition с целью привлечь инженеров к реализации этой идеи. Японская Obayashi Corp. и Китай даже заявляют примерные сроки завершения строительства — к 2050-му и 2045-му годам соответственно.
Видимо, идея космического лифта слишком хороша, чтобы от нее отказаться, ведь он сделает космос по-настоящему доступным всем и откроет возможности для исследования и освоения Солнечной системы. Поэтому инженеры продолжат искать новые технологии для воплощения этой идеи — и вполне вероятно, найдут.