Космический лифт. Как, зачем, из чего
Узнать замечательное слово «ретрофутуризм» и даже прочесть эту статью мне довелось уже в бытность активного существования хаброблога, когда под моим последним январским постом развернулась дискуссия об осуществимости и целесообразности воздвижения сферы Дайсона. Немного разочаровавшись реакцией на тот пост, я отложил в долгий ящик обзорную статью о технологии и применении космического лифта, но вот и она дождалась своего часа. Во многом я нашел нужные мысли и слова, готовя материал о фуллеренах и, соответственно, освежив знания об углеродных нанотрубках. Поэтому вас ждет пост, категорически не относящийся к научной фантастике.
Вступление
Автором идеи космического лифта является Константин Эдуардович Циолковский. В 1895 году, осматривая в Париже новенькую Эйфелеву башню, Циолковский задумался о том, насколько реально было бы построить башню высотой до геостационарной орбиты, чтобы доставлять по ней грузы прямо в космос. Конструкция получалась практически неосуществимой: мало того, что ее основание на земле было бы сопоставимо по площади со всем Парижем, так и даже самая прочная сталь не выдержала бы такой нагрузки. Тем не менее, идею башни или мачты, выходящей прямо на орбиту, можно отнести к «невозможностям первого класса» в соответствии с парадигмой Мичио Каку: создание такой конструкции не противоречит законам физики, мы просто не владеем материалами и технологиями для осуществления проекта.
Следующая, вполне прикладная попытка подступиться к идее космического лифта была предпринята уже в СССР в 1960 году. 31 июля в воскресном приложении к «Комсомольской правде» вышла статья «В космос — на электровозе», написанная Юрием Николаевичем Арцутановым (1929 — 2019), в ту пору учившимся в аспирантуре Ленинградского технологического института. Тогда (третий год продолжаются космические запуски, но человек на орбите еще не бывал) Юрий Николаевич справедливо отметил, что космический полет на ракете не сможет стать массовым явлением, так как оказывает запредельные нагрузки на человеческий организм, а также требует тратить непозволительно много ресурсов и энергии на преодоление гравитации. Поэтому, предположил Арцутанов, запуск ракет должен осуществляться с орбиты, там, где они с легкостью будут приобретать вторую космическую скорость и отправляться в нужном направлении. Для этой цели на орбите должен быть развернут «целый город с оранжереями, обсерваториями, гелиоэлектростанциями, мастерскими, складами горючего и взлетно-посадочными устройствами для межпланетных ракет». Доставка людей и грузов на такую орбитальную станцию должна осуществляться по вертикальной трассе длиной 50–60 тысяч километров, так как для металлической конструкции такого размера примерно на высоте 42 тысячи километров центробежная сила (обусловленная орбитальным вращением Земли) станет примерно равна силе тяжести, под которой конструкция могла бы рухнуть на землю. Соответственно, такую конструкцию потребовалось бы составить из «наземной» несущей части, которая имеет переменную, увеличивающуюся толщину на пути к геосинхронной орбите, и из противовеса, который начинается на высоте порядка 42 000 километров и уравновешивает силу тяготения собственной центробежной силой.
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
Примерно в таком виде космический лифт представляли еще в 1960-е. Возвращаясь к «башенной» модели космического лифта, предложенной Циолковским, отметим, что сила тяготения будет противоположным образом воздействовать на секции башни, расположенные ниже и выше геостационарной орбиты: нижняя часть башни будет стремиться упасть на землю, а верхняя — улететь в космос. Поэтому для стабилизации башни достаточно расположить центр ее массы существенно выше геостационарной орбиты. Земное притяжение, воздействующее на лифт, будет наименьшим на поверхности Земли и наибольшим — на геостационарной орбите. Выше геостационарной орбиты притяжения уже практически не будет, и именно там уместно развертывать первый космопорт дальнего следования.
Следующее принципиальное отличие космического лифта от традиционного является неподвижность «ствола» всей конструкции относительно Земли (естественно, относительно спутников и космических станций лифт будет вращаться с той же скоростью, что и Земля). Напротив, подвижной частью лифта будут одинаковые подъемники-вагоны, которые будут уравновешивать друг друга, если в каждый момент времени один из них будет двигаться снизу вверх, а другой — сверху вниз. Подобную идею выдвинули в статье 2021 года китайские ученые. Путь такого вагона с поверхности Земли на геостационарную орбиту может занимать от нескольких дней до считанных часов. Поскольку подъемники будут выполнять не только транспортную, но и уравновешивающую функцию, они не могут нести с собой горючего. Во-первых, объем горючего относительно объема вагона был бы настолько же велик, как и объем горючего, необходимого для вывода ракеты-носителя на орбиту. Во-вторых, с выгоранием топлива менялась бы и масса всего подъемника, вернее, всех задействованных подъемников одновременно — что значительно дестабилизировало и раскачивало бы всю систему. Поэтому в модели Арцутанова предполагалось запитывать подъемники электричеством, пропущенным через кабели на протяжении всего лифта (нереализуемо), впоследствии высказывалась версия, что передавать энергию подъемнику можно было бы при помощи лазеров. В наше время гораздо логичнее выглядит конструкция, при которой лифт использует солнечную энергию, поскольку (например, по всей длине) облицован солнечными батареями. Ниже я упомяну, почему единственным реалистичным материалом для возведения космического лифта представляются углеродные нанотрубки. Тем не менее, уже здесь можно оговориться, что углеродные структуры, прежде всего, фуллерены, вполне могут применяться и в качестве фотоэлектрических элементов. Таким образом, принципиально возможно собрать из углерода как несущую конструкцию лифта, так и его энергетическое оснащение (солнечные батареи). Также упомяну ниже, почему это возможно, но не оптимально.
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 мм2. 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.
Поскольку на такой станции естественная гравитация бы отсутствовала, оттуда можно было бы сравнительно легко добираться в любую точку Луны. Стали бы технически целесообразны регулярные лунные экспедиции, в том числе, за ценнейшим гелием-3, необходимым для развития термоядерной энергетики. С этой станции, в свою очередь, было бы удобно тянуть космический лифт в сторону Земли, собирая в нужной точке тот противовес, который обеспечит нужное натяжение для участка лифта «Земля — точка Лагранжа». Подробнее о потенциальном использовании точек Лагранжа в космонавтике и в особенности в освоении Луны рассказано в статье с сайта gagarin.ru, где на вопросы журналиста отвечает доктор технических наук Юрий Петрович Улыбышев, заместитель руководителя корпорации «Энергия».
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.
Более того, в будущем технология спускаемого космического лифта (с естественных спутников или из точек Лагранжа) могла бы стать незаменима при освоении суперземель. Как известно уже сегодня по результатам работы телескопа «Кеплер», в нашей Галактике широко распространены каменные планеты, подобные Земле по химическому и, возможно, геологическому составу, но превышающие ее по размеру в два-три раза. Существует предположение, что такие планеты могут оказаться сверхобитаемыми, так как смогут удерживать на поверхности больше воды и плотные насыщенные атмосферы. Но при этом они являются настоящими «гравитационными колодцами» как для любой пилотируемой экспедиции с Земли, так и для потенциальной аборигенной космонавтики. Первая космическая скорость на суперземле настолько велика, что для выхода на ее орбиту с использованием привычного нам топлива потребовалась бы ракета-носитель размером с пирамиду Хеопса. Поэтому, возможно, жители таких планет просто заперты в своих мирах. Соответственно, как с обитаемой, так и с необитаемой суперземли не мог бы улететь и случайно оказавшийся там земной корабль. Не хватило бы топлива.
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
Я отдаю себе отчет в том, что на момент подготовки этой публикации создание космического лифта — далеко за пределами возможностей человечества. Даже Илон Маск, известный своими масштабными проектами, отказался высказаться на тему космического лифта. Я намеренно обошел здесь сугубо экономическую выгоду такого проекта — потенциально космический лифт позволил бы удешевить доставку одного килограмма груза на орбиту с 20 000 долларов (сейчас) до 500 долларов; при описанных же здесь перспективах лифт мог бы работать «на спуск» не менее активно, чем «на подъем». Надеюсь, мне удалось парировать все или хотя бы некоторые критические замечания из статьи «Придется ли нам распрощаться с мечтой о космических лифтах?», вышедшей в 2015 году, и дать вам пищу для размышления.
