Как построить космический лифт

Ещё Циолковский описывал конструкцию, которая могла бы связать орбиту с поверхностью Земли. В начале 1960-х годов идею развил Юрий Арцутанов, а Артур Кларк использовал её в романе «Фонтаны рая». «Мир фантастики» возвращается к теме космического лифта и пробует представить, как он должен работать и что для этого нужно.

Геостационарная орбита

Возможно ли, чтобы спутник неподвижно замер над головой наблюдателя? Будь Земля неподвижной, как в птолемеевской системе мира, ответ был бы «нет» — ведь без центробежной силы спутник не удержится на орбите. Но, как мы знаем, и сам наблюдатель не неподвижен, а вращается вместе с планетой. Если период обращения спутника будет равняться сидерическим суткам (23 часа 56 минут 4 секунды), а его орбита окажется в плоскости экватора, аппарат зависнет над так называемой «точкой стояния».Орбита, на которой спутник неподвижен относительно точки стояния, называется геостационарной. И для освоения космоса она чрезвычайно важна. Именно на ней находится большинство спутников связи, а связь — основное направление коммерческого использования космоса. Передачи через висящий над экватором ретранслятор можно принимать на неподвижные «тарелки».Существует и идея разместить на геостационарной орбите обитаемую станцию. Зачем? Во-первых, для обслуживания и ремонта спутников связи. Чтобы спутники прослужили ещё несколько лет, часто требуется лишь дозаправить топливом микродвигатели, обеспечивающие ориентацию солнечных батарей и антенны. Пилотируемая станция сможет маневрировать вдоль геостационарной орбиты, опускаться (при этом её угловая скорость станет выше, чем у «стоящих» спутников), догонять требующий обслуживания аппарат и снова подниматься. Горючего на это уйдёт не больше, чем расходует низкоорбитальная станция, когда преодолевает трение о разреженную атмосферу.Казалось бы, выгода огромная. Но снабжение столь удалённого форпоста обойдётся слишком дорого. Для смены экипажа и отправки транспортных кораблей потребуются впятеро более тяжёлые ракеты-носители, чем те, что применяются сейчас. Куда привлекательнее идея использовать высотную станцию для строительства космического лифта.

Тросы

Что будет, если с геостационарного спутника выбросить трос вниз, в направлении Земли? Сначала кориолисова сила увлечёт его вперёд. Ведь он получит ту же скорость, что и спутник, но окажется на более низкой орбите, а значит, его угловая скорость будет выше. Но через некоторое время трос приобретёт вес и повиснет вертикально. Радиус вращения сократится, и центробежная сила больше не сможет уравновешивать силу притяжения. Если продолжать вытравливать канат, рано или поздно он достигнет поверхности планеты.Чтобы центр тяжести системы не сместился, необходим противовес. В качестве балласта некоторые предлагают использовать отработавшие спутники или даже небольшой астероид. Но есть и более интересный вариант — вытравливать трос и в противоположную сторону, от Земли. Он тоже распрямится и натянется. Но уже не под собственным весом, а из-за центробежной силы.Второй трос будет полезнее простого балласта. Дешёвая, безракетная доставка грузов на геостационарную орбиту — это полезно, но само по себе не окупит затраты на лифт. Станция на высоте 36 000 километров станет лишь перевалочным пунктом. Далее, уже без затрат энергии, ускоряясь центробежной силой, грузы двинутся по второму тросу. На расстоянии 144 000 километров от Земли их скорость превысит вторую космическую. Лифт превратится в катапульту, отправляющую снаряды к Луне, Венере и Марсу за счёт энергии вращения планеты.

Проблема в тросе, который должен не оборваться под собственным весом, несмотря на фантастическую длину. Со стальным канатом это произойдёт уже при длине 60 километров (а возможно, намного раньше, так как при плетении неизбежны дефекты). Избежать разрыва можно, если толщина каната будет экспоненциально возрастать с высотой — ведь каждый последующий участок должен выдерживать свой вес плюс вес всех предыдущих. Но мысленный эксперимент придётся прервать: ближе к верхнему концу трос достигнет такой толщины, что запасов железа в земной коре на него просто не хватит.Не подходит даже прочнейший полиэтилен «дайнима» (Dyneema), из которого делают бронежилеты и стропы парашютов. Он имеет низкую плотность, при поперечном сечении в один квадратный миллиметр выдерживает нагрузку в две тонны и рвётся под собственным весом лишь при длине 2500 километров. Но и трос из «дайнимы» должен иметь массу около 300 000 тонн и толщину 10 метров на верхнем конце. Доставить такой груз на орбиту почти нереально, — а лифт можно строить только сверху.Надежду вселяют открытые в 1991 году углеродные нанотрубки, теоретически способные превосходить кевлар по прочности в 30 раз (на практике полиэтиленовый трос пока прочнее). Если подтвердятся оптимистичные оценки их потенциала, можно будет изготовить постоянную по сечению ленту длиной 36 000 км, весом 270 тонн и грузоподъёмностью 10 тонн. А если подтвердятся хотя бы пессимистичные оценки, лифт с тросом толщиной 1 миллиметр у Земли и 25 сантиметров на орбите (масса 900 тонн без учёта противовеса) уже не будет фантастикой.

Подъёмник

Создать подъёмник для космического лифта — задача нетривиальная. Для изготовления троса нужно лишь отработать новую технологию. Механизм же, способный взбираться по этому тросу и доставлять грузы на орбиту, ещё предстоит изобрести. «Земной» способ, когда кабина крепится к наматывающемуся на барабан канату, не выдерживает критики: масса груза окажется пренебрежимо малой по сравнению с массой каната. Подъёмнику предстоит взбираться самостоятельно.Казалось бы, и это несложно реализовать. Трос зажимается между роликами, и машина ползёт вверх, удерживаясь за счёт силы трения. Но это только в фантастике космический лифт — башня или могучая колонна, внутри которой движется кабина. В реальности поверхности Земли достигнет едва видимая нить, в лучшем случае: узкая лента. Площадь соприкосновения роликов с опорой будет ничтожной, а значит, и трение не может быть велико.

Есть и ещё одно ограничение — механизм не должен повреждать трос. Увы, хотя наноткань невероятно прочна на разрыв, это не значит, что её трудно перерезать или перетереть. Заменить же порванный трос будет очень трудно. А если он лопнет на большой высоте, центробежная сила унесёт станцию далеко в космос, погубив весь проект. Чтобы в аварийной ситуации удержать центр тяжести системы на орбите, по всей длине троса придётся разместить небольшие мины. При обрыве одной из ветвей они немедленно отстрелят равную по массе часть противоположной.Нужно решить и массу других интересных задач. Например, расхождение подъёмников, движущихся навстречу друг другу, и спасение пассажиров из «застрявших» кабин.Самая сложная проблема — питание подъёмника. Энергия для двигателя потребуется немаленькая. Ёмкости аккумуляторов, как существующих, так и разрабатываемых, недостаточно. Запас же химического горючего и окислителя превратит подъёмник в многоступенчатую систему из баков и двигателей. Этой замечательной конструкции, кстати, не нужен и дорогостоящий трос — она существует прямо сейчас и называется «ракета-носитель».

Проще всего встроить в трос контактные провода. Но веса металлической проводки трос не выдержит, а значит, придётся «научить» нанотрубки проводить электрический ток. Автономное питание в виде солнечных батарей или радиоизотопного источника слабовато: по самой оптимистичной оценке, подъём с ними займёт десятки лет. Ядерный реактор, у которого лучше с отношением массы к мощности, доставит кабину на орбиту за годы. Но сам он слишком тяжёл и к тому же потребует двух-трёх дозаправок по дороге.Пожалуй, лучший вариант — это передача энергии с помощью лазера или микроволновой пушки, облучающих приёмное устройство подъёмника. Но и он не лишён недостатков. На современном уровне технологий лишь меньшая часть получаемой энергии может быть преобразована в электрическую. Остальное перейдёт в тепло, отвести которое в условиях безвоздушного пространства окажется весьма проблематично.

Причальная башня

Основание космического лифта обычно представляют как комплекс наземных сооружений, расположенный где-нибудь в Эквадоре, джунглях Габона или на атолле в Океании. Но самое очевидное решение не всегда лучшее. Спущенный с орбиты трос можно закрепить на палубе корабля или на вершине колоссальной башни. Морское судно будет уклоняться от ураганов, способных если и не оборвать обладающий немалой парусностью лифт, то сбросить с него подъёмники.А башня высотой 12-15 километров позволит защитить трос от буйства атмосферы, к тому же несколько сократит его длину. На первый взгляд выгода кажется ничтожной, но если масса троса будет зависеть от его длины экспоненциально, то даже крошечный выигрыш позволит достичь заметной экономии. Кроме того, причальная башня позволяет примерно вдвое повысить грузоподъёмность системы за счёт отказа от самого тонкого и уязвимого участка нити.Впрочем, возвести здание такой высоты возможно только на страницах фантастических романов. Теоретически такую башню можно соорудить из материала, обладающего твёрдостью алмаза. Практически же никакой фундамент не выдержит её вес.

Тем не менее построить причальную вышку на многокилометровой высоте возможно. Только строительным материалом должен служить не бетон, а газ: наполненные гелием шары. Такая башня будет представлять собой «поплавок», нижняя часть которого погружена в атмосферу и за счёт архимедовой силы поддерживает верхнюю, находящуюся уже в почти безвоздушном пространстве. Строиться это сооружение может снизу, из отдельных, имеющих небольшие размеры и вполне заменимых блоков. Нет принципиальных препятствий тому, чтобы «надувная башня» достигала высоты в 100 или даже 160 километров.Даже без космического лифта «парящая башня» имеет смысл. Как электростанция — если внешнюю оболочку покрыть солнечными батареями. Как ретранслятор, обслуживающий территорию радиусом в полторы тысячи километров. Наконец, как обсерватория и база для исследования верхних слоёв атмосферы.

А если не замахиваться на высоту в сотни километров, можно использовать в качестве причальной станции кольцевидный аэростат, «заякоренный» на высоте 40 километров. Гигантский дирижабль (или несколько дирижаблей, расположенных один над другим) разгрузят трос лифта, приняв на себя его вес на последних десятках километров.Но самые значительные преимущества дала бы движущаяся платформа в виде высотного дирижабля, летящего над экватором со скоростью 360 км/ч (что вполне достижимо при питании двигателя от солнечных батарей и ядерного реактора). В таком случае и спутнику не нужно висеть над одной точкой. Его орбита будет располагаться на 7 000 километров ниже геостационарной, что позволит уменьшить длину троса на 20%, а массу в 2,5 раза (учитывая и выигрыш от применения «причальной башни»). Останется решить проблему доставки грузов на сам дирижабль.

Гравитационная катапульта

Космический лифт — самый амбициозный, но не единственный проект использования тросов для запуска космических аппаратов. Некоторые другие замыслы можно воплотить уже на нынешнем уровне технологий.Что, например, будет, если привязанный тросом груз вытолкнуть из зависшего на орбите шаттла «вверх», прочь от Земли? По закону сохранения импульса сам корабль сместится на более низкую орбиту. И начнёт падать. Груз же, увлекая за собой разматывающийся трос, сначала отклонится кориолисовой силой назад, но затем устремится «вверх». Ведь с увеличением радиуса вращения гравитация ослабеет, а центробежная сила увеличится. Система сработает как требушет — древняя метательная машина. Роль клети с камнями возьмёт на себя челнок, трос превратится в пращу, осью же станет общий центр масс системы, пребывающий в состоянии невесомости на первоначальной орбите корабля. Качнувшись относительно оси, трос распрямится в вертикальном направлении, натянется и выбросит груз.Разница между гравитационной катапультой и космическим лифтом в том, что роль «клети» в лифте выполняет сама планета, «падающая» на неразличимо малую высоту относительно центра масс системы «Земля-снаряд». В данном же случае будет затрачена кинетическая энергия челнока. Корабль передаст часть своего импульса грузу — скажем, автоматической межпланетной станции, — потеряет скорость и высоту и войдёт в плотные слои атмосферы. Что тоже хорошо, так как обычно для схождения с орбиты челноку приходится тормозить двигателями, сжигая горючее.

С помощью тросовой катапульты шаттл сможет отправить к Марсу или Венере в 2-3 раза больший груз, чем традиционным путём. Что, впрочем, всё равно не позволит челночной системе состязаться с обычной ракетой-носителем в экономичности. Ведь на орбиту для «катапультного» запуска потребуется вывести не только полезную нагрузку, но и исполинский трос с «противовесом». Другое дело, что противовес для катапульты можно найти прямо на орбите — подойдёт, например, выполнивший свою миссию транспортный корабль. Кроме того, вокруг нашей планеты вращается масса «космического мусора», который придётся собирать уже в обозримом будущем.

Проблемы, связанные с сооружением космического лифта, далеки от разрешения. Экономически эффективная альтернатива ракетам и челнокам появится ещё нескоро. Но на данный момент «лестница в пустоту» — самый фантастичный и масштабный проект, над которым работает наука. Даже если сооружение, длина которого в дюжину раз превосходит диаметр планеты, окажется неэффективным, оно ознаменует начало нового этапа в истории человечества. Тот самый «выход из колыбели», о котором более века назад говорил Константин Эдуардович Циолковский.