Статья " Космический лифт"

Космический лифт

!978 год вышел в свет роман Артура Кларка «Фонтаны рая», в котором

космический лифт и трудности его создания были описаны во всех подробностях.

Мы возвращаемся к этой теме еще раз.

И вот почему…

Японская компания Obayashi Corporation представила концепт транспортного средства в космос. Эта информация появилась в феврале 2013 года.

Это будет космический лифт от Земли к орбите. Запуск лифта планируется к 2050-му году. А лет пятьдесят назад люди думали, что вначале 21 века полеты в космос будут доступны каждому и по несколько раз. К сожалению это не так.
Лифт сможет двигаться со скоростью 200 километров в час и нести в себе одновременно до 30 человек. Так что для достижения конечной цели этому транспортному средству понадобится около 8 суток. На космической станции же расположатся лаборатории и жилые помещения. Звучит красиво. Но есть сомнения о непрактичности такой конструкции. Не существует прочного материала для троса .Прошло 5 лет японские исследователи на этом не остановились и уже проводят испытания прототипа космического лифта.

Устройство доставлено на орбиту осенью 2018 года с помощью ракеты-носителя H_IIB,сообщается в пресс-релизе на phys.org.

Напомним, что космический лифт — это инженерное сооружение, предназначенное для вывода грузов в космос без использования ракет. Основной компонент устройства — прочный трос, который тянется от поверхности Земли до орбитальной станции. Станция расположена на геостационарной орбите, то есть находится над одной и той же точкой и поддерживает трос за счет центробежной силы. По тросу перемещается грузовой подъемник.

Пока, правда, прототип космического лифта представляет собой всего лишь небольшой ящик с мотором размерами 6х3х3 см, а также 10 метровый кабель, натянутый между двумя небольшими спутниками, внутри одного из которых «минилифт» и будет находиться первоначально.

Ему предстоит при помощи небольшого моторчика преодолеть всю дистанцию.

Камеры на аппаратах позволят проследить за функционированием лифта.

Всё новое это давно забытое старое

Таков прототип. Готовая же система должна выглядеть примерно так: трос соединит платформу на Земле с орбитальной станцией — своего рода противовесом. Платформу расположат в океане в районе экватора, противовес — на высоте 96 000 км. По тросу пойдут подъемники лифты. Большую часть пути они будут подниматься за счет центробежной силы, возникающей в результате вращения Земли, а достигнув высоты

36 000 км, лифты сами устремятся к станции.

Поскольку центр тяжести системы расположится на геостационарной орбите, то все «лифтовое хозяйство» будет вращаться вместе с Землей — точно с ее скоростью. Орбитальная станция — «верхний этаж» космического лифта — тоже, соответственно, будет оставаться на одном месте.

Пока, как уже сказано, японцы планируют испытать куда более скромное устройство. Прототип, мягко говоря, миниатюрен — чуть больше спичечного коробка. Однако подобные испытания впервые будут проведены в космосе.

По мнению специалистов, испытания позволят проверить, насколько жизнеспособна сама концепция создания «космических лифтов». Если окажется, что подобного рода сооружения имеют будущее, вполне вероятно,что лет через 30 появятся значительно более крупные лифты, способные доставить грузы и даже людей в космос. Не исключается даже, что такая технология будет использоваться для доставки на орбиту космических туристов. Для настоящего космического лифта фирма намерена «сплести» трос из углеродных нанотрубок, которые в десятки раз прочнее стали и в сотни раз легче. Американцы собираются спускаться с орбиты на космическом лифте к небоскребу, свисающему с астероида, с высоты в 50 тыс. км.

Впервые идея космического лифта была предложена Константином Циолковским еще в конце 19 века, а затем эта идея фигурировала как в некоторых инженерных проектах, так и в ряде научно фантастических произведений. В июле 1960 года «Комсомольская правда» опубликовала статью ленинградского инженера Юрия Арцутанова «В космос на электровозе». Здесь, впервые рассказывалось о принципе действия внеземного подъемника. Идею подхватили другие специалисты.

Внешне все выглядит вроде бы просто. Главный элемент подъемника — трос, один конец которого крепится на поверхности Земли, другой — теряется в космосе на высоте близкой к 100 000 км (это примерно четверть расстояния до Луны). Несмотря на то, что второй конец троса может быть просто оставлен в пространстве, он будет натянут как струна.

П редполагал ли автор романа , что на период разработки его идеи человечество так засорит космос за какие-то 55 лет . За последние годы человечество запустило в космос множество объектов — полезных и не очень. Или строителям лифта придётся всё это найти и убрать (что невозможно, учитывая количество полезных спутников или орбитальные телескопы), или предусмотреть систему, защищающую объект от столкновений. Трос — теоретически неподвижен, поэтому любое вращающееся вокруг Земли тело рано или поздно с ним столкнётся. Кроме того, скорость при столкновении будет практически равна скорости вращения этого тела, так что тросу будет причинён большой ущерб. Маневрировать трос не может, а протяжённостью обладает большой, поэтому столкновения будут частыми. Как с этим бороться, пока не ясно. Учёные говорят о постройке орбитального космического лазера для сжигания мусора, но это уж совсем из области научной фантастики.

Вся хитрость в том, что, подчиняясь законам физики, трос этот окажется под воздействием двух могучих разнонаправленных сил. Чтобы понять их природу, вспомним такой опыт. Привяжите к бечевке предмет и начинайте раскручивать его. Как только предмет приобретет некую скорость, веревка тут же натянется. Почему? Да потому, что на предмет действует центробежная сила. А на саму веревку сила центростремительная, которая и натягивает ее. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тросом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свободный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты. Стало быть, на этот конец будет действовать центробежная сила. В то же время на трос будет действовать и противоположная сила — земного притяжения.

И тем ощутимее, чем ближе он находится к Земле. А чем дальше в космос, тем,наоборот, энергичнее проявляется центробежный фактор. При определенных условиях две противоположные силы уравновешивают друг друга. Происходит это, когда центр массы гигантского каната находится на высоте 36 000 км, то есть на так называемой геостационарной орбите. А как же солнечный ветер, спросите вы?

Трос будет восприимчив к непредсказуемым порывам солнечного ветра — под его воздействием он будет изгибаться, и это отрицательно скажется на стабильности лифта. В качестве стабилизаторов к тросу можно прикрепить микродвигатели, но эта мера создаст дополнительные трудности при технического обслуживания сооружения.

Кроме того, это затруднит продвижение по тросу специальных кабинок, так называемых «альпинистов». Трос, скорее всего, вступит с ними в резонанс. Нагрузка на трос может превышать 100 000 кг/м., так что материал для его изготовления должен обладать чрезвычайно высокой прочностью для устойчивости к растяжениям, и при этом очень низкой плотностью. Пока такого материала нет — не подходят даже углеродные нанотрубки, считающиеся сейчас самыми прочными и упругими материалами на планете. К сожалению, технология их получения только начинает разрабатываться. Пока что удаётся получить крошечные кусочки материала: самая длинная нанотрубка, которую удалось создать — пара сантиметров в длину и несколько нанометров в ширину. Удастся ли когда-нибудь сделать из этого достаточно длинный трос, пока неизвестно.

Искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. Вот из этой как бы срединной точки лифтовый канат и должен идти вниз, к Земле, и примерно на такое же расстояние в противоположную сторону. В этом случае огромный кабель будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение — вертикально к земному горизонту, точно по направлению к центру нашей планеты. Используя , эту рукотворную вертикаль, можно отправлять кабины в космос и опускать их на Землю, этот способ путешествия в космос и был описан в романе Артура Кларка, вышедшем в свет в 1978 году. Идея Арцутанова, таким образом, приобрела всемирную известность. Вот только воплотить ее в жизнь было невозможно. А все потому, что в схеме имелось одно слабое звено. Неясно было, на чем подвешивать кабину космического лифта. Если использовать обычный стальной трос, то простейший расчет показывал: он порвется под воздействием собственной тяжести уже при длине 50 км. Артур Кларк в романе предложил заменить сталь на легкий и очень прочный кевлар. Однако, во- первых, где взять такое количество дефицитного и достаточно дорогого материала?

А во- вторых, и в главных, даже при изобилии кевлара длину каната можно увеличить лишь на сотню другую километров, то есть достичь орбит низко летящих спутников. На большее прочности кевлара не хватит. Это, кстати, понимал и сам писатель. А потому придумал некий сверхпрочный «псевдоодномерный алмазный кристалл», который и стал основным строительным материалом.

Возникает ещё один вопрос . Насколько быстро будет способе двигаться лифт с учётом противовесов «альпинистов»?
Трос и «альпинисты» неподвижны относительно поверхности Земли. А вот по отношению к центру Земли объект будет двигаться со скоростью 1 700 км/ч на поверхности и 10 000 км/ч на орбите. Соответственно, «альпинистам» при запуске надо придать эту скорость. «Альпинист» разгоняется в перпендикулярном тросу направлении, и из-за этого трос будет раскачиваться подобно маятнику. Одновременно с этим возникает сила, пытающаяся оторвать наш трос от Земли. Сила обратно пропорциональна величине прогиба троса и прямо пропорциональна скорости подъема груза и его массе. Таким образом, сила Кориолиса мешает быстро поднимать грузы на геостационарную орбиту.

С силой Кориолиса можно бороться, просто запуская одновременно двух «альпинистов» с Земли и с орбиты, но тогда сила между двумя грузами будет растягивать трос ещё сильнее. Как вариант — мучительно медленный подъём на гусеничном ходу

Один из героев романа, инженер Морган, поясняет, что такой кристалл не абсолютно чистый углерод, «тут есть дозированные микровключения некоторых элементов». И добавляет, что производство таких кристаллов возможно только в невесомости, где нет тяжести, нарушающей кристаллическую решетку. Самое примечательное, что Кларк почти угадал. Нынешний этап интереса к проекту строительства космического лифта связан именно с углеродными кристаллами, хотя и несколько иного вида микротрубками из графита.

Статью подготовила Иоцук М. В.